Farklı Toprak Karbon Havuzlarını Ayırmak için Toprak Yoğunluğu Fraksiyonasyonunun Kullanılması
Summary
Toprak yoğunluğu fraksiyonasyonu, toprak organik maddesini farklı stabilizasyon mekanizmalarına, kimyasallara ve devir sürelerine sahip ayrı havuzlara ayırır. Belirli yoğunluklara sahip sodyum politungstat çözeltileri, serbest partikül organik maddenin ve mineralle ilişkili organik maddenin ayrılmasına izin vererek, toprağın yönetime ve iklim değişikliğine tepkisini tanımlamak için uygun organik madde fraksiyonları ile sonuçlanır.
Abstract
Toprak organik maddesi (SOM), serbest, kısmen bozulmuş bitki bileşenlerinden, toprak agregalarında tutulan daha mikrobiyal olarak değiştirilmiş bileşiklere, reaktif toprak mineralleri ile güçlü ilişkilere sahip yüksek oranda işlenmiş mikrobiyal yan ürünlere kadar uzanan farklı bileşiklerin karmaşık bir karışımıdır. Toprak bilimcileri, toprağı kolayca ölçülebilen ve toprak karbon (C) modellemesi için yararlı olan fraksiyonlara ayırmanın yollarını bulmakta zorlandılar. Yoğunluğa dayalı fraksiyonlama toprağı giderek daha fazla kullanılmaktadır ve SOM ile farklı mineraller arasındaki ilişki derecesine bağlı olarak C havuzlarının gerçekleştirilmesi ve verim verilmesi kolaydır; Bu nedenle, toprak yoğunluğu fraksiyonasyonu SOM’u karakterize etmeye ve SOM stabilizasyon mekanizmalarını tanımlamaya yardımcı olabilir. Bununla birlikte, bildirilen toprak yoğunluğu fraksiyonasyon protokolleri önemli ölçüde değişmekte ve farklı çalışmalardan ve ekosistemlerden elde edilen sonuçların karşılaştırılmasını zorlaştırmaktadır. Burada, partikül ve mineral ile ilişkili organik maddeyi ayıran sağlam bir yoğunluk fraksiyonasyon prosedürünü açıklıyoruz ve toprağı iki, üç veya daha fazla yoğunluk fraksiyonuna ayırmanın yararlarını ve dezavantajlarını açıklıyoruz. Bu tür fraksiyonlar genellikle kimyasal ve mineral bileşimlerinde, devir sürelerinde ve mikrobiyal işlem derecelerinde ve ayrıca mineral stabilizasyon derecelerinde farklılık gösterir.
Introduction
Toprak, en büyük karasal karbon (C) deposudur, en üstteki 1 m’de 1.500 Pg’den fazla C içerir ve bu miktarı küresel olarak daha derin seviyelerde neredeyse iki katına çıkarır, bu nedenle toprağın bitki biyokütlesinden daha fazla C içerdiği anlamına gelir ve atmosferbirleştirilir 1. Toprak organik maddesi (SOM) su ve toprak besin maddelerini korur ve bitki verimliliği ve karasal ekosistemin işlevi için gereklidir. Toprak sağlığı ve tarımsal verimlilik için yeterli SOM stoklarının öneminin küresel olarak kabul edilmesine rağmen, sürdürülemez orman ve tarımsal yönetim, peyzaj değişikliği ve iklim ısınması nedeniyle toprak C stokları önemli ölçüde tükenmiştir 2,3. Toprak sağlığının geri kazanılmasına ve toprak C tutulmasının doğal iklim çözümlerinde kilit bir oyuncu olarak kullanılmasına olan ilginin artması, çeşitli ortamlarda toprak C tutulmasını ve stabilizasyonunu kontrol eden faktörleri anlama çabalarına yol açmıştır 4,5.
Toprak organik maddesi (SOM), serbest, kısmen bozulmuş bitki bileşenlerinden, toprak agregalarında tutulan daha mikrobiyal olarak değiştirilmiş bileşiklere (burada ayrı birimlerin veya öğelerin kombinasyonu ile oluşturulan bir malzeme olarak tanımlanmıştır) reaktif toprak mineralleri ile güçlü ilişkilere sahip yüksek oranda işlenmiş mikrobiyal yan ürünlere kadar uzanan farklı bileşiklerin karmaşık bir karışımıdır6 . SOM’daki bireysel bileşiklerin tam paketini tanımlamanın pratik olmadığı durumlarda, araştırmacılar genellikle fiziksel gerçeklikler olarak var olan ve ciro oranlarına, genel kimyasal bileşime ve toprağın mineral bileşenleri ile stabilizasyon derecesine göre değişen daha az sayıda fonksiyonel C havuzunu tanımlamaya odaklanırlar1, 7. Havuzların eleştirel olarak yorumlanabilmesi ve modellenebilmesi için, ayrılan havuzların sayıca az olması, sadece teorik olmaktan ziyade doğrudan ölçülebilir olması, kompozisyon ve reaktivitede açık farklılıklar sergilemesi esastır8.
