Utilización del fraccionamiento de la densidad del suelo para separar distintas reservas de carbono del suelo

El suelo es la mayor reserva de carbono terrestre (C), que contiene más de 1.500 Pg de C en el 1 m superior y casi el doble de esa cantidad en niveles más profundos a nivel mundial, lo que significa que el suelo contiene más C que la biomasa vegetal y la atmósfera combinadas¹. La materia orgánica del suelo (SOM) retiene el agua y los nutrientes del suelo y es esencial para la productividad de las plantas y la función del ecosistema terrestre. A pesar del reconocimiento mundial de la importancia de las existencias adecuadas de SOM para la salud del suelo y la productividad agrícola, las existencias de C del suelo se han agotado sustancialmente debido a la gestión forestal y agrícola insostenible, el cambio del paisaje y el calentamiento climático ^2,3. El creciente interés en restaurar la salud del suelo y en utilizar la retención de C del suelo como un actor clave en las soluciones climáticas naturales ha llevado a esfuerzos para comprender los factores que controlan el secuestro y la estabilización del C del suelo en diversos ambientes ^4,5.

La materia orgánica del suelo (SOM) es una mezcla complicada de diferentes compuestos que abarcan desde componentes vegetales libres y parcialmente degradados hasta compuestos más alterados microbianamente contenidos en los agregados del suelo (definidos aquí como un material formado por la combinación de unidades o elementos separados) hasta subproductos microbianos altamente procesados con fuertes asociaciones con minerales reactivos del suelo⁶ . En los casos en que no es práctico identificar el conjunto completo de compuestos individuales en el SOM, los investigadores a menudo se centran en identificar un número menor de grupos funcionales de C que existen como realidades físicas y que varían según las tasas de recambio, la composición química general y el grado de estabilización con los componentes minerales del suelo^{1, 7}. Para que los pools sean interpretados y modelados críticamente, es esencial que los pools separados sean pequeños en número, sean directamente medibles en lugar de solo teóricos, y exhiban claras diferencias en composición y reactividad⁸.

Se han empleado muchas técnicas diferentes, tanto químicas como físicas, para aislar piscinas significativas de suelo C, y estas están bien resumidas por von Lützow et ^al.9 y Poeplau et ^al.10. Las técnicas de extracción química tienen como objetivo aislar piscinas específicas, como C asociado con Fe y Al¹¹ poco cristalino o cristalino. Los disolventes orgánicos se han utilizado para extraer compuestos específicos como los lípidos¹², y la hidrólisis o la oxidación de SOM se ha utilizado como medida de un grupo lábil de C^13,14. Sin embargo, ninguno de estos métodos de extracción clasifica todos los grupos de C en fracciones medibles o modelables. El fraccionamiento físico del suelo clasifica todo el suelo C en piscinas basadas en el tamaño y asume que la descomposición de los desechos vegetales resulta en fragmentación y partículas cada vez más pequeñas. Aunque el tamaño por sí solo no puede separar los desechos vegetales libres de la SOM¹⁵ asociada a minerales, cuantificar estas dos piscinas es fundamental para la comprensión de la estabilización C del suelo debido a las diferencias espaciales, físicas y biogeoquímicas comunes en la formación y el recambio¹⁶.

