Summary
Die Bodendichtefraktionierung trennt die organische Bodensubstanz in verschiedene Pools mit unterschiedlichen Stabilisierungsmechanismen, Chemikalien und Umschlagzeiten. Natriumpolywolframatlösungen mit spezifischen Dichten ermöglichen die Trennung von freiem partikulärem organischem Material und mineralassoziiertem organischem Material, was zu Fraktionen organischer Substanz führt, die zur Beschreibung der Reaktion des Bodens auf Bewirtschaftung und Klimawandel geeignet sind.
Abstract
Organische Bodensubstanz (SOM) ist eine komplizierte Mischung aus verschiedenen Verbindungen, die den Bereich von freien, teilweise abgebauten Pflanzenbestandteilen über mikrobiell veränderte Verbindungen, die in den Bodenaggregaten gehalten werden, bis hin zu hochverarbeiteten mikrobiellen Nebenprodukten mit starken Assoziationen mit reaktiven Bodenmineralien umfasst. Bodenwissenschaftler haben sich bemüht, Wege zu finden, den Boden in Fraktionen zu trennen, die leicht messbar und für die Modellierung von Bodenkohlenstoff (C) nützlich sind. Die Fraktionierung des Bodens auf der Grundlage der Dichte wird zunehmend verwendet, und sie ist einfach durchzuführen und liefert C-Pools basierend auf dem Grad der Assoziation zwischen dem SOM und verschiedenen Mineralien; Daher kann die Bodendichtefraktionierung helfen, das SOM zu charakterisieren und SOM-Stabilisierungsmechanismen zu identifizieren. Die berichteten Protokolle zur Fraktionierung der Bodendichte variieren jedoch erheblich, so dass die Ergebnisse verschiedener Studien und Ökosysteme schwer zu vergleichen sind. Hier beschreiben wir ein robustes Dichtefraktionierungsverfahren, das partikuläre und mineralassoziierte organische Stoffe trennt, und erläutern die Vor- und Nachteile der Trennung des Bodens in zwei, drei oder mehr Dichtefraktionen. Solche Fraktionen unterscheiden sich häufig in ihrer chemischen und mineralischen Zusammensetzung, der Umlaufzeit und dem Grad der mikrobiellen Verarbeitung sowie dem Grad der Mineralstabilisierung.
Introduction
Der Boden ist der größte Speicher an terrestrischem Kohlenstoff (C) und enthält mehr als 1.500 Pg C in den oberen 1 m und fast doppelt so viel in tieferen Schichten weltweit, was bedeutet, dass der Boden mehr C enthält als pflanzliche Biomasse und die Atmosphäre zusammen1. Organische Bodensubstanz (SOM) speichert Wasser und Bodennährstoffe und ist für die Pflanzenproduktivität und die Funktion des terrestrischen Ökosystems unerlässlich. Trotz weltweiter Anerkennung der Bedeutung ausreichender SOM-Bestände für die Bodengesundheit und die landwirtschaftliche Produktivität sind die Boden-C-Bestände aufgrund nicht nachhaltiger Wald- und Landwirtschaftsbewirtschaftung, Landschaftsveränderungen und Klimaerwärmung erheblich erschöpft 2,3. Das gestiegene Interesse an der Wiederherstellung der Bodengesundheit und an der Nutzung der Boden-C-Retention als Schlüsselakteur bei natürlichen Klimalösungen hat zu Bemühungen geführt, die die Sequestrierung und Stabilisierung von Boden-C in verschiedenen Umgebungen steuern 4,5.
Organische Bodensubstanz (SOM) ist eine komplizierte Mischung verschiedener Verbindungen, die den Bereich von freien, teilweise abgebauten Pflanzenbestandteilen über mikrobiell veränderte Verbindungen in den Bodenaggregaten (hier definiert als ein Material, das durch die Kombination separater Einheiten oder Elemente gebildet wird) bis hin zu hochverarbeiteten mikrobiellen Nebenprodukten mit starken Assoziationen mit reaktiven Bodenmineralien umfasst6 . In Fällen, in denen es nicht praktikabel ist, die gesamte Palette der einzelnen Verbindungen im SOM zu identifizieren, konzentrieren sich die Forscher häufig auf die Identifizierung einer kleineren Anzahl von funktionellen C-Pools, die als physikalische Realitäten existieren und die sich nach Umsatzraten, allgemeiner chemischer Zusammensetzung und dem Grad der Stabilisierung mit den mineralischen Bestandteilen des Bodens unterscheiden1. 7. Preise Damit die Pools kritisch interpretiert und modelliert werden können, ist es wichtig, dass die Anzahl der getrennten Pools gering ist, direkt messbar und nicht nur theoretisch ist und deutliche Unterschiede in der Zusammensetzung und Reaktivität aufweist8.
Viele verschiedene Techniken, sowohl chemische als auch physikalische, wurden eingesetzt, um sinnvolle Pools von Boden C zu isolieren, und diese werden von von Lützow et al.9 und Poeplau et al.10 gut zusammengefasst. Chemische Extraktionstechniken zielen darauf ab, bestimmte Pools zu isolieren, wie z. B. C, die entweder mit schlecht kristallinem oder kristallinem Fe und Al11 assoziiert sind. Organische Lösungsmittel wurden verwendet, um spezifische Verbindungen wie Lipide12 zu extrahieren, und entweder die Hydrolyse oder die Oxidation von SOM wurde als Maß für einen labilen Pool von C13,14 verwendet. Keine dieser Extraktionsmethoden kategorisiert jedoch alle C-Pools in messbare oder modellierbare Fraktionen. Die physikalische Fraktionierung des Bodens kategorisiert alle Böden C nach Größe in Becken und geht davon aus, dass die Zersetzung von Pflanzenresten zu Fragmentierung und immer kleineren Partikeln führt. Obwohl die Größe allein freie Pflanzenreste nicht von mineralassoziiertem SOM15 trennen kann, ist die Quantifizierung dieser beiden Pools aufgrund gemeinsamer räumlicher, physikalischer und biogeochemischer Unterschiede in Bildung und Umsatz entscheidend für das Verständnis der Boden-C-Stabilisierung16.
