Summary

Vurdering af Labil organisk kulstof i jorden ved hjælp af Sekventiel Gasning Inkuberingsbetingelser Procedurer

Published: October 29, 2016
doi:

Summary

Labile organic carbon (LOC) and the potential carbon turnover rate are sensitive indicators of changes in soil nutrient cycling processes. Details are provided for a method based on fumigating and incubating soil in a series of cycles and using the CO2 accumulated during the incubation periods to estimate these parameters.

Abstract

Management praksis og miljømæssige ændringer kan ændre jordens næringsstoffer og kulstof cykling. Jord labil organisk kulstof, et let nedbrydelige C pool, er meget følsomme over for forstyrrelser. Det er også den primære substrat for jordens mikroorganismer, som er grundlæggende for næringsstofkredsløb. På grund af disse egenskaber, er labil organisk kulstof (LOC) blevet identificeret som en indikator parameter for jordbundens sundhedstilstand. Kvantificering omsætningstakten for LOC også hjælper med at forstå ændringer i jordens næringsstofkredsløb processer. En sekventiel gasning inkubation metode er udviklet til at estimere jord LOC og potentiel C omsætningshastighed. Fremgangsmåden kræver gasning jordprøver og kvantificere CO 2 -C indåndes under en 10 dages inkubationsperiode over en række gasning-inkubation cyklusser. Labil organisk C og potentielle C omsætningshastighed derefter ekstrapoleret fra akkumulerede CO 2 med en negativ eksponentiel model. Procedurer for denne metode beskrivesd.

Introduction

På grund af sin vitale roller i kulstof (C) og næringsstofkredsløb og dens følsomhed over for jordens forandring, jord LOC er en vigtig parameter for at måle som en indikator for organisk stof kvalitet. Skove og agroecosystems i høj grad afhænge af mineralisering af næringsstoffer i jorden organisk materiale som en kilde til næringsstoffer. Management aktiviteter kan ændre pool størrelse og omsætningshastighed af organisk C, hvilket resulterer i ændringer i næringsstof forsyning 1. Jord organisk C består af to primære fraktioner af genstridig C, som har omsætning satserne for flere tusinde år, og LOC, som har omsætningshastigheder fra et par uger til et par år 2,3,4. Jord labil C består af let nedbrydelige substrater såsom mikrobiel biomasse C, lav molekylvægt forbindelser (aminosyrer, simple kulhydrater) fra plante rhizodeposition, og nedbrydning biprodukter og perkolat fra Førne 1,4,5. Fordi jordbunden labil C er let nedbrydeligt, det ermeget følsomme over for ledelsespraksis og naturfænomener, som forstyrrer eller ændrer jord 6. Jord labilt C fungerer som den primære energikilde for jordens mikroorganismer i nedbrydning af organisk stof 7. Som sådan, LOC påvirkninger næringsstofkredsløbet i højere grad end stabile former for organisk C 8. Jord mikroorganismer er også ansvarlige for størstedelen af heterotrofe respiration, der opstår under nedbrydning af genstridig jordens organiske materiale lettes ved priming effekt af LOC 9,10,11. Denne respiration spiller en væsentlig rolle i de globale C cyklusser, fordi jordens indhold af organisk C er ca. det dobbelte af atmosfærisk C 11.

Som et resultat af dens betydning i terrestriske økosystemer, er flere metoder blevet udviklet til at estimere jord LOC. Disse metoder kan afgrænses i tre overordnede klassificeringer: fysiske, kemiske og biokemiske. Densitometriske separationsmetoder er fysisk methODS, der består af at adskille organisk C i tunge eller lette fraktioner eller i grove og fine partikler organisk C 12,13,14,15. Separation metoder er relativt let at udføre, men de gør ikke ofte producerer ensartede resultater, fordi disse fraktioner varierer med jordtype mineralske sammensætning, plantemateriale størrelse og tæthed, og jord samlet konsistens 13,15. Separation metoder producerer også kun kvantitative oplysninger om LOC 15.

Adskillige kemiske fremgangsmåder er tilgængelige for LOC estimation. Vandig ekstraktion af organisk kulstof er forholdsvis let at udføre, og de metoder, ofte giver let reproducerbare resultater. Men disse ekstraktioner ikke inddrage hele spektret af tilgængelige substrater for mikroorganismer 15. Der er udviklet adskillige oxidation metoder til kemisk fraktionering af jordens organiske C. Oxidationsmetoder har den fordel at karakterisere mængden og kvaliteten af ​​labile organiske C, Selv om nogle metoder kræver arbejde med farlige kemikalier, og der er variation blandt metoderne i reproducerbarhed af resultater 15. Den syrehydrolyse ekstraktionsmetode er en anden type af kemisk fraktionering procedure, der kan måle mængden og kvaliteten af LOC, men resultaterne af denne metode ikke lette fortolkningen af sine biologiske egenskaber 13,15.

