Utilizando o Fracionamento da Densidade do Solo para Separar Pools de Carbono do Solo Distintos
Summary
O fracionamento da densidade do solo separa a matéria orgânica do solo em pools distintos com diferentes mecanismos de estabilização, química e tempos de rotação. Soluções de politungstato de sódio com densidades específicas permitem a separação da matéria orgânica particulada livre e da matéria orgânica associada ao mineral, resultando em frações de matéria orgânica adequadas para descrever a resposta do solo ao manejo e às mudanças climáticas.
Abstract
A matéria orgânica do solo (MOS) é uma mistura complicada de diferentes compostos que abrangem desde componentes vegetais livres e parcialmente degradados até compostos mais alterados microbialmente mantidos nos agregados do solo até subprodutos microbianos altamente processados com fortes associações com minerais reativos do solo. Os cientistas do solo têm lutado para encontrar maneiras de separar o solo em frações que sejam facilmente mensuráveis e úteis para a modelagem de carbono (C) do solo. O fracionamento do solo com base na densidade está sendo cada vez mais utilizado, sendo de fácil execução e produzindo pools de C com base no grau de associação entre a MOS e diferentes minerais; assim, o fracionamento da densidade do solo pode auxiliar na caracterização da MOS e na identificação de mecanismos de estabilização da MOS. No entanto, os protocolos de fracionamento da densidade do solo relatados variam significativamente, tornando os resultados de diferentes estudos e ecossistemas difíceis de comparar. Aqui, descrevemos um procedimento robusto de fracionamento por densidade que separa partículas e matéria orgânica associada a minerais e explicamos os benefícios e desvantagens de separar o solo em duas, três ou mais frações de densidade. Tais frações frequentemente diferem em sua composição química e mineral, tempo de rotatividade e grau de processamento microbiano, bem como o grau de estabilização mineral.
Introduction
O solo é o maior estoque de carbono terrestre (C), contendo mais de 1.500 Pg de C no 1 m superior e quase o dobro dessa quantidade em níveis mais profundos globalmente, o que significa que o solo contém mais C do que a biomassa vegetal e a atmosfera combinadas1. A matéria orgânica do solo (MOS) retém água e nutrientes do solo e é essencial para a produtividade das plantas e para a função do ecossistema terrestre. Apesar do reconhecimento global da importância de estoques adequados de MOS para a saúde do solo e a produtividade agrícola, os estoques de C no solo têm sido substancialmente esgotados devido ao manejo florestal e agrícola insustentável, às mudanças na paisagem e ao aquecimento climático 2,3. O aumento do interesse em restaurar a saúde do solo e em usar a retenção de C do solo como um ator chave em soluções climáticas naturais tem levado a esforços para entender os fatores que controlam o sequestro e a estabilização do C no solo em diversos ambientes 4,5.
A matéria orgânica do solo (MOS) é uma mistura complicada de diferentes compostos que abrangem desde componentes vegetais livres e parcialmente degradados até compostos mais microbialmente alterados contidos nos agregados do solo (definidos aqui como um material formado pela combinação de unidades ou itens separados) até subprodutos microbianos altamente processados com fortes associações com minerais reativos do solo6 . Nos casos em que é impraticável identificar o conjunto completo de compostos individuais na MOS, os pesquisadores geralmente se concentram em identificar um número menor de pools funcionais de C que existem como realidades físicas e que variam de acordo com as taxas de rotatividade, a composição química geral e o grau de estabilização com os componentes minerais do solo1, 7º. Para que os pools sejam criticamente interpretados e modelados, é essencial que os pools separados sejam pequenos em número, sejam diretamente mensuráveis em vez de apenas teóricos e exibam diferenças claras na composição e reatividade8.
Muitas técnicas diferentes, tanto químicas quanto físicas, têm sido empregadas para isolar pools significativos de C no solo, e estas são bem resumidas por von Lützow et al.9 e Poeplau et al.10. Técnicas de extração química visam isolar pools específicos, tais como C associado a Fe e Al11 pouco cristalinos ou cristalinos. Solventes orgânicos têm sido usados para extrair compostos específicos, como lipídios12, e tanto a hidrólise quanto a oxidação da MOS têm sido usadas como medida de um pool lábil de C13,14. No entanto, nenhum desses métodos de extração categoriza todos os pools de C em frações mensuráveis ou modeláveis. O fracionamento físico do solo categoriza todo o C do solo em pools com base no tamanho e assume que a decomposição dos restos vegetais resulta em fragmentação e partículas cada vez menores. Embora o tamanho isoladamente não possa separar os detritos vegetais livres da MOS15 associada ao mineral, a quantificação desses dois pools é crítica para a compreensão da estabilização do C no solo devido às diferenças espaciais, físicas e biogeoquímicas comuns na formação e no turnover16.
