Utilizando o Fracionamento da Densidade do Solo para Separar Pools de Carbono do Solo Distintos

O solo é o maior estoque de carbono terrestre (C), contendo mais de 1.500 Pg de C no 1 m superior e quase o dobro dessa quantidade em níveis mais profundos globalmente, o que significa que o solo contém mais C do que a biomassa vegetal e a atmosfera combinadas¹. A matéria orgânica do solo (MOS) retém água e nutrientes do solo e é essencial para a produtividade das plantas e para a função do ecossistema terrestre. Apesar do reconhecimento global da importância de estoques adequados de MOS para a saúde do solo e a produtividade agrícola, os estoques de C no solo têm sido substancialmente esgotados devido ao manejo florestal e agrícola insustentável, às mudanças na paisagem e ao aquecimento climático ^2,3. O aumento do interesse em restaurar a saúde do solo e em usar a retenção de C do solo como um ator chave em soluções climáticas naturais tem levado a esforços para entender os fatores que controlam o sequestro e a estabilização do C no solo em diversos ambientes ^4,5.

A matéria orgânica do solo (MOS) é uma mistura complicada de diferentes compostos que abrangem desde componentes vegetais livres e parcialmente degradados até compostos mais microbialmente alterados contidos nos agregados do solo (definidos aqui como um material formado pela combinação de unidades ou itens separados) até subprodutos microbianos altamente processados com fortes associações com minerais reativos do solo⁶ . Nos casos em que é impraticável identificar o conjunto completo de compostos individuais na MOS, os pesquisadores geralmente se concentram em identificar um número menor de pools funcionais de C que existem como realidades físicas e que variam de acordo com as taxas de rotatividade, a composição química geral e o grau de estabilização com os componentes minerais do solo^{1, 7º}. Para que os pools sejam criticamente interpretados e modelados, é essencial que os pools separados sejam pequenos em número, sejam diretamente mensuráveis em vez de apenas teóricos e exibam diferenças claras na composição e reatividade⁸.

Muitas técnicas diferentes, tanto químicas quanto físicas, têm sido empregadas para isolar pools significativos de C no solo, e estas são bem resumidas por von Lützow et ^al.9 e Poeplau et ^al.10. Técnicas de extração química visam isolar pools específicos, tais como C associado a Fe e Al¹¹ pouco cristalinos ou cristalinos. Solventes orgânicos têm sido usados para extrair compostos específicos, como lipídios¹², e tanto a hidrólise quanto a oxidação da MOS têm sido usadas como medida de um pool lábil de C^13,14. No entanto, nenhum desses métodos de extração categoriza todos os pools de C em frações mensuráveis ou modeláveis. O fracionamento físico do solo categoriza todo o C do solo em pools com base no tamanho e assume que a decomposição dos restos vegetais resulta em fragmentação e partículas cada vez menores. Embora o tamanho isoladamente não possa separar os detritos vegetais livres da MOS¹⁵ associada ao mineral, a quantificação desses dois pools é crítica para a compreensão da estabilização do C no solo devido às diferenças espaciais, físicas e biogeoquímicas comuns na formação e no turnover¹⁶.

O fracionamento do C do solo com base na densidade vem sendo cada vez mais utilizado, sendo de fácil execução e identificando diferentes pools de C com base no grau de associação com diferentes minerais^17,18,19; assim, o fracionamento da densidade do solo pode ajudar a elucidar diferentes mecanismos de estabilização do C no solo. O principal requisito para que o solo seja fracionado é a capacidade de dispersar totalmente as partículas orgânicas e minerais. Uma vez dispersa, a matéria orgânica degradada que é relativamente livre de minerais flutua em soluções mais leves do que ~1,85 g/cm 3, enquanto os minerais tipicamente caem na faixa de 2-4,5 g/cm 3, embora os óxidos de ferro possam ter densidades de até 5,3 g/cm³. A fração de partículas leves ou livres tende a ter um tempo de rotação mais curto (a menos que haja contaminação significativa por carvão vegetal) e tem se mostrado altamente responsiva ao cultivo e outras perturbações. A fração pesada (>1,85 g/cm³) ou associada a minerais geralmente tem um tempo de turnover maior devido à resistência à decomposição mediada microbialmente adquirida quando moléculas orgânicas se ligam a superfícies minerais reativas. No entanto, a fração pesada pode saturar (isto é, atingir um limite superior para a capacidade de complexação mineral), enquanto a fração leve pode teoricamente acumular-se quase indefinidamente. Assim, compreender a distribuição física da matéria orgânica em pools de matéria orgânica associada a minerais versus particulados ajuda a elucidar quais ecossistemas podem ser manejados para o sequestro eficiente de carbono e como diferentes sistemas responderão às mudanças climáticas e mudanças nos padrões de perturbação antrópica²⁰.

Embora o uso do fracionamento por densidade utilizando soluções de politungstato de sódio em diferentes densidades tenha aumentado muito na última década, as técnicas e protocolos variam significativamente, tornando os resultados de diferentes estudos e diferentes ecossistemas difíceis de comparar. Embora tenha sido demonstrado que uma densidade de 1,85 g/cm3 recupera a maior quantidade de fração leve livre com mínima inclusão de matéria orgânica associada ao mineral (MAOM)¹⁷, muitos estudos têm utilizado densidades que variam de 1,65-2,0 g/^cm3. Enquanto a maioria dos estudos fracionou os solos em apenas dois pools (uma fração leve e uma fração pesada, doravante LF e HF), outros estudos usaram densidades múltiplas para refinar ainda mais a fração pesada em pools que diferem pelos minerais aos quais estão associados, a proporção relativa de minerais para revestimento orgânico ou o grau de agregação (por exemplo, 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). Além disso, procedimentos de fracionamento mais complexos têm sido sugeridos que combinam separação de tamanho e densidade, resultando em um maior número de pools (por exemplo, Yonekura et al.26, Virto et ^al.27, Moni et al.15, Poeplau et ^al.10), mas também mais espaço para erros, tanto na metodologia quanto em relação ao tamanho do pool. Além disso, os autores também utilizaram a sonicação em intensidades e tempos variados em um esforço para dispersar agregados e MAOM de superfícies minerais^28,29,30.

Aqui, descrevemos um procedimento robusto de fracionamento de densidade que identifica, primeiro, dois pools únicos de carbono do solo (LF e HF, ou POM e MAOM), e oferecemos as técnicas e os argumentos para separar ainda mais o pool de HF em frações adicionais que diferem com base em sua mineralogia, grau de revestimento orgânico ou agregação. As frações identificadas diferem quanto à composição química, tempo de rotação, grau de processamento microbiano e grau de estabilização mineral^18,19.

O procedimento a seguir separa o solo em matéria orgânica particulada (POM) e matéria orgânica associada a minerais (MAOM) misturando uma quantidade conhecida de solo em uma solução com uma densidade específica. A eficácia do procedimento é medida pela recuperação combinada da massa do solo e do carbono em relação à massa da amostra inicial e ao teor de C. Uma solução densa é obtida pela dissolução do politungstato de sódio (TCP) em água deionizada. O solo é inicialmente misturado com a solução densa de SPT e agitado para misturar e dispersar completamente os agregados do solo. A centrifugação é então usada para separar os materiais do solo que flutuam (fração leve) ou afundam (fração pesada) na solução. As etapas de mistura, isolamento, recuperação e lavagem são repetidas várias vezes para garantir a separação das frações leve e pesada, juntamente com a remoção de SPT do material. Finalmente, as frações do solo são secas, pesadas e analisadas quanto ao teor de C. O material fracionado pode ser utilizado para procedimentos e análises subsequentes.