Summary

ניצול שבירת צפיפות הקרקע להפרדת בריכות פחמן נפרדות בקרקע

Published: December 16, 2022
doi:

Summary

שבירת צפיפות הקרקע מפרידה את החומר האורגני של הקרקע לבריכות נפרדות בעלות מנגנוני ייצוב, כימיה וזמני תחלופה שונים. פתרונות פוליטונגסטייט נתרן עם צפיפויות ספציפיות מאפשרים הפרדה של חומר אורגני חלקיקי חופשי וחומר אורגני הקשור למינרלים, וכתוצאה מכך שברי חומר אורגני המתאימים לתיאור תגובת הקרקע לניהול ושינויי אקלים.

Abstract

חומר אורגני בקרקע (SOM) הוא תערובת מורכבת של תרכובות שונות המשתרעות על פני הטווח שבין רכיבים צמחיים חופשיים ומפורקים חלקית, דרך תרכובות שעברו שינוי מיקרוביאלי המוחזק בצברי הקרקע ועד תוצרי לוואי מיקרוביאליים מעובדים מאוד עם קשרים חזקים עם מינרלים תגובתיים בקרקע. מדעני קרקע נאבקו למצוא דרכים להפריד את הקרקע לשברים הניתנים למדידה בקלות ושימושיים למידול פחמן בקרקע (C). הפרדת קרקע על בסיס צפיפות נמצאת בשימוש הולך וגובר, והיא קלה לביצוע ומניבה בריכות C על פי מידת הקשר בין ה- SOM למינרלים שונים; לפיכך, שבירת צפיפות הקרקע יכולה לסייע באפיון ה- SOM ובזיהוי מנגנוני ייצוב SOM. עם זאת, פרוטוקולי שבירת צפיפות הקרקע המדווחים משתנים באופן משמעותי, מה שהופך את התוצאות ממחקרים ומערכות אקולוגיות שונות לקשות להשוואה. כאן, אנו מתארים הליך שבר צפיפות חזק המפריד חלקיקים וחומר אורגני הקשור למינרלים ומסבירים את היתרונות והחסרונות של הפרדת הקרקע לשניים, שלושה או יותר שברי צפיפות. שברים כאלה נבדלים לעתים קרובות בהרכב הכימי והמינרלי שלהם, בזמן התחלופה ובמידת העיבוד המיקרוביאלי, כמו גם במידת הייצוב המינרלי.

Introduction

הקרקע היא המאגר הגדול ביותר של פחמן יבשתי (C), המכיל למעלה מ -1,500 Pg של C ב -1 מ ‘העליון וכמעט כפול כמות זו ברמות עמוקות יותר בעולם, כלומר הקרקע מכילה יותר C מאשר ביומסה צמחית והאטמוספרה יחד1. חומר אורגני בקרקע (SOM) שומר על חומרי הזנה של מים וקרקע והוא חיוני לפריון הצמח ולתפקוד המערכת האקולוגית היבשתית. למרות ההכרה העולמית בחשיבותם של מלאי SOM הולם לבריאות הקרקע ולפרודוקטיביות החקלאית, מלאי קרקע C הידלדל באופן משמעותי עקב ניהול יערות וחקלאות שאינו בר קיימא, שינויי נוף והתחממות אקלים 2,3. העניין הגובר בשיקום בריאות הקרקע ובשימוש בשימור קרקע C כשחקן מפתח בפתרונות אקלים טבעיים הוביל למאמצים להבין את הגורמים השולטים בתפיסת וייצוב קרקע C בסביבות מגוונות 4,5.

חומר אורגני בקרקע (SOM) הוא תערובת מורכבת של תרכובות שונות המשתרעות על פני הטווח שבין רכיבים צמחיים חופשיים ומפורקים חלקית, דרך תרכובות שהשתנו מיקרוביאלית יותר המוחזקות בצברי הקרקע (המוגדרים כאן כחומר שנוצר על ידי שילוב של יחידות או פריטים נפרדים) ועד תוצרי לוואי מיקרוביאליים מעובדים מאוד עם קשרים חזקים עם מינרלים תגובתייםבקרקע 6 . במקרים בהם אין זה מעשי לזהות את החבילה המלאה של תרכובות בודדות ב- SOM, החוקרים מתמקדים לעתים קרובות בזיהוי מספר קטן יותר של מאגרים פונקציונליים של C הקיימים כמציאות פיזיקלית ומשתנים לפי שיעורי מחזור, הרכב כימי כללי ומידת הייצוב עם המרכיבים המינרליים של הקרקע1, 7. על מנת שניתן יהיה לפרש ולעצב את הבריכות באופן ביקורתי, חיוני שהבריכות המופרדות יהיו קטנות במספרן, יהיו מדידות באופן ישיר ולא רק תיאורטיות, ויציגו הבדלים ברורים בהרכב ובתגובתיות8.