El fraccionamiento del suelo C basado en la densidad se utiliza cada vez más, y es fácil de realizar e identifica diferentes grupos de C en función del grado de asociación con diferentes minerales^17,18,19; por lo tanto, el fraccionamiento de la densidad del suelo puede ayudar a dilucidar diferentes mecanismos de estabilización del C del suelo. El requisito principal para que el suelo sea fraccionado es la capacidad de dispersar completamente las partículas orgánicas y minerales. Una vez dispersa, la materia orgánica degradada que está relativamente libre de minerales flota en soluciones más ligeras que ~ 1.85 g / cm 3, mientras que los minerales generalmente caen en el rango de 2-4.5 g / cm 3, aunque los óxidos de hierro pueden tener densidades de hasta 5.3 g / cm³. La fracción de partículas ligeras o libres tiende a tener un tiempo de rotación más corto (a menos que haya una contaminación significativa por carbón vegetal) y se ha demostrado que es altamente sensible al cultivo y otras perturbaciones. La fracción pesada (>1,85 g/^cm3) o asociada a minerales a menudo tiene un tiempo de renovación más largo debido a la resistencia a la descomposición mediada microbianamente obtenida cuando las moléculas orgánicas se unen con superficies minerales reactivas. Sin embargo, la fracción pesada puede saturarse (es decir, alcanzar un límite superior para la capacidad de complejación mineral), mientras que la fracción ligera teóricamente puede acumularse casi indefinidamente. Por lo tanto, comprender la distribución física de la materia orgánica en las reservas de materia orgánica asociada a minerales frente a las partículas orgánicas ayuda a dilucidar qué ecosistemas pueden ser manejados para un secuestro eficiente de carbono y cómo los diferentes sistemas responderán al cambio climático y a los patrones cambiantes de perturbación antropogénica²⁰.

Si bien el uso del fraccionamiento por densidad utilizando soluciones de politungstato de sodio a diferentes densidades ha aumentado enormemente en la última década, las técnicas y protocolos varían significativamente, lo que hace que los resultados de diferentes estudios y diferentes ecosistemas sean difíciles de comparar. Aunque se ha demostrado que una densidad de 1,85 g/^cm3 recupera la mayor cantidad de fracción de luz libre con una mínima inclusión de materia orgánica asociada a minerales (MAOM)¹⁷, muchos estudios han utilizado densidades que van desde 1,65-2,0 g/cm³. Si bien la mayoría de los estudios han fraccionado los suelos en solo dos piscinas (una fracción ligera y una fracción pesada, en adelante LF y HF), otros estudios han utilizado múltiples densidades para refinar aún más la fracción pesada en piscinas que difieren por los minerales con los que están asociados, la proporción relativa de minerales a recubrimiento orgánico o el grado de agregación (por ejemplo, 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). Además, se han sugerido procedimientos de fraccionamiento más complejos que combinan la separación de tamaño y densidad, lo que resulta en un mayor número de piscinas (por ejemplo, Yonekura et al.26, Virto et ^al.27, Moni et al.15, Poeplau et ^al.10) pero también más margen de error, tanto en la metodología como en relación con el tamaño de la piscina. Además, los autores también han utilizado la sonicación a diversas intensidades y tiempos en un esfuerzo por dispersar agregados y MAOM de superficies minerales^28,29,30.

Aquí, describimos un procedimiento robusto de fraccionamiento de densidad que identifica, primero, dos grupos únicos de carbono del suelo (LF y HF, o POM y MAOM), y ofrecemos tanto las técnicas como los argumentos para separar aún más el grupo de HF en fracciones adicionales que difieren en función de su mineralogía, grado de recubrimiento orgánico o agregación. Las fracciones aquí identificadas han demostrado diferir en términos de su composición química, tiempo de renovación, grado de procesamiento microbiano y grado de estabilización mineral^18,19.

El siguiente procedimiento separa el suelo a granel en materia orgánica particulada (POM) y materia orgánica asociada a minerales (MAOM) mezclando una cantidad conocida de suelo en una solución con una densidad específica. La eficacia del procedimiento se mide por la recuperación combinada de la masa del suelo y el carbono en relación con la masa inicial de la muestra del suelo y el contenido de C. Una solución densa se logra disolviendo politungstato de sodio (SPT) en agua desionizada. El suelo se mezcla inicialmente con la solución densa de SPT y se agita para mezclar y dispersar completamente los agregados del suelo. La centrifugación se utiliza para separar los materiales del suelo que flotan (fracción ligera) o se hunden (fracción pesada) en la solución. Los pasos de mezcla, aislamiento, recuperación y lavado se repiten varias veces para garantizar la separación de las fracciones ligeras y pesadas, junto con la eliminación de SPT del material. Finalmente, las fracciones del suelo se secan, pesan y analizan para determinar el contenido de C. El material fraccionado puede utilizarse para procedimientos y análisis posteriores.