Die Fraktionierung von Boden-C auf der Grundlage der Dichte wird zunehmend verwendet, und sie ist einfach durchzuführen und identifiziert verschiedene C-Pools basierend auf dem Grad der Assoziation mit verschiedenen Mineralien17,18,19; Daher kann die Fraktionierung der Bodendichte dazu beitragen, unterschiedliche Stabilisierungsmechanismen des Bodens C aufzuklären. Die Hauptvoraussetzung für die Fraktionierung des Bodens ist die Fähigkeit, die organischen und mineralischen Partikel vollständig zu dispergieren. Nach dem Dispergieren schwimmt abgebaute organische Substanz, die relativ frei von Mineralien ist, in Lösungen, die leichter als ~ 1,85 g / cm 3 sind, während Mineralien typischerweise in den Bereich von 2 bis 4,5 g / cm 3 fallen, obwohl Eisenoxide Dichten von bis zu 5,3 g / cm3 haben können. Die leichte oder freie Partikelfraktion hat tendenziell eine kürzere Umschlagszeit (es sei denn, es liegt eine signifikante Kontamination durch Holzkohle vor) und es hat sich gezeigt, dass sie sehr gut auf Kultivierung und andere Störungen reagiert. Die schwere (>1,85 g/cm3) oder mineralassoziierte Fraktion hat aufgrund der Resistenz gegen mikrobiell vermittelte Zersetzung, die entsteht, wenn organische Moleküle an reaktive mineralische Oberflächen binden, oft eine längere Umsatzzeit. Die schwere Fraktion kann sich jedoch sättigen (d. h. eine Obergrenze für die Mineralkomplexierungskapazität erreichen), während sich die leichte Fraktion theoretisch fast unbegrenzt ansammeln kann. Das Verständnis der physikalischen Verteilung organischer Stoffe in Pools von mineralassoziierter und partikulärer organischer Substanz hilft daher zu klären, welche Ökosysteme für eine effiziente Kohlenstoffbindung bewirtschaftet werden können und wie verschiedene Systeme auf den Klimawandel und die sich verändernden Muster anthropogener Störungen reagieren werden20.
Während die Verwendung der Dichtefraktionierung unter Verwendung von Lösungen von Natriumpolywolframat in unterschiedlichen Dichten in den letzten zehn Jahren stark zugenommen hat, variieren die Techniken und Protokolle erheblich, so dass die Ergebnisse verschiedener Studien und verschiedener Ökosysteme schwer zu vergleichen sind. Obwohl gezeigt wurde, dass eine Dichte von 1,85 g/cm3 die größte Menge an freier Lichtfraktion mit minimalem Einschluss von mineralassoziierter organischer Substanz (MAOM) zurückgewinnt17, wurden in vielen Studien Dichten im Bereich von 1,65 bis 2,0 g/cm3 verwendet. Während die meisten Studien Böden in nur zwei Becken aufgeteilt haben (eine leichte Fraktion und eine schwere Fraktion, im Folgenden LF und HF), haben andere Studien mehrere Dichten verwendet, um die schwere Fraktion weiter in Becken zu verfeinern, die sich durch die Mineralien, mit denen sie verbunden sind, das relative Verhältnis von Mineralien zur organischen Beschichtung oder den Aggregationsgrad (z. B. 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). Darüber hinaus wurden komplexere Fraktionierungsverfahren vorgeschlagen, die sowohl die Größen- als auch die Dichtetrennung kombinieren, was zu einer größeren Anzahl von Pools führt (z. B. Yonekura et al.26, Virto et al.27, Moni et al.15, Poeplau et al.10), aber auch mehr Spielraum für Fehler, sowohl in der Methodik als auch in Bezug auf die Poolgröße. Darüber hinaus haben die Autoren auch die Beschallung mit unterschiedlichen Intensitäten und Zeiten verwendet, um Aggregate und MAOM von mineralischen Oberflächen zu dispergieren28,29,30.
Hier beschreiben wir ein robustes Dichtefraktionierungsverfahren, das erstens zwei einzigartige Pools von Bodenkohlenstoff (LF und HF oder POM und MAOM) identifiziert, und wir bieten sowohl die Techniken als auch die Argumente an, um den HF-Pool weiter in zusätzliche Fraktionen zu trennen, die sich aufgrund ihrer Mineralogie, ihres Grades der organischen Beschichtung oder ihrer Aggregation unterscheiden. Es wurde gezeigt, dass sich die hier identifizierten Fraktionen hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung, der Umlaufzeit, des Grades der mikrobiellen Verarbeitung und des Grades der Mineralstabilisierung unterscheiden18,19.
Das folgende Verfahren trennt Schüttgut in partikuläre organische Stoffe (POM) und mineralassoziierte organische Stoffe (MAOM), indem eine bekannte Menge Boden in einer Lösung mit einer bestimmten Dichte gemischt wird. Die Wirksamkeit des Verfahrens wird durch die kombinierte Rückgewinnung von Bodenmasse und Kohlenstoff im Verhältnis zur ursprünglichen Bodenprobenmasse und zum C-Gehalt gemessen. Eine dichte Lösung wird durch Auflösen von Natriumpolywolframat (SPT) in deionisiertem Wasser erreicht. Der Boden wird zunächst mit der dichten SPT-Lösung vermischt und gerührt, um die Bodenaggregate gründlich zu mischen und zu dispergieren. Durch Zentrifugation werden dann die Bodenmaterialien getrennt, die entweder in der Lösung schwimmen (leichte Fraktion) oder sinken (schwere Fraktion). Die Misch-, Isolierungs-, Rückgewinnungs- und Waschschritte werden mehrmals wiederholt, um die Trennung der leichten und schweren Fraktionen sowie die Entfernung von SPT aus dem Material sicherzustellen. Abschließend werden die Bodenfraktionen getrocknet, gewogen und auf C-Gehalt analysiert. Das fraktionierte Material kann für nachfolgende Verfahren und Analysen verwendet werden.
