استخدام تجزئة كثافة التربة لفصل برك الكربون المتميزة في التربة

التربة هي أكبر مخزن للكربون الأرضي (C) ، حيث تحتوي على ما يزيد عن 1500 بيكوغرام من C في أعلى 1 متر وتقريبا ضعف هذه الكمية في المستويات الأعمق على مستوى العالم ، مما يعني أن التربة تحتوي على C أكثر من الكتلة الحيوية النباتية والغلاف الجوي مجتمعة¹. تحتفظ المادة العضوية في التربة (SOM) بالمياه ومغذيات التربة وهي ضرورية لإنتاجية النبات ووظيفة النظام البيئي الأرضي. على الرغم من الاعتراف العالمي بأهمية مخزونات SOM الكافية لصحة التربة والإنتاجية الزراعية ، فقد استنفدت مخزونات التربة C بشكل كبير بسبب الإدارة غير المستدامة للغابات والزراعة ، وتغير المناظر الطبيعية ، والاحترار المناخي ^2,3. أدى الاهتمام المتزايد باستعادة صحة التربة واستخدام الاحتفاظ بالتربة C كلاعب رئيسي في حلول المناخ الطبيعي إلى بذل جهود لفهم العوامل التي تتحكم في عزل التربة C واستقرارها في بيئات متنوعة ^4,5.

المادة العضوية في التربة (SOM) عبارة عن خليط معقد من المركبات المختلفة التي تمتد من المكونات النباتية الحرة المتدهورة جزئيا إلى المركبات المعدلة ميكروبيا الموجودة في مجاميع التربة (المعرفة هنا على أنها مادة تتكون من مزيج من وحدات أو عناصر منفصلة) إلى المنتجات الثانوية الميكروبية عالية المعالجة ذات الارتباطات القوية بمعادن التربة التفاعلية⁶ . في الحالات التي يكون فيها من غير العملي تحديد المجموعة الكاملة من المركبات الفردية في SOM ، غالبا ما يركز الباحثون على تحديد عدد أقل من المجمعات الوظيفية ل C الموجودة كحقائق فيزيائية والتي تختلف حسب معدلات الدوران والتركيب الكيميائي العام ودرجة الاستقرار مع المكونات المعدنية للتربة^{1 ، 7}. من أجل تفسير المجمعات ونمذجتها بشكل نقدي ، من الضروري أن تكون المجمعات المنفصلة صغيرة العدد ، وأن تكون قابلة للقياس مباشرة بدلا من أن تكون نظرية فقط ، وأن تظهر اختلافات واضحة في التكوين والتفاعل⁸.

تم استخدام العديد من التقنيات المختلفة ، الكيميائية والفيزيائية على حد سواء ، لعزل برك ذات مغزى من التربة C ، وقد تم تلخيصها جيدا بواسطة von Lützow et ^al.9 و Poeplau et ^al.10. تهدف تقنيات الاستخراج الكيميائي إلى عزل برك معينة ، مثل C المرتبطة إما ب Fe و Al¹¹ ضعيفة البلورية أو البلورية. تم استخدام المذيبات العضوية لاستخراج مركبات معينة مثل الدهون¹² ، وتم استخدام التحلل المائي أو أكسدة SOM كمقياس لتجمع قابل للذوبان يبلغ C^13,14. ومع ذلك ، لا تصنف أي من طرق الاستخراج هذه جميع مجمعات C إلى كسور قابلة للقياس أو قابلة للنمذجة. يصنف التجزئة الفيزيائية للتربة كل التربة C إلى برك بناء على الحجم ويفترض أن تحلل حطام النبات يؤدي إلى تجزئة وجزيئات أصغر بشكل متزايد. على الرغم من أن الحجم وحده لا يمكن أن يفصل حطام النبات الحر عن SOM¹⁵ المرتبط بالمعادن ، فإن تحديد هذين التجمعين أمر بالغ الأهمية لفهم استقرار التربة C بسبب الاختلافات المكانية والفيزيائية والبيوجيوكيميائية الشائعة في التكوين والدوران¹⁶.