טכניקות רבות ושונות, כימיות ופיזיקליות, שימשו לבידוד בריכות משמעותיות של קרקע C, ואלה מסוכמות היטב על ידי פון Lützow et al.9 ו Poeplau et al.10. טכניקות מיצוי כימיות שואפות לבודד בריכות ספציפיות, כגון C הקשורות ל-Fe גבישי או גבישי גרוע ול-Al11. ממסים אורגניים שימשו למיצוי תרכובות ספציפיות כגון שומנים12, וההידרוליזה או החמצון של SOM שימשו כמדד לבריכה של C13,14. עם זאת, אף אחת משיטות החילוץ הללו אינה מסווגת את כל המאגרים של C לשברים מדידים או ניתנים למידול. השבר הפיזי של הקרקע מסווג את כל קרקע C לבריכות על פי גודלה ומניח שהפירוק של פסולת צמחים גורם לקיטוע ולחלקיקים קטנים יותר ויותר. אף על פי שהגודל לבדו אינו יכול להפריד פסולת צמחית חופשית מפסולת SOM15 הקשורה למינרלים, כימות שני המאגרים הללו הוא קריטי להבנת ייצוב הקרקע C עקב הבדלים מרחביים, פיזיקליים וביו-גיאוכימיים נפוצים בהיווצרות ובמחזור16.

השבר של קרקע C על בסיס צפיפות נמצא בשימוש הולך וגובר, והוא קל לביצוע ומזהה מאגרים שונים של C בהתבסס על מידת הקשר עם מינרלים שונים17,18,19; לפיכך, שבירת צפיפות הקרקע יכולה לעזור להבהיר מנגנוני ייצוב קרקע C שונים. הדרישה העיקרית להפרדת הקרקע היא היכולת לפזר באופן מלא את החלקיקים האורגניים והמינרליים. לאחר פיזורו, חומר אורגני מפורק שאינו מכיל מינרלים צף בתמיסות קלות יותר מ~1.85 גרם לסמ”ק 3, בעוד שמינרלים בדרך כלל נופלים בטווח של 2-4.5 גרם לס”מ 3, אם כי תחמוצות ברזל עשויות להיות צפופות של עד 5.3 גרם לסמ”ק3. למקטע החלקיקים הקלים או החופשיים יש זמן תחלופה קצר יותר (אלא אם כן יש זיהום משמעותי על ידי פחם) והוכח כבעל תגובה גבוהה לגידול ולהפרעות אחרות. לחלק הכבד (>1.85 גרםלסמ”ק 3) או הקשור למינרלים יש לעתים קרובות זמן תחלופה ארוך יותר בשל העמידות לפירוק בתיווך מיקרוביאלי המושג כאשר מולקולות אורגניות נקשרות למשטחים מינרליים תגובתיים. עם זאת, החלק הכבד עשוי להרוות (כלומר, להגיע לגבול העליון של קיבולת מורכבות מינרלים), בעוד שהחלק הקל יכול תיאורטית להצטבר כמעט ללא הגבלת זמן. לפיכך, הבנת ההתפלגות הפיזית של חומר אורגני במאגרים של חומר אורגני הקשור למינרלים לעומת חלקיקים מסייעת להבהיר אילו מערכות אקולוגיות ניתן לנהל לקיבוע פחמן יעיל וכיצד מערכות שונות יגיבו לשינויי אקלים ולדפוסים משתנים של הפרעה אנתרופוגנית20.

בעוד שהשימוש בשבר צפיפות באמצעות תמיסות של פוליטונגסטייט נתרן בצפיפויות שונות גדל מאוד בעשור האחרון, הטכניקות והפרוטוקולים משתנים באופן משמעותי, מה שהופך את התוצאות ממחקרים שונים ומערכות אקולוגיות שונות לקשות להשוואה. למרות שצפיפות של 1.85 גרם לסמ”ק 3 הוכחה כמשחזרת את הכמות הגדולה ביותר של חלק אור חופשי עם הכללה מינימלית של חומר אורגני הקשור למינרלים (MAOM)17, מחקרים רבים השתמשו בצפיפויות שנעות בין 1.65-2.0 גרם לס”מ3. בעוד שרוב המחקרים חילקו קרקעות לשתי בריכות בלבד (חלק קל ושבר כבד, להלן LF ו-HF), מחקרים אחרים השתמשו בצפיפויות מרובות כדי לזקק עוד יותר את החלק הכבד לבריכות הנבדלות זו מזו במינרלים שהם קשורים אליהם, ביחס היחסי בין מינרלים לציפוי אורגני, או במידת הצבירה (למשל, 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). בנוסף, הוצעו הליכי שבירה מורכבים יותר המשלבים הפרדת גודל וצפיפות כאחד, וכתוצאה מכך מספר גדול יותר של בריכות (למשל, Yonekura et al.26, Virto et al.27, Moni et al.15, Poeplau et al.10) אך גם יותר מקום לטעויות, הן במתודולוגיה והן ביחס לגודל הבריכה. יתר על כן, המחברים השתמשו גם בסוניקציה בעוצמות ובזמנים שונים במאמץ לפזר אגרגטים ו- MAOM ממשטחים מינרליים28,29,30.