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Protocol
1. Herstellung von Stammlösungen aus Natriumpolywolframat (SPT)
ACHTUNG: SPT ist reizend und beim Verschlucken oder Einatmen schädlich. Es ist giftig für Wasserorganismen; Vermeiden Sie die Freisetzung in die Umwelt.
- Um 1 l SPT-Lösung mit einer Dichte von 1,85 g/cm3 herzustellen, lösen Sie 1.051 g kristallisiertes SPT in etwa 600 ml deionisiertem destilliertem (DDI) Wasser. Rühren Sie die Lösung, bis sich der SPT vollständig aufgelöst hat, etwa 15 Minuten lang, und bringen Sie dann das Lösungsvolumen mit DDI auf 1 l.
ANMERKUNG: Die Kohlenstoffrückgewinnung unter Verwendung einer Lösungsdichte <1,85 g/cm3 kann zu wenig Kohlenstoff aus der leichten Fraktion rekrutieren, der aus partikulären organischen Stoffen17,18 gewonnen wird, wodurch die Kohlenstoffmenge in der Probe falsch dargestellt wird. Daher wird eine SPT-Lösungsdichte von 1,85 g/cm3 empfohlen 8,17, um den Kohlenstoff, der mit partikulären organischen Stoffen verbunden ist, für eine typische Bodenprobe (d. h. die meisten Sand-, Schluff- und Tonlehme mit C-Gehalt <10 %) stärker einzubeziehen. - Um 1 l SPT-Lösung mit einer Dichte von 2,40 g/cm3 herzustellen, werden 1.803 g fester SPT in etwa 500 ml DDI-Wasser gelöst. Rühren Sie die Lösung, bis sich der SPT vollständig aufgelöst hat, und bringen Sie dann das Lösungsvolumen mit DDI auf 1 l.
ANMERKUNG: Über die mögliche Verwendung für die Bodenfraktionierung hinaus ist häufig eine Lösung mit einer Dichte von mehr als 1,85 g/cm3 für die Einstellung der SPT-Lösung in späteren Schritten des Protokolls erforderlich (siehe Schritt 3.2). Wenn eine zusätzliche Lösung von 2,40 g/cm3 übrig bleibt, kann die Lösung mit deionisiertem Wasser auf 1,85 g/cm3 verdünnt und zur Bodenfraktionierung verwendet werden. - Analysieren Sie vor der Verwendung bei der Fraktionierung den SPT auf C- und N-Gehalt. Führen Sie diese Analyse mit einem Feststoff- oder Flüssigelementanalysator durch (Beispielmethoden: ISO 10694:1995, ISO 20236:2018).
- Führen Sie eine 1:100-Verdünnung der Lösung aus Schritt 1.1 für die Flüssigelementanalysatoren durch, um die Verschlechterung der Elementwäscher und Katalysatoren zu verringern. Die Toleranz für C- und N-Kontamination in der SPT-Lösung hängt von der Probe und der späteren Verwendung der Bodenfraktionen ab. Typischerweise wird eine SPT-Lösung mit einem C- und N-Gehalt <1 ppm bzw. <0,1 ppm als geeignet für die Verwendung angesehen, da Lösungen wie diese nur eine minimale Kapazität zur Veränderung der viel größeren C- und N-Pools im Boden aufweisen.
2. Auflösung des Bodens in SPT
- Geben Sie 50 g luftgetrocknete und auf 2 mm gesiebte Erde in ein konisches 250-ml-Zentrifugenröhrchen aus Polypropylen. Notieren Sie die Masse auf mindestens vier signifikante Zahlen. Verwenden Sie keine ofengetrocknete Erde, da dies den löslichen Kohlenstoff aufgrund der hitzeinduzierten Zelllyse erhöhen kann31.
ANMERKUNG: Es kann feuchter Boden31 verwendet werden, es ist jedoch eine weitere Anpassung in den späteren Schritten erforderlich, um die Zieldichte der SPT-Lösung aufrechtzuerhalten. Es wird empfohlen, das Bodenmaterial auf 2 mm zu sieben, um großes Material zu entfernen, das die Fraktionierungsergebnisse verzerren kann, wie z. B. Steine und Holzreste.- Passen Sie die Bodenmasse an, um sicherzustellen, dass eine ausreichende Masse jeder Fraktion gewonnen wird, um signifikante Fehler bei der Quantifizierung zu vermeiden. Der häufigste Grund für eine Massenanpassung ist ein niedriger POM-Gehalt (z. B. <2% der gesamten Bodenmasse). Stellen Sie für solche Böden zusätzliche Bodenmasse bereit, um die POM-Ausbeute genau zu quantifizieren. Insgesamt ist es akzeptabel, die Bodenmasse für jede einzelne Probe anzupassen, da eine Änderung der Probenmasse das Verhältnis von POM zu MAOM nicht verändert. Es ist jedoch oft nützlich, eine gleichmäßige Masse zu verwenden, um das Auswuchten der Zentrifuge zu unterstützen.
- Behandeln Sie karbonatreiche Böden, um anorganische Karbonate vor der Fraktionierung zu entfernen32.
- Geben Sie 50 ml 1,85 g/cm SPT mit einer Dichte von3 in das Zentrifugenröhrchen und setzen Sie den Deckel fest auf. Passen Sie wie bei den Bodenmengen das SPT-Volumen nach Bedarf an. Verwenden Sie in POM-reichen Oberflächenböden (z. B. in vielen gemäßigten Waldböden) ein größeres Verhältnis von Boden zu SPT (z. B. 30 g Boden zu 60 ml SPT), um eine ausreichende Trennung der leichten und schweren Fraktionsmaterialien zu erreichen.