C toprağının anlamlı havuzlarını izole etmek için hem kimyasal hem de fiziksel birçok farklı teknik kullanılmıştır ve bunlar von Lützow ve ark.9 ve Poeplau ve ark.10 tarafından iyi özetlenmiştir. Kimyasal ekstraksiyon teknikleri, zayıf kristalin veya kristalin Fe ve Al11 ile ilişkili C gibi spesifik havuzları izole etmeyi amaçlamaktadır. Organik çözücüler, lipitler12 gibi spesifik bileşikleri çıkarmak için kullanılmıştır ve SOM’un hidrolizi veya oksidasyonu, C13,14’lük kararsız bir havuzun bir ölçüsü olarak kullanılmıştır. Bununla birlikte, bu ekstraksiyon yöntemlerinden hiçbiri, tüm C havuzlarını ölçülebilir veya modellenebilir fraksiyonlara ayırmaz. Toprağın fiziksel fraksiyonasyonu, tüm toprak C’yi büyüklüğüne göre havuzlara ayırır ve bitki kalıntılarının ayrışmasının parçalanmaya ve giderek daha küçük parçacıklara neden olduğunu varsayar. Tek başına büyüklük, serbest bitki kalıntılarını mineralle ilişkili SOM15’ten ayıramasa da, bu iki havuzun ölçülmesi, oluşum ve devir16’daki ortak mekansal, fiziksel ve biyojeokimyasal farklılıklar nedeniyle toprak C stabilizasyonunun anlaşılması için kritik öneme sahiptir.
C toprağının yoğunluğa dayalı fraksiyonasyonu giderek daha fazla kullanılmaktadır ve farklı minerallerle ilişki derecesine bağlı olarak farklı C havuzlarını gerçekleştirmek ve tanımlamak kolaydır17,18,19; Bu nedenle, toprak yoğunluğu fraksiyonasyonu, farklı toprak C stabilizasyon mekanizmalarının aydınlatılmasına yardımcı olabilir. Toprağın parçalanması için birincil gereklilik, organik ve mineral parçacıkları tamamen dağıtma yeteneğidir. Bir kez dağıldıktan sonra, nispeten mineral içermeyen bozulmuş organik madde, ~ 1.85 g / cm3’ten daha hafif çözeltilerde yüzerken, mineraller tipik olarak 2-4.5 g / cm3 aralığında düşer, ancak demir oksitler 5.3 g /cm3’e kadar yoğunluklara sahip olabilir. Hafif veya serbest partikül fraksiyonu, devir teslim süresinin daha kısa olma eğilimindedir (odun kömürü ile önemli bir kirlenme olmadığı sürece) ve ekime ve diğer rahatsızlıklara karşı oldukça duyarlı olduğu gösterilmiştir. Ağır (>1.85 g /cm3) veya mineralle ilişkili fraksiyon, organik moleküller reaktif mineral yüzeylere bağlandığında kazanılan mikrobiyal aracılı ayrışmaya karşı direnç nedeniyle genellikle daha uzun bir devir süresine sahiptir. Bununla birlikte, ağır fraksiyon doygunluğa ulaşabilir (yani, mineral kompleksasyon kapasitesi için bir üst sınıra ulaşabilir), hafif fraksiyon ise teorik olarak neredeyse süresiz olarak birikebilir. Bu nedenle, organik maddenin mineralle ilişkili havuzlardaki partikül organik madde havuzlarındaki fiziksel dağılımını anlamak, verimli karbon tutumu için hangi ekosistemlerin yönetilebileceğini ve farklı sistemlerin iklim değişikliğine ve antropojenik rahatsızlık20’nin değişen modellerine nasıl tepki vereceğini aydınlatmaya yardımcı olur.