כאן, אנו מתארים הליך שבר צפיפות חזקה המזהה, ראשית, שני מאגרים ייחודיים של פחמן קרקע (LF ו- HF, או POM ו- MAOM), ואנו מציעים הן את הטכניקות והן את הטיעונים כדי להפריד עוד יותר את מאגר HF לשברים נוספים הנבדלים זה מזה בהתבסס על המינרלוגיה שלהם, מידת הציפוי האורגני או הצבירה שלהם. השברים שזוהו כאן הוכחו כשונים מבחינת הרכבם הכימי, זמן התחלופה שלהם, מידת העיבוד המיקרוביאלי ומידת ייצוב המינרלים18,19.

ההליך הבא מפריד קרקע בתפזורת לחומר אורגני חלקיקי (POM) ולחומר אורגני הקשור למינרלים (MAOM) על ידי ערבוב כמות ידועה של קרקע בתמיסה בעלת צפיפות מסוימת. יעילות ההליך נמדדת על ידי התאוששות משולבת של מסת קרקע ופחמן ביחס למסת דגימת הקרקע הראשונית ותכולת C. תמיסה צפופה מושגת על ידי המסת נתרן polytungstate (SPT) במים deionized. הקרקע מעורבבת בתחילה עם תמיסת SPT צפופה ונסערת כדי לערבב ולפזר היטב את אגרגטי הקרקע. לאחר מכן משתמשים בצנטריפוגה כדי להפריד את חומרי הקרקע שצפים (חלק קל) או שוקעים (שבר כבד) בתמיסה. שלבי הערבוב, הבידוד, ההתאוששות והשטיפה חוזרים על עצמם מספר פעמים כדי להבטיח את הפרדת השברים הקלים והכבדים, יחד עם הסרת SPT מהחומר. לבסוף, שברי הקרקע מיובשים, נשקלים ומנותחים עבור תוכן C. החומר המופרד עשוי לשמש להליכים ולניתוחים הבאים.

Protocol

1. ביצוע פתרונות מלאי של polytungstate נתרן (SPT) אזהרה: SPT הוא חומר מגרה ומזיק בבליעה או בשאיפה. הוא רעיל לאורגניזמים ימיים; הימנעו משחרורו לסביבה. כדי לייצר 1 ליטר של תמיסת SPT בצפיפות של 1.85 גרם/ס”מ3, יש להמיס 1,051 גרם של SPT גבישי בכ-600 מ”ל של מים מזוקקים דה-יוניים (DDI). ערב…

Representative Results

שבירת צפיפות הקרקע מתאימה באופן אידיאלי לחקר ההבדל בין קרקעות בתכולת החומר האורגני הקשור לחלקיקים ולמינרלים. הפרדת ה-SOC לשתי בריכות נפרדות אלה מספקת דרך להבהיר את השינויים בתכולת הקרקע C ובדינמיקת הייצוב שאחרת עשויים להיות לא ברורים כאשר מתבוננים במגמות בתכולת קרקע C בתפזורת. ההפרדה הנוס?…

Discussion

לאורך פרוטוקול שבירת צפיפות הקרקע, ישנם מספר נהלים ספציפיים שיש לעקוב אחריהם מקרוב כדי לסייע בהפחתת טעויות בהפרדה ובניתוח של שברי הקרקע. שלב קריטי בהליך שבירת צפיפות הקרקע הוא לוודא שוב ושוב את צפיפות תמיסת SPT. לחות בדגימת הקרקע לעיתים קרובות תדלל את תמיסת ה-SPT, ובכך תוריד את צפיפות ה-SPT. לכן…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

עבור עבודה זו, התמיכה ניתנה על ידי מענקי הקרן הלאומית למדע DEB-1257032 לק.ל. ו- DEB-1440409 לתוכנית המחקר האקולוגי לטווח ארוך של 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

Referências

  1. 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).
  2. Crowther, T. W., et al. Quantifying global soil carbon losses in response to warming. Nature. 540 (7631), 104-108 (2016).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Fargione, J. E., et al. Natural climate solutions for the United States. Science Advances. 4 (11), (2018).
  6. 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).
  7. Schmidt, M. W. I., et al. Persistence of soil organic matter as an ecosystem property. Nature. 478 (7367), 49-56 (2011).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Eusterhues, K., Rumpel, C., Kögel-Knabner, I. Stabilization of soil organic matter isolated via oxidative degradation. Organic Geochemistry. 36 (11), 1567-1575 (2005).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. 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).
  34. 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).
  35. 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).
  36. Amelung, W., Zech, W. Minimisation of organic matter disruption during particle-size fractionation of grassland epipedons. Geoderma. 92 (1-2), 73-85 (1999).
  37. 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).

Play Video

Citar este artigo
Pierson, D., Lajtha, K., Peter-Contesse, H., Mayedo, A. Utilizing Soil Density Fractionation to Separate Distinct Soil Carbon Pools. J. Vis. Exp. (190), e64759, doi:10.3791/64759 (2022).

View Video