- Schütteln Sie das Röhrchen ~60 s lang kräftig von Hand, um nicht wasserstabile Aggregate aufzubrechen. Die starke Kollision der Bodenaggregate mit den Seitenwänden des Zentrifugenröhrchens ist erwünscht, was bedeutet, dass ein einfaches Wirbeln der Lösung möglicherweise nicht ausreicht.
- Befestigen Sie das Rohr an einem Plattformschüttler. Oft hilft das Aufstellen des Rohrs auf der Seite bei der Bodendispersion, indem es die Schwappkraft der Lösung erhöht und die Stehhöhe der Bodenschicht verringert. Achten Sie darauf, dass das Röhrchen dicht verschlossen ist, und schütteln Sie es 2 h lang bei 40-120 U / min. Entfernen Sie das Röhrchen regelmäßig aus dem Shaker und schütteln Sie es kräftig von Hand, um die Bewegung des dichteren aggregierten Materials zu erhöhen.
3. Durchführung einer groben Bodenfraktionierung
- Entfernen Sie das Röhrchen aus dem Shaker. Gleichen Sie die Massen des Zentrifugenröhrchens aus, indem Sie vorsichtig zusätzliche SPT-Lösung hinzufügen, um eine gleichmäßige Masse über den zu zentrifugierenden Röhrchensatz zu erreichen, und stellen Sie sicher, dass Sie nach Zugabe der SPT-Lösung 30 Sekunden lang kräftig von Hand schütteln. 10 min bei 3.000 x g in einer Schaufelzentrifuge zentrifugieren.
- Testen Sie vor dem Absaugen der Probe die Dichte des Überstands, indem Sie 5 ml der Lösung mit einer Pipette abziehen und die Masse auf einer Waage überprüfen. Passen Sie die SPT-Dichte nach Bedarf an, um die gewünschte Dichte zu erreichen. Schütteln und zentrifugieren Sie erneut, wenn eine Anpassung der Lösungsdichte durchgeführt wurde.
- Befestigen Sie einen 1-Liter-Seitenarmkolben an einer Vakuumpumpe. Setzen Sie einen 110-mm-Glasfaserfilter (0,7 μm Porengröße) in einen Porzellan-Buchner-Trichter mit 12 cm Innendurchmesser (ID) ein. Verschließen Sie den Trichter vorsichtig mit einer konischen Gummidichtung auf dem Seitenarmkolben.
HINWEIS: Die Glasfaserfilter sollten in einem Trockenschrank bei 150 °C vorgewaschen und vor Gebrauch mit DDI gespült werden. - Stellen Sie einen zusätzlichen 1-Liter-Seitenarmkolben auf, der am Staubsauger befestigt ist. Legen Sie einen Gummistopfen in die Oberseite des Kolbens mit einer ~0,5 m überstehenden Länge des Schlauchs, der zum Absaugen angebracht ist.
HINWEIS: Es kann hilfreich sein, eine Kunststoffspitze (z. B. eine 5-ml-Einwegpipettenspitze, deren Ende schräg abgeschnitten ist) am Ende des Aspirationsschlauchs anzubringen, um die Kontrolle der Absaugung während der Aspiration zu verbessern (siehe Abbildung 1). - Saugen Sie den Überstand und das Schwebstoff, das sich in der obersten Schicht der Lösung an den Seiten des Zentrifugenröhrchens abgesetzt hat, vorsichtig ab und achten Sie darauf, die Spitze des Aspirationsröhrchens nicht mit der darunter liegenden pelletierten Bodenoberfläche zu berühren.
HINWEIS: Wenn ein Bodenpelletmaterial (schwere Fraktion) fälschlicherweise zusammen mit dem suspendierten (leichten Fraktions-) Material abgesaugt wird, sollte der Fraktionierungsvorgang wiederholt werden. Wenn ein solcher Fehler unbemerkt bleibt, führt er zu einer schwereren Leichtfraktionsmasse als erwartet mit einem niedrigeren C-Gehalt als erwartet, was durch die Datenanalyse von Proben mit ähnlichen Bodeneigenschaften ersichtlich sein kann.- Um das Aspirationsröhrchen zwischen den Proben zu reinigen, tauchen Sie die Spitze des Röhrchens schnell (z. B. 0,1 s lang eintauchen) in DDI-Wasser und ziehen Sie ~ 5 ml DDI-Wasser bei eingeschalteter Vakuumpumpe durch die Leitung. Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis das gesamte Material aus der Vakuumröhre gespült wurde.
- Entfernen Sie den Gummistopfen und den Aufsatz des Ansaugschlauchs vom Seitenarmkolben und gießen Sie den Inhalt bei eingeschalteter Vakuumpumpe in die Oberseite des Buchner-Trichters.
- Spülen Sie den Kolben mit DDI-Wasser aus, schwenken Sie ihn und gießen Sie den Kolbeninhalt in den Büchner-Trichter. Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis alle an den Seiten des Kolbens haften gebliebenen Rückstände entfernt sind.
- Geben Sie 50 ml SPT in das Zentrifugenröhrchen und schütteln Sie es 60 s lang kräftig von Hand (oder verwenden Sie einen Schütteltisch, wenn sich der Boden nicht schnell verteilt), wobei Sie darauf achten müssen, das harte Pellet am Boden des Röhrchens aufzubrechen, damit alle Rückstände wieder suspendiert sind. 10 min bei 3.000 x g zentrifugieren.
- Wiederholen Sie Schritt 3.5. Gießen Sie den Kolbeninhalt in den gleichen Büchner-Trichter wie in Schritt 3.5.2.
- Geben Sie 50 ml SPT in das Zentrifugenröhrchen und schütteln Sie es kräftig von Hand, wobei Sie darauf achten, dass das harte Pellet am Boden des Röhrchens aufgebrochen wird. 10 min bei 3.000 x g zentrifugieren.