Farklı yoğunluklarda sodyum politungstat çözeltileri kullanılarak yoğunluk fraksiyonasyonunun kullanımı son on yılda büyük ölçüde artmış olsa da, teknikler ve protokoller önemli ölçüde değişmekte ve farklı çalışmalardan ve farklı ekosistemlerden elde edilen sonuçların karşılaştırılmasını zorlaştırmaktadır. Her ne kadar 1.85 g / cm3’lük bir yoğunluğun, mineralle ilişkili organik maddenin (MAOM) minimum düzeyde dahil edilmesiyle en fazla miktarda serbest ışık fraksiyonunu geri kazandığı gösterilmiş olsa da17, birçok çalışmada 1.65-2.0 g /cm3 arasında değişen yoğunluklar kullanılmıştır. Çoğu çalışma toprakları sadece iki havuza (hafif bir fraksiyon ve ağır bir fraksiyon, bundan sonra LF ve HF olarak anılacaktır) bölmüş olsa da, diğer çalışmalar ağır fraksiyonu ilişkili oldukları minerallere, minerallerin organik kaplamaya göreceli oranına veya toplanma derecesine göre farklılık gösteren havuzlara daha da rafine etmek için çoklu yoğunluklar kullanmıştır (örneğin, Sollins ve ark.17, Sollins ve ark.18, Hatton ve ark.21, Lajtha ve ark.22, Yeasmin ve ark.23, Wagai ve ark.24, Volk ve ark.25). Ek olarak, hem boyut hem de yoğunluk ayrımını birleştiren daha karmaşık fraksiyonasyon prosedürleri önerilmiştir, bu da daha fazla sayıda havuzla (örneğin, Yonekura ve ark.26, Virto ve ark.27, Moni ve ark.15, Poeplau ve ark.10) ve aynı zamanda hem metodolojide hem de havuz büyüklüğü ile ilgili olarak hataya daha fazla yer açmıştır. Ayrıca, yazarlar ayrıca agregaları ve MAOM’u mineral yüzeylerden28,29,30 dağıtmak için çeşitli yoğunluklarda ve zamanlarda sonikasyon kullanmışlardır.
Burada, ilk olarak, iki benzersiz toprak karbon havuzunu (LF ve HF veya POM ve MAOM) tanımlayan sağlam bir yoğunluk fraksiyonasyon prosedürünü açıklıyoruz ve HF havuzunu mineralojilerine, organik kaplama derecelerine veya agregasyonlarına göre farklılık gösteren ek fraksiyonlara daha da ayırmak için hem teknikleri hem de argümanları sunuyoruz. Burada tanımlanan fraksiyonların kimyasal bileşimleri, devir süreleri, mikrobiyal işlem dereceleri ve mineral stabilizasyon dereceleri bakımından farklılık gösterdiği gösterilmiştir18,19.
Aşağıdaki prosedür, belirli bir yoğunluğa sahip bir çözelti içinde bilinen miktarda toprağı karıştırarak dökme toprağı partikül organik maddeye (POM) ve mineralle ilişkili organik maddeye (MAOM) ayırır. Prosedürün etkinliği, ilk toprak numunesi kütlesine ve C içeriğine göre toprak kütlesi ve karbonun kombine geri kazanımı ile ölçülür. Sodyum politungstatın (SPT) deiyonize suda çözülmesiyle yoğun bir çözelti elde edilir. Toprak başlangıçta yoğun SPT çözeltisi ile karıştırılır ve toprak agregalarını iyice karıştırmak ve dağıtmak için çalkalanır. Santrifüjleme daha sonra çözelti içinde yüzen (hafif fraksiyon) veya batan (ağır fraksiyon) toprak malzemelerini ayırmak için kullanılır. Karıştırma, izolasyon, geri kazanım ve yıkama adımları, hafif ve ağır fraksiyonların ayrılmasını ve SPT’nin malzemeden uzaklaştırılmasını sağlamak için birçok kez tekrarlanır. Son olarak, toprak fraksiyonları C içeriği için kurutulur, tartılır ve analiz edilir. Fraksiyone edilmiş malzeme sonraki prosedürler ve analizler için kullanılabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Toprak yoğunluğu fraksiyonasyon protokolü boyunca, toprak fraksiyonlarının ayrılması ve analizindeki hatayı azaltmaya yardımcı olmak için yakından izlenmesi gereken birkaç özel prosedür vardır. Toprak yoğunluğu fraksiyonasyon prosedüründe kritik bir adım, SPT çözeltisinin yoğunluğunu tekrar tekrar doğrulamaktır. Toprak numunesindeki nem genellikle SPT çözeltisini seyreltir, böylece SPT’nin yoğunluğunu azaltır. Bu nedenle, araştırmacı her zaman santrifüjlemeyi takiben hafif ve ağır ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma için, Ulusal Bilim Vakfı tarafından KL’ye DEB-1257032 ve HJ Andrews Uzun Vadeli Ekolojik Araştırma programına DEB-1440409 hibeleri sağlanmıştır.
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).
