Fractionering van de bodemdichtheid gebruiken om verschillende koolstofreservoirs in de bodem te scheiden

De bodem is de grootste opslag van terrestrische koolstof (C), met meer dan 1.500 Pg C in de bovenste 1 m en bijna het dubbele van die hoeveelheid in diepere niveaus wereldwijd, wat betekent dat de bodem meer C bevat dan plantaardige biomassa en de atmosfeer gecombineerd¹. Organische stof in de bodem (SOM) houdt water en bodemvoedingsstoffen vast en is essentieel voor de productiviteit van planten en de functie van het terrestrische ecosysteem. Ondanks de wereldwijde erkenning van het belang van voldoende SOM-bestanden voor de gezondheid van de bodem en de productiviteit van de landbouw, zijn de C-voorraden in de bodem aanzienlijk uitgeput als gevolg van niet-duurzaam bos- en landbouwbeheer, landschapsverandering en klimaatopwarming ^2,3. De toegenomen belangstelling voor het herstel van de bodemgezondheid en voor het gebruik van bodem-C-retentie als een belangrijke speler in natuurlijke klimaatoplossingen heeft geleid tot inspanningen om de factoren te begrijpen die de vastlegging en stabilisatie van bodem C in diverse omgevingen beheersen ^4,5.

Organische stof in de bodem (SOM) is een gecompliceerd mengsel van verschillende verbindingen die het bereik overspannen van vrije, gedeeltelijk afgebroken plantaardige componenten tot meer microbieel veranderde verbindingen in de bodemaggregaten (hier gedefinieerd als een materiaal gevormd door de combinatie van afzonderlijke eenheden of items) tot sterk verwerkte microbiële bijproducten met sterke associaties met reactieve bodemmineralen⁶ . In gevallen waarin het onpraktisch is om de volledige suite van individuele verbindingen in de SOM te identificeren, richten onderzoekers zich vaak op het identificeren van een kleiner aantal functionele pools van C die bestaan als fysieke realiteiten en die variëren door omloopsnelheden, algemene chemische samenstelling en de mate van stabilisatie met de minerale componenten van de bodem^{1, 7}. Om pools kritisch te kunnen interpreteren en modelleren, is het essentieel dat de gescheiden pools klein in aantal zijn, direct meetbaar zijn in plaats van alleen theoretisch, en duidelijke verschillen in samenstelling en reactiviteit vertonen⁸.

Veel verschillende technieken, zowel chemisch als fysisch, zijn gebruikt om betekenisvolle poelen van bodem C te isoleren, en deze zijn goed samengevat door von Lützow et ^al.9 en Poeplau et ^al.10. Chemische extractietechnieken zijn gericht op het isoleren van specifieke pools, zoals C geassocieerd met slecht kristallijn of kristallijn Fe en Al¹¹. Organische oplosmiddelen zijn gebruikt om specifieke verbindingen zoals lipiden¹² te extraheren, en de hydrolyse of oxidatie van SOM is gebruikt als een maat voor een labiele pool van C^13,14. Geen van deze extractiemethoden categoriseert echter alle pools van C in meetbare of modeleerbare fracties. De fysische fractionering van de bodem categoriseert alle bodem C in poelen op basis van grootte en gaat ervan uit dat de afbraak van plantenresten resulteert in fragmentatie en steeds kleinere deeltjes. Hoewel grootte alleen vrij plantenafval niet kan scheiden van mineraal-geassocieerd SOM¹⁵, is het kwantificeren van deze twee pools van cruciaal belang voor het begrip van bodem C-stabilisatie vanwege gemeenschappelijke ruimtelijke, fysische en biogeochemische verschillen in vorming en omzet¹⁶.