O fracionamento do C do solo com base na densidade vem sendo cada vez mais utilizado, sendo de fácil execução e identificando diferentes pools de C com base no grau de associação com diferentes minerais17,18,19; assim, o fracionamento da densidade do solo pode ajudar a elucidar diferentes mecanismos de estabilização do C no solo. O principal requisito para que o solo seja fracionado é a capacidade de dispersar totalmente as partículas orgânicas e minerais. Uma vez dispersa, a matéria orgânica degradada que é relativamente livre de minerais flutua em soluções mais leves do que ~1,85 g/cm 3, enquanto os minerais tipicamente caem na faixa de 2-4,5 g/cm 3, embora os óxidos de ferro possam ter densidades de até 5,3 g/cm3. A fração de partículas leves ou livres tende a ter um tempo de rotação mais curto (a menos que haja contaminação significativa por carvão vegetal) e tem se mostrado altamente responsiva ao cultivo e outras perturbações. A fração pesada (>1,85 g/cm3) ou associada a minerais geralmente tem um tempo de turnover maior devido à resistência à decomposição mediada microbialmente adquirida quando moléculas orgânicas se ligam a superfícies minerais reativas. No entanto, a fração pesada pode saturar (isto é, atingir um limite superior para a capacidade de complexação mineral), enquanto a fração leve pode teoricamente acumular-se quase indefinidamente. Assim, compreender a distribuição física da matéria orgânica em pools de matéria orgânica associada a minerais versus particulados ajuda a elucidar quais ecossistemas podem ser manejados para o sequestro eficiente de carbono e como diferentes sistemas responderão às mudanças climáticas e mudanças nos padrões de perturbação antrópica20.
Embora o uso do fracionamento por densidade utilizando soluções de politungstato de sódio em diferentes densidades tenha aumentado muito na última década, as técnicas e protocolos variam significativamente, tornando os resultados de diferentes estudos e diferentes ecossistemas difíceis de comparar. Embora tenha sido demonstrado que uma densidade de 1,85 g/cm3 recupera a maior quantidade de fração leve livre com mínima inclusão de matéria orgânica associada ao mineral (MAOM)17, muitos estudos têm utilizado densidades que variam de 1,65-2,0 g/cm3. Enquanto a maioria dos estudos fracionou os solos em apenas dois pools (uma fração leve e uma fração pesada, doravante LF e HF), outros estudos usaram densidades múltiplas para refinar ainda mais a fração pesada em pools que diferem pelos minerais aos quais estão associados, a proporção relativa de minerais para revestimento orgânico ou o grau de agregação (por exemplo, Sollins et al.17, Sollins et al.18, Hatton et al.21, Lajtha et al.22, Yeasmin et al.23, Wagai et al.24, Volk et al.25). Além disso, procedimentos de fracionamento mais complexos têm sido sugeridos que combinam separação de tamanho e densidade, resultando em um maior número de pools (por exemplo, Yonekura et al.26, Virto et al.27, Moni et al.15, Poeplau et al.10), mas também mais espaço para erros, tanto na metodologia quanto em relação ao tamanho do pool. Além disso, os autores também utilizaram a sonicação em intensidades e tempos variados em um esforço para dispersar agregados e MAOM de superfícies minerais28,29,30.
Aqui, descrevemos um procedimento robusto de fracionamento de densidade que identifica, primeiro, dois pools únicos de carbono do solo (LF e HF, ou POM e MAOM), e oferecemos as técnicas e os argumentos para separar ainda mais o pool de HF em frações adicionais que diferem com base em sua mineralogia, grau de revestimento orgânico ou agregação. As frações identificadas diferem quanto à composição química, tempo de rotação, grau de processamento microbiano e grau de estabilização mineral18,19.
O procedimento a seguir separa o solo em matéria orgânica particulada (POM) e matéria orgânica associada a minerais (MAOM) misturando uma quantidade conhecida de solo em uma solução com uma densidade específica. A eficácia do procedimento é medida pela recuperação combinada da massa do solo e do carbono em relação à massa da amostra inicial e ao teor de C. Uma solução densa é obtida pela dissolução do politungstato de sódio (TCP) em água deionizada. O solo é inicialmente misturado com a solução densa de SPT e agitado para misturar e dispersar completamente os agregados do solo. A centrifugação é então usada para separar os materiais do solo que flutuam (fração leve) ou afundam (fração pesada) na solução. As etapas de mistura, isolamento, recuperação e lavagem são repetidas várias vezes para garantir a separação das frações leve e pesada, juntamente com a remoção de SPT do material. Finalmente, as frações do solo são secas, pesadas e analisadas quanto ao teor de C. O material fracionado pode ser utilizado para procedimentos e análises subsequentes.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ao longo do protocolo de fracionamento da densidade do solo, existem alguns procedimentos específicos que devem ser monitorados de perto para ajudar a reduzir erros na separação e análise das frações do solo. Uma etapa crítica no procedimento de fracionamento da densidade do solo é verificar repetidamente a densidade da solução de TCP. A umidade na amostra de solo muitas vezes dilui a solução de SPT, diminuindo assim a densidade do SPT. Portanto, o pesquisador deve sempre garantir que a separação completa d…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Para este trabalho, o apoio foi fornecido pela National Science Foundation Grants DEB-1257032 para K.L. e DEB-1440409 para o programa de Pesquisa Ecológica de Longo Prazo de H. J. Andrews.