- Wiederholen Sie Schritt 3.5. Gießen Sie den Kolbeninhalt in den gleichen Büchner-Trichter wie in Schritt 3.5.2.
4. Zusätzliche Dichtetrennung(en) unter Verwendung von SPT mit höherer Dichte
HINWEIS: Wenn mehr als eine zusätzliche Dichtefraktion durchgeführt wird, müssen die nachfolgenden Fraktionierungen in der Reihenfolge zunehmender Dichte durchgeführt werden. Hier sind die Schritte zur Isolierung mit 1,85-2,4 g/cm3 und >2,4 g/cm3 SPT mit einer Dichte von 1,85-2,4 g/cm3 dargestellt.
- 50 ml 2,4 g/cm3 SPT in das Zentrifugenröhrchen geben, das das >1,85 g/cm3 Bodenmaterial aus Schritt 3 enthält. Schütteln Sie kräftig von Hand (>60 s) und achten Sie darauf, dass das harte Pellet am Boden des Röhrchens aufgebrochen wird. 10 min bei 3.000 x g zentrifugieren.
- Testen Sie vor dem Absaugen der Probe die Dichte des Überstands, indem Sie 5 ml der Lösung mit einer Pipette abziehen und die Masse auf einer Waage überprüfen. Passen Sie die SPT-Dichte nach Bedarf an, um die gewünschte Dichte zu erreichen. Schütteln und zentrifugieren Sie erneut, wenn eine Anpassung der Lösungsdichte durchgeführt wurde.
- Wiederholen Sie Schritt 3 miteiner 2,4 g/cm3 SPT-Lösung anstelle der zuvor verwendeten 1,85 g/cm3 SPT-Lösung. Am Ende von Schritt 3 hat das im Buchner-Trichter isolierte Material eine Dichte zwischen 1,85 und 2,4 g/cm3, während das im Zentrifugenröhrchen verbleibende Material eine Dichte >2,4 g/cm3 aufweist.
5. Waschen des SPT von den Proben der schweren und leichten Fraktion
HINWEIS: Die folgenden Waschschritte müssen für das gesamte fraktionierte Material durchgeführt werden. Wenn die SPT-Lösung nicht vollständig aus dem Material gespült wird, sind die entsprechenden Fraktionsgewichte ungenau.
- Geben Sie 50 ml DDI-Wasser in das Zentrifugenröhrchen mit dem Schwerfraktionsmaterial und schütteln Sie es kräftig von Hand (60 s), wobei Sie darauf achten, dass das harte Pellet am Boden des Röhrchens aufgebrochen wird. 10 min bei 3.000 x g zentrifugieren.
- Absaugen wie in Schritt 3.5. Zu diesem Zeitpunkt sollte das gesamte Material der leichten Fraktion entfernt worden sein. Entsorgen Sie das klare Aspirat in einem Abfalleimer, anstatt es in den Filtertrichter zu geben.
- Wiederholen Sie die Schritte 5.1-5.2 zweimal. Bevor Sie die Lösung endgültig im Röhrchen absaugen, verwenden Sie eine Transferpipette, um 25 ml des Überstands abzuziehen, und überprüfen Sie die Dichte, indem Sie das Lösungsgewicht durch das Volumen dividieren, um sicherzustellen, dass der SPT ausreichend aus der Probe entfernt wurde. Wenn die Dichte <1,01 g/ml beträgt, fahren Sie mit dem nächsten Schritt fort. Wenn die Dichte 1,01 g/ml oder mehr beträgt, führen Sie zusätzliche Wasserwäschen wie oben beschrieben durch, bis die Dichte weniger als 1,01 g/ml beträgt.
- Um die vollständige Entfernung des SPT aus der leichten Fraktion zu gewährleisten, füllen Sie jeden Buchner-Trichter mit DDI-Wasser und filtern Sie den Inhalt durch Glasfaserfilter. Sobald das Wasser vollständig durchgesickert ist, wiederholen Sie dies noch zweimal. Wenn der Boden reich an organischen Stoffen ist, kann die Filtration bis zu 48 Stunden dauern.
6. Sammlung des Schwerfraktionsmaterials
- Kratzen Sie den Boden vorsichtig aus dem Zentrifugenröhrchen in ein sauberes, beschriftetes Becherglas oder Glas. Gießen Sie genügend DDI-Wasser in das Röhrchen, um den restlichen Boden zu lockern. Setzen Sie die Kappe wieder auf, schütteln Sie sie und geben Sie dann die Aufschlämmung in den Glasbehälter. Spülen Sie den gesamten restlichen Schmutz aus dem Zentrifugenröhrchen und geben Sie ihn mit deionisiertem Wasser in den Glasbehälter.
- Stellen Sie den Glasbehälter in einen Trockenofen zwischen 40-60 °C. Trocknen, bis ein konstantes Trockengewicht erreicht ist, typischerweise für 24-72 h.
7. Sammlung des Lichtfraktionsmaterials
- Schalten Sie die Vakuumpumpe aus und entfernen Sie den Trichter aus dem Seitenarmkolben. Halten Sie den Trichter horizontal über ein beschriftetes Becherglas oder ein Glas und spülen Sie die Partikel vorsichtig mit einer DDI-Wasserwaschflasche aus dem Filter.
HINWEIS: Es kann erforderlich sein, den Filter vorsichtig mit einem Spatel abzukratzen und beide Seiten des Filters zu spülen, um alle Rückstände zu entfernen. - Stellen Sie den Glasbehälter auf 40-60 °C in den Trockenofen. Trocknen, bis ein konstantes Trockengewicht erreicht ist, typischerweise für 24-72 h.
8. Wiegen der Trockenmasse des fraktionierten Materials
- Kratzen Sie vorsichtig das gesamte getrocknete Material aus jedem Behälter in ein Plastikwaagenboot. Notieren Sie die Masse bis zur vierten Dezimalstelle. Legen Sie die Probe in ein beschriftetes Aufbewahrungsfläschchen oder einen beschrifteten Aufbewahrungsbeutel.
