Farklı Toprak Karbon Havuzlarını Ayırmak için Toprak Yoğunluğu Fraksiyonasyonunun Kullanılması

Toprak, en büyük karasal karbon (C) deposudur, en üstteki 1 m’de 1.500 Pg’den fazla C içerir ve bu miktarı küresel olarak daha derin seviyelerde neredeyse iki katına çıkarır, bu nedenle toprağın bitki biyokütlesinden daha fazla C içerdiği anlamına gelir ve atmosfer^{birleştirilir 1}. Toprak organik maddesi (SOM) su ve toprak besin maddelerini korur ve bitki verimliliği ve karasal ekosistemin işlevi için gereklidir. Toprak sağlığı ve tarımsal verimlilik için yeterli SOM stoklarının öneminin küresel olarak kabul edilmesine rağmen, sürdürülemez orman ve tarımsal yönetim, peyzaj değişikliği ve iklim ısınması nedeniyle toprak C stokları önemli ölçüde tükenmiştir ^2,3. Toprak sağlığının geri kazanılmasına ve toprak C tutulmasının doğal iklim çözümlerinde kilit bir oyuncu olarak kullanılmasına olan ilginin artması, çeşitli ortamlarda toprak C tutulmasını ve stabilizasyonunu kontrol eden faktörleri anlama çabalarına yol açmıştır ^4,5.

Toprak organik maddesi (SOM), serbest, kısmen bozulmuş bitki bileşenlerinden, toprak agregalarında tutulan daha mikrobiyal olarak değiştirilmiş bileşiklere (burada ayrı birimlerin veya öğelerin kombinasyonu ile oluşturulan bir malzeme olarak tanımlanmıştır) reaktif toprak mineralleri ile güçlü ilişkilere sahip yüksek oranda işlenmiş mikrobiyal yan ürünlere kadar uzanan farklı bileşiklerin karmaşık bir karışımıdır⁶ . SOM’daki bireysel bileşiklerin tam paketini tanımlamanın pratik olmadığı durumlarda, araştırmacılar genellikle fiziksel gerçeklikler olarak var olan ve ciro oranlarına, genel kimyasal bileşime ve toprağın mineral bileşenleri ile stabilizasyon derecesine göre değişen daha az sayıda fonksiyonel C havuzunu tanımlamaya odaklanırlar^{1, 7}. Havuzların eleştirel olarak yorumlanabilmesi ve modellenebilmesi için, ayrılan havuzların sayıca az olması, sadece teorik olmaktan ziyade doğrudan ölçülebilir olması, kompozisyon ve reaktivitede açık farklılıklar sergilemesi esastır⁸.

C toprağının anlamlı havuzlarını izole etmek için hem kimyasal hem de fiziksel birçok farklı teknik kullanılmıştır ve bunlar von Lützow ve ^ark.9 ve Poeplau ve ^ark.10 tarafından iyi özetlenmiştir. Kimyasal ekstraksiyon teknikleri, zayıf kristalin veya kristalin Fe ve Al¹¹ ile ilişkili C gibi spesifik havuzları izole etmeyi amaçlamaktadır. Organik çözücüler, lipitler¹² gibi spesifik bileşikleri çıkarmak için kullanılmıştır ve SOM’un hidrolizi veya oksidasyonu, C^13,14’lük kararsız bir havuzun bir ölçüsü olarak kullanılmıştır. Bununla birlikte, bu ekstraksiyon yöntemlerinden hiçbiri, tüm C havuzlarını ölçülebilir veya modellenebilir fraksiyonlara ayırmaz. Toprağın fiziksel fraksiyonasyonu, tüm toprak C’yi büyüklüğüne göre havuzlara ayırır ve bitki kalıntılarının ayrışmasının parçalanmaya ve giderek daha küçük parçacıklara neden olduğunu varsayar. Tek başına büyüklük, serbest bitki kalıntılarını mineralle ilişkili SOM^15’ten ayıramasa da, bu iki havuzun ölçülmesi, oluşum ve devir^16’daki ortak mekansal, fiziksel ve biyojeokimyasal farklılıklar nedeniyle toprak C stabilizasyonunun anlaşılması için kritik öneme sahiptir.

C toprağının yoğunluğa dayalı fraksiyonasyonu giderek daha fazla kullanılmaktadır ve farklı minerallerle ilişki derecesine bağlı olarak farklı C havuzlarını gerçekleştirmek ve tanımlamak kolaydır^17,18,19; Bu nedenle, toprak yoğunluğu fraksiyonasyonu, farklı toprak C stabilizasyon mekanizmalarının aydınlatılmasına yardımcı olabilir. Toprağın parçalanması için birincil gereklilik, organik ve mineral parçacıkları tamamen dağıtma yeteneğidir. Bir kez dağıldıktan sonra, nispeten mineral içermeyen bozulmuş organik madde, ~ 1.85 g / cm3’ten daha hafif çözeltilerde yüzerken, mineraller tipik olarak 2-4.5 g / cm3 aralığında düşer, ancak demir oksitler 5.3 g /^cm3’e kadar yoğunluklara sahip olabilir. Hafif veya serbest partikül fraksiyonu, devir teslim süresinin daha kısa olma eğilimindedir (odun kömürü ile önemli bir kirlenme olmadığı sürece) ve ekime ve diğer rahatsızlıklara karşı oldukça duyarlı olduğu gösterilmiştir. Ağır (>1.85 g /^cm3) veya mineralle ilişkili fraksiyon, organik moleküller reaktif mineral yüzeylere bağlandığında kazanılan mikrobiyal aracılı ayrışmaya karşı direnç nedeniyle genellikle daha uzun bir devir süresine sahiptir. Bununla birlikte, ağır fraksiyon doygunluğa ulaşabilir (yani, mineral kompleksasyon kapasitesi için bir üst sınıra ulaşabilir), hafif fraksiyon ise teorik olarak neredeyse süresiz olarak birikebilir. Bu nedenle, organik maddenin mineralle ilişkili havuzlardaki partikül organik madde havuzlarındaki fiziksel dağılımını anlamak, verimli karbon tutumu için hangi ekosistemlerin yönetilebileceğini ve farklı sistemlerin iklim değişikliğine ve antropojenik rahatsızlık^20’nin değişen modellerine nasıl tepki vereceğini aydınlatmaya yardımcı olur.