Der er udviklet biokemiske metoder til fortolkning af jordens LOC. Labile organiske C kan måles som CO 2 frigivet af mikroorganismer i respiration assays. Disse analyser give skøn over sand mineralizable organisk stof, men typisk kun de mest labile forbindelser er mineraliseret under analyserne 15. Mikroorganismernes biomasse C målt ved rygning-inkubering 16 og gasning-ekstraktion 17 er blevet anvendt til at udvikle slutninger om LOC. Dog bestemme, disse procedurer skøn over C i mikrobielle biomasse i stedet for LOC. Både gasning procedurer omfatter subtraktion af værdier fra ikke-ryges jord for at bestemme mikrobiel biomasse C, men det er blevet foreslået, at værdier opnås uden subtraktion af ikke-ryges jord tilvejebringer et mål for labile organiske fraktioner af C foruden mikrobiel biomasse 18 .

Den sekventielle gasning-inkubation (SFI) procedure 13 til måling af LOC er en biokemisk metode tilpasset fra gasning-inkubation procedure 16 for jordens mikrobielle biomasse C måling. Den SFI metode har nogle fordele i forhold til andre metoder til estimering LOC. En begrebsmæssig grundlag for metoden er, at LOC er mikrobielt nedbrydeligt C, som regulerer mikrobiel vækst, og at LOC er fysisk tilgængelige og kemisk nedbrydeligt ved jordens mikroorganismer. Under praktiske forhold, er mikrobiel vækst typisk begrænset af kulstof tilgængelighed, tilgængelighed af næringsstoffer, tilgængelig porevolumen, og / eller prædation. Disse faktorer er næsten elimineret ved rygning, skabe uhindret betingelser for mikrobiel vækst. Ingen næringsstoffer fjernes under inkubationstiden for fremgangsmåden. I løbet af flere gasning og inkubation cyklusser, bliver mikrobiel vækst begrænses af C kvantitet og kvalitet (labilitet) 13. Den akkumulerede CO 2 indåndes under inkubationen cykler bruges til at ekstrapolere LOC med en simpel negativ eksponentiel model 11,13,19. Den potentielle C omsætningshastighed kan også afledes fra hældningen af den eksponentielle model, så den SFI metode har den fordel i forhold til de fleste andre LOC fremgangsmåder til samtidigt at estimere koncentrationerne og potentiale omsætningshastighed af LOC 11. For andre metoder, kun kan konstateres oplysninger om de potentielle omsætning satser for LOC, hvis der anvendes sporstoffer såsom 14 C 13. SFI metode er således en forholdsvis enkel og billig teknik til opnåelse målinger af både LOC og dens potentielle omsætningshastigheder.

Protocol

1. Saml Jord at få prøver repræsentant Betingelser i forsøgsområdet og inden Eksperimentel Units 20 Identificer eventuelle forskelle i stedet egenskaber såsom hældning og jordens egenskaber, herunder tekstur, rumvægt, pH, organisk horisont dybde, og / eller koncentrationer af næringsstoffer. Identificer eventuelle forskelle i vegetation typen inden plots. Brug kendt eller offentliggjorte estimater af variationskoefficienter for webstedet egenskaber til at estimere antallet af prøver, der …

Representative Results

SFI metode er anvendt som beskrevet i dette dokument i en serie af eksperimenter udført i det sydøstlige USA 24,25,26,27. Tilsammen udgør disse eksperimenter omfattede en række vegetationstyper, herunder loblolly (Pinus taeda L.), præriegræs (prærie-hirse L.), Cottonwood (Virginsk Poppel Bartram ex Marsh.), Og sojabønner (Glycine max L. Merr.). Metoden var følsom ved fastlæggelsen forskelle i LOC og / eller potentielle C omsætning…

Discussion

The SFI method is an effective protocol for detecting differences in soil LOC and potential C turnover rates over a range of management practices (such as fertilization, tillage, vegetation control, and harvest practices) and soil conditions. Soil LOC content and C turnover rate can be used to understand alterations of nutrient cycles. The SFI method also provides measurement of microbial biomass C from the first fumigation-incubation event. The ability to measure soil LOC, C turnover, and microbial biomass C concurrentl…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

The authors gratefully acknowledge Michelle Gonzales, Kenny Kidd, Brad Osbon, and all other personnel that conducted the laboratory procedures for these data. The authors are thankful for assistance from Andrew Scott in developing software coding to conduct model-fitting procedures. The authors also appreciate the funding from the U.S. Department of Agriculture National Institute of Food and Agriculture, Sustainable Agriculture and Research & Education, Sun Grant South Central region, and the National Council of Air and Stream Improvement that made possible the studies from which representative results provided in this paper were drawn.