- Wiederholen Sie den Vorgang für alle getrockneten Proben.
9. Datenerhebung und -analyse für den gesamten organischen Kohlenstoff
- Befolgen Sie die Analyseverfahren gemäß dem Gerät, das für die Analyse des elementaren C-Gehalts verwendet werden soll (z. B. ISO 10694:1995).
HINWEIS: Das Mahlen des getrockneten Fraktionsmaterials zu einem feinen Pulver ist eine gängige Praxis, um die Homogenität der fraktionierten Probe vor der Elementaranalyse sicherzustellen. - Stellen Sie sicher, dass die kumulative Masse aller Fraktionen mindestens ~90% der ursprünglichen Bodenprobenmasse entspricht. Wenn die Materialverluste >10 % betragen, werden zusätzliche Replikatfraktionierungen empfohlen.
- Quantifizierung der kumulativen Rückgewinnung von organischem Kohlenstoff (SOC) im Boden in den Fraktionen. SOC-Verluste korrelieren möglicherweise nicht perfekt mit dem Massenverlust aufgrund des unverhältnismäßigen Verlusts an Fraktionsmaterial und des Verlusts an gelöstem organischem Kohlenstoff. Die SOC-Verluste sollten jedoch auch <10 % des ursprünglichen SOC in der Bodenprobe betragen.
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Representative Results
Die Bodendichtefraktionierung ist ideal geeignet, um zu untersuchen, wie sich Böden in ihrem Gehalt an partikulärer und mineralischer organischer Substanz unterscheiden. Die Aufteilung des SOC in diese beiden unterschiedlichen Pools bietet eine Möglichkeit, die Veränderungen des C-Gehalts und der Stabilisierungsdynamik des Bodens aufzuklären, die sonst bei der Beobachtung von Trends im C-Gehalt des Bodens unklar sein könnten. Die weitere Trennung des schweren Materials (Dichte >1,85 g/cm3) gibt zusätzliche Einblicke in die Veränderungen und Trends der Boden-C-Stabilisierung, erhöht jedoch die Komplexität des Verfahrens und der damit verbundenen Interpretation und ist mit zusätzlichen Kosten verbunden. Nichtsdestotrotz kann die Fraktionierung des Bodens in drei oder mehr Dichtebecken komplexe Trends und chemische Unterschiede in Boden-C-Becken aufklären. Wie bei jedem Bodenfraktionierungsverfahren ist die Trennung dieser Boden-C-Pools unvollkommen, und der potenzielle Einfluss solcher Fehler und die Annahmen der Methode sollten bei der Berichterstattung über die Ergebnisse berücksichtigt werden. Schließlich sollten sich Praktiker der Vielfalt der vorhandenen Bodenfraktionierungsmethoden und ihrer einzigartigen Stärken und Schwächen bewusst sein (siehe Übersichten und Vergleiche von Lützow et al.9 und Poeplau et al.10). Viele dieser Bodenfraktionierungsmethoden schließen sich nicht gegenseitig aus und können geeignet kombiniert werden, um Analysen der Boden-C-Dynamik zu verbessern oder zu validieren.
Die Wahl der Anzahl der zu verwendenden Dichtefraktionen ist der entscheidende erste Schritt vor Beginn des Fraktionierungsverfahrens. Während mehrere Pools immer mathematisch kombiniert werden können, um eine einzelne leichte und eine einzelne schwere Fraktion zu erzeugen, um die Ergebnisse mit anderen Studien zu vergleichen, erhöht die Fraktionierung der schweren Fraktion in mehr als einen Pool erheblichen Zeit- und Kostenaufwand. Pierson et al.33 quantifizierten die Veränderung des SOC in drei Dichtepools nach einer Langzeit-Detrital-Manipulationsstudie. Bei der Kombination der beiden schwereren Pools (Abbildung 2) unterschieden sich die Wirkungen der Detritalbehandlungen zwischen den leichten (<1,85 g/cm3) und schweren (>1,85 g/cm3) Fraktionen, insbesondere im Verhältnis zu den Effekten, die durch den Massen-SOC-Gehalt beobachtet wurden. Durch die Durchführung der zusätzlichen Dichtefraktionierung bei 2,40 g/cm3 (Abbildung 3) konnte weiter festgestellt werden, dass die Behandlungseffekte auf MAOM überwiegend auf das Material mit höherer Dichte (>2,4 g/cm3) beschränkt waren. Schließlich stellt der berichtete C:N-Gehalt des Schüttbodens im Verhältnis zu den dichtefraktionierten Becken (Abbildung 4) eine klare Demonstration der Wirksamkeit der Dichtefraktionierungsmethode zur Trennung von pflanzlichem Partikelmaterial von mineralischen Stoffen mit relativ niedrigem C:N-Gehalt dar.
Nach 50 Jahren detritaler Manipulationen verwendeten Lajtha et al.22 sechs sequentielle Dichtefraktionierungen, um die detritalen Einflüsse auf die SOC-Stabilisierung und -Destabilisierung genau zu untersuchen (Abbildung 5). Durch die Isolierung von sieben SOC-Pools konnten die Autoren eine größere Nuance in der POM- und MAOM-Reaktion nach der Hinzufügung und Entfernung von Streu beobachten. Pools mit Dichten <2,20 g/cm3 reagierten besser auf die Behandlung, was mit der langjährigen Erwartung eines positiven Zusammenhangs zwischen Streueintrag und SOC-Akkumulation übereinstimmt. Die Reaktion von SOC-Pools mit Dichten >2,20 g/cm3 war jedoch weniger ausgeprägt, und speziell für die Abfallentfernungsbehandlung wurde eine entgegengesetzte, negative Beziehung zwischen den Inputs und dem SOC festgestellt (d. h. die Inputs wurden reduziert, aber der SOC-Gehalt der Fraktion nahm zu). Durch die Durchführung nachfolgender Analysen von 14C wurden die Beiträge und Verluste neuerer C-Inputs für jeden Pool ermittelt, was einen mechanistischen Einblick in die detritale Kontrolle der Formations- und Destabilisierungswege für MAOM lieferte.