Materials
| Aspirator/vacuum tubing 1/4 x 1/2" | Kimble | 10847-216 | |
| Conical polypropylene centrifuge tube, 250mL | Thermo Scientific | 376814 | |
| Conical rubber gasket for filtering flasks | DWK Life Sciences | 292020001 | |
| Double flat ended stainless steel spatula/scraper | Fisher Scientific | 14-373-25A | |
| Glass fiber filter, grade GF/F, 110 mm | Whatman | WHA1825110 | |
| Glass mason jar, 16 oz | Ball Corporation | 500 ml beaker or glass weigh dish are also suitable | |
| Polypropylene conical bottle adapter, 250mL | Beckman Coulter | 369385 | |
| Porcelain buchner funnel, 90mm | FisherBrand | FB966F | |
| Reciprocating shaker, 2-speed | Eberbach | E6000.00 | |
| Sidearm flask, 1000mL | VWR | 89000-386 | |
| Sodium Polytungstate, crystalline | Sometu | SPT-0 or SPT-1, see Discussion for SPT choice | Shipping via FedEx from Germany |
| Swinging bucket centrifuge | Beckman Coulter | 3362020 |
References
- Jackson, R. B., et al. The ecology of soil carbon: Pools, vulnerabilities, and biotic and abiotic controls. Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics. 48, 419-445 (2017).
- Crowther, T. W., et al. Quantifying global soil carbon losses in response to warming. Nature. 540 (7631), 104-108 (2016).
- Deng, L., Zhu, G., Tang, Z., Shangguan, Z. Global patterns of the effects of land-use changes on soil carbon stocks. Global Ecology and Conservation. 5, 127-138 (2016).
- Griscom, B. W., et al. Natural climate solutions. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (44), 11645-11650 (2017).
- Fargione, J. E., et al. Natural climate solutions for the United States. Science Advances. 4 (11), (2018).
- Kögel-Knabner, I., Rumpel, C. Advances in molecular approaches for understanding soil organic matter composition, origin, and turnover: A historical overview. Advances in Agronomy. 149, 1-48 (2018).
- Schmidt, M. W. I., et al. Persistence of soil organic matter as an ecosystem property. Nature. 478 (7367), 49-56 (2011).
- Billings, S. A., et al. Soil organic carbon is not just for soil scientists: Measurement recommendations for diverse practitioners. Ecological Applications. 31 (3), 02290 (2021).
- von Lützow, M., et al. SOM fractionation methods: Relevance to functional pools and to stabilization mechanisms. Soil Biology and Biochemistry. 39 (9), 2183-2207 (2007).
- Poeplau, C., et al. Isolating organic carbon fractions with varying turnover rates in temperate agricultural soils – A comprehensive method comparison. Soil Biology and Biochemistry. 125, 10-26 (2018).
- Heckman, K., Lawrence, C. R., Harden, J. W. A sequential selective dissolution method to quantify storage and stability of organic carbon associated with Al and Fe hydroxide phases. Geoderma. 312, 24-35 (2018).
- Frostegård, &. #. 1. 9. 7. ;., Tunlid, A., Bååth, E. Microbial biomass measured as total lipid phosphate in soils of different organic content. Journal of Microbiological Methods. 14 (3), 151-163 (1991).
- Plante, A. F., Conant, R. T., Paul, E. A., Paustian, K., Six, J. Acid hydrolysis of easily dispersed and microaggregate-derived silt- and clay-sized fractions to isolate resistant soil organic matter. European Journal of Soil Science. 57 (4), 456-467 (2006).
- Eusterhues, K., Rumpel, C., Kögel-Knabner, I. Stabilization of soil organic matter isolated via oxidative degradation. Organic Geochemistry. 36 (11), 1567-1575 (2005).
- Moni, C., Derrien, D., Hatton, P. -. J., Zeller, B., Kleber, M. Density fractions versus size separates: does physical fractionation isolate functional soil compartments. Biogeosciences. 9 (12), 5181-5197 (2012).
- Lavallee, J. M., Soong, J. L., Cotrufo, M. F. Conceptualizing soil organic matter into particulate and mineral-associated forms to address global change in the 21st century. Global Change Biology. 26 (1), 261-273 (2020).