Farklı yoğunluklarda sodyum politungstat çözeltileri kullanılarak yoğunluk fraksiyonasyonunun kullanımı son on yılda büyük ölçüde artmış olsa da, teknikler ve protokoller önemli ölçüde değişmekte ve farklı çalışmalardan ve farklı ekosistemlerden elde edilen sonuçların karşılaştırılmasını zorlaştırmaktadır. Her ne kadar 1.85 g / cm3’lük bir yoğunluğun, mineralle ilişkili organik maddenin (MAOM) minimum düzeyde dahil edilmesiyle en fazla miktarda serbest ışık fraksiyonunu geri kazandığı gösterilmiş olsa ^da17, birçok çalışmada 1.65-2.0 g /^cm3 arasında değişen yoğunluklar kullanılmıştır. Çoğu çalışma toprakları sadece iki havuza (hafif bir fraksiyon ve ağır bir fraksiyon, bundan sonra LF ve HF olarak anılacaktır) bölmüş olsa da, diğer çalışmalar ağır fraksiyonu ilişkili oldukları minerallere, minerallerin organik kaplamaya göreceli oranına veya toplanma derecesine göre farklılık gösteren havuzlara daha da rafine etmek için çoklu yoğunluklar kullanmıştır (örneğin, Sollins ve ark.17, Sollins ve ^ark.18, Hatton ve ark.21, Lajtha ve ark.22, Yeasmin ve ark.23, Wagai ve ark.24, Volk ve ^ark.25). Ek olarak, hem boyut hem de yoğunluk ayrımını birleştiren daha karmaşık fraksiyonasyon prosedürleri önerilmiştir, bu da daha fazla sayıda havuzla (örneğin, Yonekura ve ark.26, Virto ve ^ark.27, Moni ve ark.15, Poeplau ve ^ark.10) ve aynı zamanda hem metodolojide hem de havuz büyüklüğü ile ilgili olarak hataya daha fazla yer açmıştır. Ayrıca, yazarlar ayrıca agregaları ve MAOM’u mineral yüzeylerden^28,29,30 dağıtmak için çeşitli yoğunluklarda ve zamanlarda sonikasyon kullanmışlardır.

Burada, ilk olarak, iki benzersiz toprak karbon havuzunu (LF ve HF veya POM ve MAOM) tanımlayan sağlam bir yoğunluk fraksiyonasyon prosedürünü açıklıyoruz ve HF havuzunu mineralojilerine, organik kaplama derecelerine veya agregasyonlarına göre farklılık gösteren ek fraksiyonlara daha da ayırmak için hem teknikleri hem de argümanları sunuyoruz. Burada tanımlanan fraksiyonların kimyasal bileşimleri, devir süreleri, mikrobiyal işlem dereceleri ve mineral stabilizasyon dereceleri bakımından farklılık gösterdiği gösterilmiştir^18,19.

Aşağıdaki prosedür, belirli bir yoğunluğa sahip bir çözelti içinde bilinen miktarda toprağı karıştırarak dökme toprağı partikül organik maddeye (POM) ve mineralle ilişkili organik maddeye (MAOM) ayırır. Prosedürün etkinliği, ilk toprak numunesi kütlesine ve C içeriğine göre toprak kütlesi ve karbonun kombine geri kazanımı ile ölçülür. Sodyum politungstatın (SPT) deiyonize suda çözülmesiyle yoğun bir çözelti elde edilir. Toprak başlangıçta yoğun SPT çözeltisi ile karıştırılır ve toprak agregalarını iyice karıştırmak ve dağıtmak için çalkalanır. Santrifüjleme daha sonra çözelti içinde yüzen (hafif fraksiyon) veya batan (ağır fraksiyon) toprak malzemelerini ayırmak için kullanılır. Karıştırma, izolasyon, geri kazanım ve yıkama adımları, hafif ve ağır fraksiyonların ayrılmasını ve SPT’nin malzemeden uzaklaştırılmasını sağlamak için birçok kez tekrarlanır. Son olarak, toprak fraksiyonları C içeriği için kurutulur, tartılır ve analiz edilir. Fraksiyone edilmiş malzeme sonraki prosedürler ve analizler için kullanılabilir.