Materials

Soil auger sampling kit JMC PN039 Several other manufacturers of punch augers are available
Parafilm Curwood PM999
Aluminum weighing boats Fisherbrand 08-732-103
General purpose drying oven Fisher Scientific 15-103-0511 Many other manufacturers of general purpose laboratory ovens are available
10.5 L vacuum desiccator Corning 3121-250
Glass scintillation vial Wheaton 968560
Glass threaded vials, 41 mL  Fisherbrand 03-339-21N
Chloroform, stabilized with amylenes Sigma-Aldrich 67-66-3
Boiling chips Fisher Scientific S25201
Glass rod Fisherbrand S63449
Size 10 rubber stopper Fisherbrand 14-130P Rubber stoppers can be purchased as solid and drilled in center to install glass rod or bought with a hole to insert glass rod
Wide-mouth PPCO bottle, 0.5 L ThermoScientific 3121050016
Sodium hydroxide, reagent grade Sigma-Aldrich S5881
Barium chloride Sigma-Aldrich 202738
Phenolphthalein indicator Fisher Scientific S25466
Hydrochloric acid solution, 0.1 N Fisher Scientific SA54-4

Referências

  1. Blair, G., et al. Soil carbon fractions based on their degree of oxidation, and the development of a carbon management index for agricultural systems. Aust. J. Agric. Res. 46, 1459-1466 (1995).
  2. Schimel, D. S., et al. Soil organic matter dynamics in paired rangeland and cropland toposequences in North Dakota. Geoderma. 36, 201-214 (1985).
  3. Parton, W. J., et al. Analysis of factors controlling soil organic matter levels in great-plains grasslands. Soil Sci. Soc. Am. J. 51, 1173-1179 (1987).
  4. Wu, H., et al. Labile organic C and N mineralization of soil aggregate size classes in semiarid grasslands as affected by grazing management. Biol. Fertil. Soils. 48, 305-313 (2011).
  5. Jones, D. L., et al. Plant and mycorrhizal regulation of rhizodeposition. New Phytol. 163, 459-480 (2004).
  6. Harrison, K. G., et al. The effect of changing land use of soil radiocarbon. Science. 262, 725-726 (1993).
  7. Jinbo, Z., et al. Land use effects on the distribution of labile organic carbon fractions through soil profiles. Soil Sci Soc. Am. J. 70, 660-667 (2006).
  8. Whalen, J. K., et al. Carbon and nitrogen mineralization from light- and heavy-fraction additions to soil. Soil Biol Biochem. 32, 1345-1352 (2000).
  9. Gregorich, E. G., et al. Towards a minimum data set to assess soil organic matter quality in agricultural soils. Can. J. Soil Sci. 74, 367-385 (1994).
  10. Hamer, U., et al. Priming effects in different soil types induced by fructose, alanine, oxalic acid and catechol additions. Soil Biol. Biochem. 37, 445-454 (2005).
  11. Feng, W., et al. Shifting sources of soil labile organic carbon after termination of plant carbon inputs in a subtropical moist forest of southwest China. Ecol. Res. 26, 437-444 (2011).
  12. Tisdall, J. M., Carter, M. R., Stewart, B. A. Formation of soil aggregates and accumulation of soil organic matter. Structure and Organic Matter Storage in Agricultural Soils. , 57-96 (1996).
  13. Zou, X. M., et al. Estimating soil labile organic carbon and potential turnover rates using a sequential fumigation-incubation procedure. Soil Biol. Biochem. 37, 1923-1928 (2005).
  14. Cambardella, C. A., Elliott, E. T. Particulate soil organic matter changes across a grassland cultivation sequence. Soil Sci. Soc. Am. J. 56, 777-783 (1992).
  15. Strosser, E. Methods for determination of labile soil organic matter: an overview. J. Agrobiol. 27, 49-60 (2010).
  16. Jenkinson, D. A., Powlson, D. S. The effects of biocidal treatment on metabolism in soil V: a method for measuring soil biomass. Soil Biol. Biochem. 8, 209-213 (1976).
  17. Vance, E. D., et al. An extraction method for measuring soil microbial biomass C. Soil Biol. Biochem. 19, 703-707 (1987).