- Sollins, P., et al. Organic C and N stabilization in a forest soil: Evidence from sequential density fractionation. Soil Biology and Biochemistry. 38 (11), 3313-3324 (2006).
- Sollins, P., et al. Sequential density fractionation across soils of contrasting mineralogy: evidence for both microbial- and mineral-controlled soil organic matter stabilization. Biogeochemistry. 96 (1-3), 209-231 (2009).
- Crow, S. E., Swanston, C. W., Lajtha, K., Brooks, J. R., Keirstead, H. Density fractionation of forest soils: methodological questions and interpretation of incubation results and turnover time in an ecosystem context. Biogeochemistry. 85 (1), 69-90 (2007).
- Cotrufo, M. F., Ranalli, M. G., Haddix, M. L., Six, J., Lugato, E. Soil carbon storage informed by particulate and mineral-associated organic matter. Nature Geoscience. 12 (12), 989-994 (2019).
- Hatton, P. -. J., et al. Transfer of litter-derived N to soil mineral-organic associations: Evidence from decadal 15N tracer experiments. Organic Geochemistry. 42 (12), 1489-1501 (2012).
- Lajtha, K., et al. Changes to particulate versus mineral-associated soil carbon after 50 years of litter manipulation in forest and prairie experimental ecosystems. Biogeochemistry. 119 (1-3), 341-360 (2014).
- Yeasmin, S., Singh, B., Johnston, C. T., Sparks, D. L. Organic carbon characteristics in density fractions of soils with contrasting mineralogies. Geochimica et Cosmochimica Acta. 218, 215-236 (2017).
- Wagai, R., Kajiura, M., Asano, M., Hiradate, S. Nature of soil organo-mineral assemblage examined by sequential density fractionation with and without sonication: Is allophanic soil different. Geoderma. 241-242, 295-305 (2015).
- Volk, M., Bassin, S., Lehmann, M. F., Johnson, M. G., Andersen, C. P. 13C isotopic signature and C concentration of soil density fractions illustrate reduced C allocation to subalpine grassland soil under high atmospheric N deposition. Soil Biology and Biochemistry. 125, 178-184 (2018).
- Yonekura, Y., et al. Soil organic matter dynamics in density and particle-size fractions following destruction of tropical rainforest and the subsequent establishment of Imperata grassland in Indonesian Borneo using stable carbon isotopes. Plant and Soil. 372 (1-2), 683-699 (2013).
- Virto, I., Moni, C., Swanston, C., Chenu, C. Turnover of intra- and extra-aggregate organic matter at the silt-size scale. Geoderma. 156 (1-2), 1-10 (2010).
- Poeplau, C., et al. Reproducibility of a soil organic carbon fractionation method to derive RothC carbon pools. European Journal of Soil Science. 64 (6), 735-746 (2013).
- Cerli, C., Celi, L., Kalbitz, K., Guggenberger, G., Kaiser, K. Separation of light and heavy organic matter fractions in soil – Testing for proper density cut-off and dispersion level. Geoderma. 170, 403-416 (2012).
- Kaiser, K., Guggenberger, G. Distribution of hydrous aluminium and iron over density fractions depends on organic matter load and ultrasonic dispersion. Geoderma. 140 (1-2), 140-146 (2007).
- Helbling, E., Pierson, D., Lajtha, K. Sources of soil carbon loss during soil density fractionation: Laboratory loss or seasonally variable soluble pools. Geoderma. 382, 114776 (2021).
- Nelson, D. W., Sommers, L. E., Sparks, D. L., Page, A. L., Helmke, P. A., Loeppert, R. H. Total carbon, organic carbon, and organic matter. Methods of Soil Analysis: Part 3 Chemical Methods. , 539-579 (2015).
- Pierson, D., et al. Mineral stabilization of soil carbon is suppressed by live roots, outweighing influences from litter quality or quantity. Biogeochemistry. 154 (3), 433-449 (2021).
- Kramer, M. G., Lajtha, K., Thomas, G., Sollins, P. Contamination effects on soil density fractions from high N or C content sodium polytungstate. Biogeochemistry. 92 (1-2), 177-181 (2009).
- Throop, H. L., Lajtha, K., Kramer, M. Density fractionation and 13C reveal changes in soil carbon following woody encroachment in a desert ecosystem. Biogeochemistry. 112 (1-3), 409-422 (2013).
- Amelung, W., Zech, W. Minimisation of organic matter disruption during particle-size fractionation of grassland epipedons. Geoderma. 92 (1-2), 73-85 (1999).
- Kaiser, M., Asefaw Berhe, A. How does sonication affect the mineral and organic constituents of soil aggregates?-A review. Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 177 (4), 479-495 (2014).
