Использование фракционирования плотности почвы для разделения отдельных пулов углерода в почве

Почва является крупнейшим хранилищем земного углерода (C), содержащим более 1,500 Pg C в верхнем 1 м и почти вдвое больше на более глубоких уровнях во всем мире, что означает, что почва содержит больше C, чем растительная биомасса и атмосфера вместе взятые¹. Органическое вещество почвы (SOM) удерживает воду и питательные вещества почвы и имеет важное значение для продуктивности растений и функционирования наземной экосистемы. Несмотря на всемирное признание важности адекватных запасов СОМ для здоровья почвы и продуктивности сельского хозяйства, запасы почвенного углерода были существенно истощены из-за неустойчивого управления лесами и сельским хозяйством, изменения ландшафта и потепления климата ^2,3. Возросший интерес к восстановлению здоровья почвы и использованию удержания почвы С в качестве ключевого игрока в естественных климатических решениях привел к усилиям по пониманию факторов, которые контролируют связывание и стабилизацию почвы С в различных средах ^4,5.

Органическое вещество почвы (SOM) представляет собой сложную смесь различных соединений, которые охватывают диапазон от свободных, частично разложившихся растительных компонентов до более микробно измененных соединений, содержащихся в почвенных агрегатах (определяемых здесь как материал, образованный комбинацией отдельных единиц или элементов), до субпродуктов высокой степени переработки микробов с сильными ассоциациями с реактивными минералами^{почвы 6} . В тех случаях, когда нецелесообразно идентифицировать полный набор отдельных соединений в SOM, исследователи часто сосредотачиваются на выявлении меньшего числа функциональных пулов C, которые существуют как физические реальности и которые различаются по скорости оборота, общему химическому составу и степени стабилизации с минеральными компонентами почвы^{1. 7}. Для того, чтобы пулы могли быть критически интерпретированы и смоделированы, важно, чтобы отдельные пулы были небольшими по количеству, поддавались прямому измерению, а не только теоретически, и демонстрировали явные различия в составе и реакционной способности⁸.

Для выделения значимых бассейнов почвы С было использовано множество различных методов, как химических, так и физических, и они хорошо обобщены фон Лютцовым и ^др.9 и Поеплау и ^др.10. Методы химической экстракции направлены на выделение определенных пулов, таких как C, связанных либо с плохо кристаллическими, либо с кристаллическими Fe и Al¹¹. Органические растворители использовались для экстракции специфических соединений, таких как липиды¹², а гидролиз или окисление SOM использовались в качестве меры лабильного пула C^13,14. Однако ни один из этих методов экстракции не классифицирует все пулы C на измеримые или моделируемые дроби. Физическое фракционирование почвы классифицирует всю почву C на пулы в зависимости от размера и предполагает, что разложение растительных остатков приводит к фрагментации и все более мелким частицам. Хотя размер сам по себе не может отделить свободные растительные остатки от связанных с минералами SOM¹⁵, количественная оценка этих двух бассейнов имеет решающее значение для понимания стабилизации почвы C из-за общих пространственных, физических и биогеохимических различий в образовании и обороте¹⁶.

Все чаще используется фракционирование почвы С на основе плотности, и его легко выполнить, и он идентифицирует различные пулы С в зависимости от степени связи с различными минералами^17,18,19; таким образом, фракционирование плотности почвы может помочь выяснить различные механизмы стабилизации почвы С. Основным требованием к фракционированию почвы является способность полностью рассеивать органические и минеральные частицы. После диспергирования разложившееся органическое вещество, относительно свободное от минералов, плавает в растворах легче ~ 1,85 г / см 3 , в то время как минералы обычно находятся в диапазоне 2-4,5 г / см 3 , хотя оксиды железа могут иметь плотность до 5,3 г / см³ . Легкая или свободная фракция твердых частиц, как правило, имеет более короткое время оборота (если нет значительного загрязнения древесным углем) и, как было показано, очень чувствительна к культивации и другим нарушениям. Тяжелая (>1,85 г/^см3) или связанная с минералами фракция часто имеет более длительное время оборота из-за устойчивости к микробно-опосредованному разложению, получаемой при связывании органических молекул с реакционноспособными минеральными поверхностями. Однако тяжелая фракция может насыщаться (т.е. достигать верхнего предела минеральной комплексообразующей способности), в то время как легкая фракция теоретически может накапливаться почти бесконечно. Таким образом, понимание физического распределения органического вещества в пулах связанного с минералами и твердых органических веществ помогает выяснить, какими экосистемами можно управлять для эффективного связывания углерода и как различные системы будут реагировать на изменение климата и меняющиеся модели антропогенных возмущений²⁰.

Несмотря на то, что за последнее десятилетие значительно возросло использование плотно-фракционного фракционирования с использованием растворов поливольфрамата натрия при разной плотности, методы и протоколы значительно различаются, что затрудняет сравнение результатов различных исследований и различных экосистем. Хотя было показано, что плотность 1,85 г/см3 позволяет извлекать наибольшее количество фракции свободного света с минимальным включением связанного с минералами органического вещества (МАОМ)¹⁷, во многих исследованиях использовались плотности в диапазоне от 1,65 до 2,0 г/^см3. В то время как в большинстве исследований почвы были разделены только на две пулы (легкая фракция и тяжелая фракция, далее LF и HF), в других исследованиях использовались множественные плотности для дальнейшего измельчения тяжелой фракции в пулы, которые различаются минералами, с которыми они связаны, относительным отношением минералов к органическому покрытию или степенью агрегации (например, 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). Кроме того, были предложены более сложные процедуры фракционирования, которые сочетают в себе разделение как по размеру, так и по плотности, что приводит к увеличению числа бассейнов (например, Yonekura et ^al.26, Virto et ^al.27, Moni et al.15, Poeplau et ^al.10), но также и к большему количеству ошибок как в методологии, так и в отношении размера пула. Кроме того, авторы также использовали обработку ультразвуком с различной интенсивностью и временем, чтобы диспергировать агрегаты и MAOM с минеральных поверхностей^28,29,30.

Здесь мы описываем надежную процедуру фракционирования плотности, которая идентифицирует, во-первых, два уникальных пула почвенного углерода (LF и HF, или POM и MAOM), и мы предлагаем как методы, так и аргументы для дальнейшего разделения пула HF на дополнительные фракции, которые различаются в зависимости от их минералогии, степени органического покрытия или агрегации. Показано, что идентифицированные здесь фракции различаются по химическому составу, времени оборота, степени микробной обработки и степени стабилизации минералов^18,19.

Следующая процедура разделяет объемную почву на твердые органические вещества (POM) и минеральные органические вещества (MAOM) путем смешивания известного количества почвы в растворе с определенной плотностью. Эффективность процедуры измеряется комбинированным извлечением почвенной массы и углерода по отношению к исходной массе образца почвы и содержанию углерода. Плотный раствор достигается растворением поливольфрамата натрия (SPT) в деионизированной воде. Почву сначала смешивают с плотным раствором SPT и перемешивают, чтобы тщательно перемешать и диспергировать почвенные агрегаты. Затем центрифугирование используется для отделения почвенных материалов, которые либо всплывают (легкая фракция), либо тонет (тяжелая фракция) в растворе. Этапы смешивания, изоляции, восстановления и промывки повторяются несколько раз, чтобы обеспечить разделение легких и тяжелых фракций, а также удаление SPT из материала. Наконец, фракции почвы сушат, взвешивают и анализируют на содержание C. Фракционированный материал может быть использован для последующих процедур и анализов.