Die Kombination der Isotopenanalyse mit der sequentiellen Dichtefraktionierung bietet zusätzliche Möglichkeiten, die Feinheiten der SOM-Dynamik zu untersuchen. Die Forscher sollten jedoch darauf achten, den Einfluss der Mineralogie auf die Ergebnisse der Dichtefraktionierung zu berücksichtigen. Die einzigartige Mineralstruktur und -reaktivität verursachen inhärente Unterschiede in der Partikeldichteverteilung zwischen den Mineralien. Als Beispiel untersuchten Sollins et al.18 die isotopischen und chemischen Eigenschaften von Pools mit mehreren Dichten in vier bewaldeten Böden mit unterschiedlichen Ausgangsmaterialien und Morphologien (Abbildung 6). Die kontrastierende Mineralogie zwischen den vier Böden trug stark zu den beobachteten Unterschieden in 13C, 14C und 15N für jede Dichtefraktion bei. Ohne die Berücksichtigung der Mineralogie können solche Ergebnisse in Bezug auf die SOC-Bildung und die Stabilisierungsdynamik falsch interpretiert werden. Um auf die Praktikabilität der Durchführung zusätzlicher Dichtetrennungen zurückzukommen: Sollins et al.18 gewannen aus der Analyse von sechs Dichtepools im Gegensatz zu nur drei nur wenige zusätzliche Informationen (Abbildung 6).
Helbling et al.31 bestimmten den Einfluss der Saisonalität auf den Lichtanteilsgehalt von bewaldeten Böden sowie den Einfluss der Bodentrocknungsbehandlung auf den Verlust von C in den löslichen Pool (Abbildung 7). Aus dieser Arbeit ergaben sich zwei wichtige Ergebnisse. Erstens, während das Trocknen des Bodens im Ofen einen signifikant größeren Verlust an gelöstem organischem C an die SPT-Lösung ergab, war die Menge an C, die verloren ging, unbedeutend. Zweitens schien es keine Saisonalität für den Leichtfraktions-C-Pool zu geben, was bedeutet, dass der Zeitpunkt der Bodenprobenentnahme die Fraktionierungsergebnisse nicht beeinflusste. Es ist jedoch zu erwarten, dass die Ergebnisse je nach Boden und Umwelt unterschiedlich sind, da die POM-Bestände und die Zersetzungsraten unterschiedlich sind.
Abbildung 1: Absaugvorrichtung für leichte Fraktionen. Schematische Darstellung der Vakuumvorrichtung zur Absaugung der leichten Fraktion. *Parafilm kann verwendet werden, um die Verbindung zwischen der Pipettenspitze und der Vakuumröhre zu sichern und abzudichten. **Das schräge Schneiden der Pipettenspitze kann nützlich sein, um die Spitzenöffnung zu vergrößern und die Seitenwände des Zentrifugenröhrchens dicht anzusaugen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 2: Vergleich des Kohlenstoffgehalts für Schütt-, Leicht- und Schwerfraktionsböden . Der Boden wurde nach 20 Jahren Behandlung von den Detrital Input and Removal Treatment (DIRT) Parzellen im H.J. Andrews Experimental Forest gesammelt (n = 3). Das mineralassoziierte C für die Wurzelentfernungsbehandlungen (NR, NI) war signifikant erhöht, im Gegensatz zu den beobachteten Effekten auf den C-Gehalt. Ferner zeigen die fraktionierten Ergebnisse, dass der Anstieg des Volumens C aus der Doppelholzbehandlung (DW) auf einen Anstieg des Lichtanteils C zurückzuführen ist. Die Fehlerbalken stellen den Standardfehler dar. Diese Zahl wurde gegenüber Pierson et al.33 modifiziert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 3: Vergleich der mittleren und schweren Fraktionsbecken. Der Boden wurde nach 20 Jahren Behandlung von den Detrital Input and Removal Treatment (DIRT) Parzellen im H.J. Andrews Experimental Forest gesammelt (n = 3). Die Ergebnisse belegen die Ergebnisse der Isolierung einer Zwischenfraktion (1,85-2,40 g/cm3) und einer schwereren Fraktion (>2,40 g/cm3). Der Gehalt an intermediärer Fraktion C zeigte eine größere Variabilität, und es waren keine Behandlungseffekte signifikant. Die Fehlerbalken stellen den Standardfehler dar. Diese Zahl wurde gegenüber Pierson et al.33 modifiziert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 4: Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnisse für Böden mit Schüttgut, Leicht- und Schwerfraktion. Der Boden wurde nach 20 Jahren Behandlung von den Detrital Input and Removal Treatment (DIRT) Parzellen im H.J. Andrews Experimental Forest gesammelt (n = 3). Angesichts des hohen C:N-Gehalts von Pflanzengewebe im Vergleich zu Bodenmineralien zeigt der beobachtete Unterschied im C:N-Gehalt zwischen den leichten und schweren Fraktionen deutlich die Fähigkeit der Bodendichtefraktionierung, partikuläres organisches Material aus dem Boden zu trennen. Die Fehlerbalken stellen den Standardfehler dar. Diese Zahl wurde gegenüber Pierson et al.33 modifiziert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 5: Sequentielle Dichtefraktionierung des Bodens nach 50 Jahren detritaler Manipulationen (n = 4). Die Aufteilung des Bodens in sieben Dichtefraktionen gab Aufschluss über die Art der C-Belastung von Bodenmineralien. Die Behandlung mit doppelter Einstreu, die den Boden C erhöhte, führte zu einer C-Belastung des Mineralmaterials in der Fraktion 2,00-2,40 g/cm3 , wie die Änderung der Fraktion C-Konzentrationen im Vergleich zur Kontrolle zeigt. Die Verluste an Boden C durch die Nicht-Streubehandlung waren in den Bodenfraktionen mit Dichten zwischen 1,85-2,20 g/cm3 