De fractionering van bodem C op basis van dichtheid wordt steeds vaker gebruikt, en het is gemakkelijk uit te voeren en identificeert verschillende pools van C op basis van de mate van associatie met verschillende mineralen^17,18,19; zo kan bodemdichtheidsfractionering helpen bij het ophelderen van verschillende stabilisatiemechanismen van bodem C. De primaire vereiste voor het fractioneren van grond is het vermogen om de organische en minerale deeltjes volledig te verspreiden. Eenmaal gedispergeerd, drijft afgebroken organisch materiaal dat relatief vrij is van mineralen in oplossingen die lichter zijn dan ~ 1,85 g / cm 3, terwijl mineralen meestal in het bereik van 2-4,5 g / cm 3 vallen, hoewel ijzeroxiden dichtheden tot 5,3 g / cm³ kunnen hebben. De lichte of vrije deeltjesfractie heeft de neiging om een kortere omlooptijd te hebben (tenzij er sprake is van significante verontreiniging door houtskool) en is aangetoond dat het zeer gevoelig is voor teelt en andere verstoringen. De zware (>1,85 g/cm³) of mineraal-geassocieerde fractie heeft vaak een langere omlooptijd vanwege de weerstand tegen microbieel gemedieerde ontleding die ontstaat wanneer organische moleculen binden met reactieve minerale oppervlakken. De zware fractie kan echter verzadigen (d.w.z. een bovengrens bereiken voor minerale complexatiecapaciteit), terwijl de lichte fractie theoretisch bijna onbeperkt kan accumuleren. Het begrijpen van de fysieke verdeling van organisch materiaal in pools van mineraal-geassocieerd versus fijnstof organisch materiaal helpt dus om op te helderen welke ecosystemen kunnen worden beheerd voor efficiënte koolstofvastlegging en hoe verschillende systemen zullen reageren op klimaatverandering en verschuivende patronen van antropogene verstoring²⁰.

Hoewel het gebruik van dichtheidsfractionering met behulp van oplossingen van natriumpolytungstaat bij verschillende dichtheden het afgelopen decennium sterk is toegenomen, variëren de technieken en protocollen aanzienlijk, waardoor de resultaten van verschillende studies en verschillende ecosystemen moeilijk te vergelijken zijn. Hoewel is aangetoond dat een dichtheid van 1,85 g/cm 3 de grootste hoeveelheid vrije lichtfractie terugwint met minimale opname van mineraal-geassocieerd organisch materiaal (MAOM)¹⁷, hebben veel studies dichtheden gebruikt variërend van 1,65-2,0 g/cm³. Terwijl de meeste studies bodems hebben gefractioneerd in slechts twee pools (een lichte fractie en een zware fractie, hierna LF en HF), hebben andere studies meerdere dichtheden gebruikt om de zware fractie verder te verfijnen in pools die verschillen door de mineralen waarmee ze worden geassocieerd, de relatieve verhouding van mineralen tot organische coating, of de mate van aggregatie (bijv. 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). Daarnaast zijn complexere fractioneringsprocedures voorgesteld die zowel grootte- als dichtheidsscheiding combineren, wat resulteert in een groter aantal pools (bijv. Yonekura et al.26, Virto et ^al.27, Moni et al.15, Poeplau et ^al.10) maar ook meer ruimte voor fouten, zowel in de methodologie als in relatie tot de poolgrootte. Verder hebben auteurs ook ultrasoonapparaat gebruikt met verschillende intensiteiten en tijden in een poging om aggregaten en MAOM van minerale oppervlakken te verspreiden^28,29,30.

Hier beschrijven we een robuuste dichtheidsfractioneringsprocedure die ten eerste twee unieke pools van bodemkoolstof identificeert (LF en HF, of POM en MAOM), en we bieden zowel de technieken als de argumenten om de HF-pool verder te scheiden in extra fracties die verschillen op basis van hun mineralogie, mate van organische coating of aggregatie. Van de hier geïdentificeerde fracties is aangetoond dat ze verschillen in termen van hun chemische samenstelling, omzettijd, mate van microbiële verwerking en mate van minerale stabilisatie^18,19.

De volgende procedure scheidt bulkgrond in deeltjes organisch materiaal (POM) en mineraal-geassocieerd organisch materiaal (MAOM) door een bekende hoeveelheid grond te mengen in een oplossing met een specifieke dichtheid. De doeltreffendheid van de procedure wordt gemeten aan de hand van de gecombineerde terugwinning van bodemmassa en koolstof ten opzichte van de oorspronkelijke massa van het bodemmonster en het C-gehalte. Een dichte oplossing wordt bereikt door natriumpolytungstate (SPT) op te lossen in gedeïoniseerd water. De grond wordt in eerste instantie gemengd met de dichte SPT-oplossing en geroerd om de bodemaggregaten grondig te mengen en te verspreiden. Centrifugatie wordt vervolgens gebruikt om de bodemmaterialen te scheiden die ofwel drijven (lichte fractie) of zinken (zware fractie) in de oplossing. De meng-, isolatie-, herstel- en wasstappen worden meerdere keren herhaald om de scheiding van de lichte en zware fracties te garanderen, samen met de verwijdering van SPT uit het materiaal. Ten slotte worden de bodemfracties gedroogd, gewogen en geanalyseerd op C-gehalte. Het gefractioneerde materiaal kan worden gebruikt voor latere procedures en analyses.