  18. De-Polli, H., et al. Chloroform fumigation-extraction labile C pool (microbial biomass C "plus") shows high correlation to microbial biomass C in Argentinian and Brazilian soils. Cienc. Suelo. 25, 15-22 (2007).
  19. Olson, J. S. Energy storage and the balance of producers and decomposers in ecological systems. Ecology. 44, 322-331 (1963).
  20. Pennock, D., Carter, M. R., Gregorich, E. G., et al. Chapter 1, Unit 1, Soil sampling designs. Soil Sampling and Methods of Analysis. , (2008).
  21. Luizao, R. C. C., et al. Seasonal variation of soil microbial biomass: the effects of clearfelling a tropical rainforest and establishment of pasture in the central Amazon. Soil Biol. Biochem. 24, 805-813 (1992).
  22. Horwath, W. R., Paul, E. A., Weaver, R. W., et al. Microbial biomass. Methods of soil analysis part 2: microbiological and biochemical properties. , 753-773 (1994).
  23. Jenkinson, D. S., Ladd, J. N., Paul, E. A., Ladd, J. N. Microbial biomass in soil: measurement and turnover. Soil Biochemistry. , 415-471 (1981).
  24. Blazier, M. A., Gungor, E. B. O., et al. Poultry litter fertilization impacts on soil, plant, and water characteristics in loblolly pine (Pinus taeda L.) plantations and silvopastures in the mid-South USA. Principles, application, and assessment in soil science. , 43-74 (2011).
  25. Blazier, M. A., et al. Straw harvesting, fertilization, and fertilizer type alter soil biophysical properties in a loblolly pine plantation in the mid-South USA. Biol. Fertil. Soils. 45, 145-153 (2008).
  26. Blazier, M. A., et al. Loblolly pine age and density affects switchgrass growth and soil carbon in an agroforestry system. For. Sci. 58, 485-496 (2012).
  27. Blazier, M. A., et al. Nitrogen and carbon of switchgrass, loblolly pine, and cottonwood biofuel production systems in the Southeast United States. For. Sci. 61, 522-534 (2015).
  28. Zhang, M., et al. Decomposition differences of labile carbon from litter to soil in a tropical rain forest and rubber plantation of Xishuagbanna, southwest China. Eur. J. Soil Biol. 55, 55-61 (2013).
  29. Nelson, D. W., Sommers, L. E., Sparks, D., et al. Total carbon, organic carbon, and organic matter. Methods of soil analysis. Part 3: chemical methods. , 961-1090 (1996).
  30. Huang, L., et al. Correlation among soil microorganisms, soil enzyme activities, and removal rates of pollutants in three constructed wetlands purifying micro-polluted river water. Soil Biol. Biochem. 70, 221-228 (2012).
  31. Kong, L., et al. Enzyme and root activities in surface-flow constructed wetlands. Chemosphere. 76, 601-608 (2009).
  32. Cui, L., et al. Evaluation of nutrient removal efficiency and microbial enzyme activity in a baffled subsurface-flow constructed wetland system. Bioresour. Technol. 146, 656-662 (2013).
  33. Jenkinson, D. S., Wilson, J. R. Determination of microbial biomass carbon and nitrogen in soil. Advances in nitrogen cycling in agricultural ecosystems. , 368-386 (1988).
  34. Sparling, G. P., et al. Interference from plant roots in the estimation of soil microbial ATP, C, N, and P. Soil Biol. Biochem. 17, 275-278 (1985).
  35. Christie, P., Beatte, J. A. M. Significance of sample size in measurement of soil microbial biomass by the chloroform fumigation-incubation method. Soil Biol. Biochem. 19, 149-152 (1987).
  36. McLaughlin, K. K., Hobbie, S. E. Comparison of labile soil organic matter fractionation techniques. Soil Sci. Soc. Am. J. 68, 1616-1625 (2004).
  37. Xia, X., et al. Variation of soil labile organic carbon pools along an elevational gradient in the Wuyi Mountains, China. J. Resour. Ecol. 1, 368-374 (2010).
check_url/pt/54614?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
Blazier, M. A., Liechty, H. O. Assessment of Labile Organic Carbon in Soil Using Sequential Fumigation Incubation Procedures. J. Vis. Exp. (116), e54614, doi:10.3791/54614 (2016).

View Video