يتم استخدام تجزئة التربة C على أساس الكثافة بشكل متزايد ، ومن السهل القيام بها وتحديد مجموعات مختلفة من C بناء على درجة الارتباط بالمعادن المختلفة¹⁷،^18،19 ؛ وبالتالي ، يمكن أن تساعد تجزئة كثافة التربة في توضيح آليات تثبيت التربة C المختلفة. الشرط الأساسي لتجزئة التربة هو القدرة على تشتيت الجسيمات العضوية والمعدنية بالكامل. بمجرد تشتيت المواد العضوية المتحللة الخالية نسبيا من المعادن تطفو في محاليل أخف من ~ 1.85 جم / سم 3 ، بينما تقع المعادن عادة في حدود 2-4.5 جم / سم 3 ، على الرغم من أن أكاسيد الحديد قد يكون لها كثافة تصل إلى 5.3 جم / سم³. يميل جزء الجسيمات الخفيفة أو الحرة إلى أن يكون وقت الدوران أقصر (ما لم يكن هناك تلوث كبير بالفحم) وقد ثبت أنه يستجيب بشكل كبير للزراعة والاضطرابات الأخرى. غالبا ما يكون للجزء الثقيل (>1.85 جم / سم³) أو الجزء المرتبط بالمعادن وقت دوران أطول بسبب مقاومة التحلل بوساطة الميكروبات المكتسبة عندما ترتبط الجزيئات العضوية بالأسطح المعدنية التفاعلية. ومع ذلك ، قد يشبع الجزء الثقيل (أي يصل إلى الحد الأعلى لسعة التعقيد المعدني) ، في حين أن الجزء الخفيف يمكن أن يتراكم نظريا إلى أجل غير مسمى تقريبا. وبالتالي ، فإن فهم التوزيع المادي للمادة العضوية في برك المواد العضوية المرتبطة بالمعادن مقابل الجسيمات العضوية يساعد على توضيح النظم الإيكولوجية التي يمكن إدارتها من أجل عزل الكربون بكفاءة وكيف ستستجيب النظم المختلفة لتغير المناخ والأنماط المتغيرة للاضطرابات البشرية^{المنشأ 20}.

في حين أن استخدام تجزئة الكثافة باستخدام محاليل polytungstate الصوديوم بكثافات مختلفة قد زاد بشكل كبير في العقد الماضي ، فإن التقنيات والبروتوكولات تختلف اختلافا كبيرا ، مما يجعل من الصعب مقارنة النتائج من الدراسات المختلفة والنظم الإيكولوجية المختلفة. على الرغم من أن كثافة 1.85 جم / سم 3 قد ثبت أنها تستعيد أكبر قدر من جزء الضوء الحر مع الحد الأدنى من تضمين المواد العضوية المرتبطة بالمعادن (MAOM) ¹⁷ ، فقد استخدمت العديد من الدراسات كثافات تتراوح بين 1.65-2.0 جم / سم³. في حين أن معظم الدراسات قد قسمت التربة إلى بركتين فقط (جزء خفيف وجزء ثقيل ، يشار إليهما فيما بعد ب LF و HF) ، فقد استخدمت دراسات أخرى كثافات متعددة لزيادة صقل الجزء الثقيل إلى برك تختلف حسب المعادن المرتبطة بها ، أو النسبة النسبية للمعادن إلى الطلاء العضوي ، أو درجة التجميع (على سبيل المثال ، سولينز وآخرون ¹⁷ ، سولينز وآخرون ¹⁸ ، هاتون وآخرون 21 ، لاجثا وآخرون ²² ، ياسمين وآخرون ²³ ، واجاي وآخرون ²⁴ ، فولك وآخرون ²⁵). وبالإضافة إلى ذلك، اقترحت إجراءات تجزئة أكثر تعقيدا تجمع بين فصل الحجم والكثافة، مما يؤدي إلى زيادة عدد المجمعات (مثل Yonekura et al.26، وVirto et ^al.27، وMoni et al.15، وPoeplau et ^al.10) ولكن أيضا مجال أكبر للخطأ، سواء في المنهجية أو فيما يتعلق بحجم التجمع. علاوة على ذلك ، استخدم المؤلفون أيضا صوتنة بكثافة وأوقات مختلفة في محاولة لتفريق الركام و MAOM من الأسطح المعدنية²⁸،^29،30.

هنا ، نصف إجراء تجزئة كثافة قوي يحدد ، أولا ، مجموعتين فريدتين من كربون التربة (LF و HF ، أو POM و MAOM) ، ونقدم كل من التقنيات والحجج لزيادة فصل تجمع HF إلى كسور إضافية تختلف بناء على علم المعادن أو درجة الطلاء العضوي أو التجميع. تبين أن الكسور المحددة هنا تختلف من حيث التركيب الكيميائي ، ووقت الدوران ، ودرجة المعالجة الميكروبية ، ودرجة استقرار المعادن^18,19.

يفصل الإجراء التالي التربة السائبة إلى مادة عضوية جسيمية (POM) ومواد عضوية مرتبطة بالمعادن (MAOM) عن طريق خلط كمية معروفة من التربة في محلول بكثافة محددة. يتم قياس فعالية الإجراء من خلال الاسترداد المشترك لكتلة التربة والكربون بالنسبة لكتلة عينة التربة الأولية ومحتوى C. يتم تحقيق محلول كثيف عن طريق إذابة polytungstate الصوديوم (SPT) في الماء منزوع الأيونات. يتم خلط التربة في البداية بمحلول SPT الكثيف وتحريكها لخلط وتفريق مجاميع التربة جيدا. ثم يتم استخدام الطرد المركزي لفصل مواد التربة التي تطفو (جزء خفيف) أو تغرق (جزء ثقيل) في المحلول. يتم تكرار خطوات الخلط والعزل والاسترداد والغسيل عدة مرات لضمان فصل الكسور الخفيفة والثقيلة ، إلى جانب إزالة SPT من المادة. أخيرا ، يتم تجفيف أجزاء التربة ووزنها وتحليلها بحثا عن محتوى C. يمكن استخدام المواد المجزأة للإجراءات والتحليلات اللاحقة.