am größten. Die Fehlerbalken stellen den Standardfehler dar. Diese Zahl wurde gegenüber Lajtha et al.22 modifiziert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 6: Auswirkungen der Mineralogie auf Bodendichtebecken. Böden mit einzigartiger Morphologie wurden an vier bewaldeten Standorten gesammelt. Die Isotopenanalyse zeigt, wie die Bodenmineralogie die biogeochemischen Eigenschaften von Bodendichtebecken beeinflussen kann. Darüber hinaus erfasste in diesem Fall die Analyse von drei Dichtepools im Gegensatz zu sechs oder mehr weitgehend die Trends innerhalb und zwischen den verschiedenen Isotopensignaturen. Diese Zahl wurde gegenüber Sollins et al.18 modifiziert. Die ursprünglichen Daten und Diagramme werden in der Spalte mit mehr als sechs Pools angezeigt. Die Daten wurden neu berechnet und angezeigt, um die Ergebnisse für nur drei Pools zu demonstrieren. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 7: Auswirkungen der Probenentnahme und -aufbereitung auf die Fraktionierung der Bodendichte. Helbling et al.31 fanden heraus, dass ofengetrocknete Böden im Vergleich zu luftgetrockneten, feldfeuchten und ausgelaugten Böden oft mehr gelösten organischen Kohlenstoff liefern. Über die Probenahmesaisons hinweg unterschied sich das Verhältnis der leichten zu schweren Fraktionsmasse nicht signifikant. Diese Zahl wurde gegenüber Helbling et al.31 modifiziert. Die Fehlerbalken stellen den Standardfehler dar. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
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Discussion
Während des gesamten Protokolls zur Fraktionierung der Bodendichte gibt es einige spezifische Verfahren, die genau überwacht werden müssen, um Fehler bei der Trennung und Analyse der Bodenfraktionen zu reduzieren. Ein kritischer Schritt bei der Fraktionierung der Bodendichte besteht darin, die Dichte der SPT-Lösung wiederholt zu überprüfen. Feuchtigkeit in der Bodenprobe verdünnt oft die SPT-Lösung, wodurch die Dichte der SPT verringert wird. Daher muss der Forscher immer sicherstellen, dass nach der Zentrifugation eine vollständige Trennung der leichten und schweren Lösungen erreicht wurde. Wenn sich die Fraktionen nicht ausreichend trennen, sollte mehr von der SPT-Lösung hinzugefügt oder die Masse des Bodens reduziert werden. Sandige Böden trennen sich schnell, während fein strukturierte Böden, wie insbesondere Oxisole, während der Zentrifugation aufgrund einer hohen Schwebefracht an feinen Partikeln lange trüb bleiben können. Wenn die Lösungen nach der Zentrifugation trüb erscheinen, sollte entweder die Zentrifugationszeit oder die Zentrifugationsgeschwindigkeit erhöht werden. Alternativ kann eine Abschätzung des C-Verlustes aus dem Schwebstoff durch Analyse des C-Gehalts der angesaugten Lösung bestimmt werden.
Die Bestimmung der Qualität von Natriumpolywolframat (SPT) hängt von den Analysen ab, die nach der Fraktionierung durchgeführt werden. Kramer et al.34 fanden heraus, dass kommerzielles SPT mit hohem 15N-Ammonium angereichert sein kann und somit die 15N-Signatur von Bodenfraktionen signifikant verändern kann. Daher sollte eine hochreine SPT (z. B. SPT-0) verwendet werden, um eine minimale C- und N-Kontamination für Studien zu gewährleisten, in denen die Isotopensignaturen von Böden gemessen werden. SPT mit einem um eine Stufe niedrigeren Reinheitsgrad (z. B. SPT-1) hat jedoch oft eine minimale N- und C-Anreicherung und ist kostengünstiger, was eine wirtschaftlichere Option darstellt, wenn Isotope nicht gemessen werden.
Um signifikante Fehler zu vermeiden, muss darauf geachtet werden, den gesamten Lichtanteil aus der Lösung zu entfernen, der während der Aspiration häufig an den Seitenwänden der Zentrifugenröhrchen und bei den nachfolgenden Filtrationsschritten am Trichter haften bleibt. Überschüssige leichte Fraktion, die im Material der schweren Fraktion verbleibt, führt zu einer niedrigen Schätzung der leichten Fraktion C, während gleichzeitig der C-Gehalt der schweren Fraktion überschätzt wird. Eine genaue Untersuchung der endgültigen Daten kann helfen, solche Fehler bei der Fraktionierung einer Reihe von Proben mit ähnlichen Bodeneigenschaften zu identifizieren.
Der Verlust von gelöstem organischem Kohlenstoff (DOC) an die Lösung ist in der Regel gering, in der Regel <5 % des gesamten Boden-C, und kann nicht vermieden werden (Abbildung 7)31. Die DOC-Verluste können jedoch weitaus größer sein, wenn Böden mit hochlöslichen C-Pools fraktioniert werden, wie sie in einigen Wüstenumgebungen vorkommen35. In solchen Fällen sollte auch der wasserextrahierbare DOC-Pool quantifiziert werden. Typischerweise sind Fehler, die sich aus dem Verlust der Bodenmasse, insbesondere der leichten Fraktion, ergeben, weitaus größer als die Fehler, die durch den DOC-Verlust verursacht werden.
Die Adsorption von Polywolframat an der Bodenprobe ist eine chemische Möglichkeit, und das Ausmaß, in dem ein solcher chemischer Austausch stattfindet, ist derzeit unbekannt. Darüber hinaus wird erwartet, dass die Bindungsaffinität von Polywolframat in Böden mit unterschiedlichen chemischen Eigenschaften variiert. Gegenwärtig bietet die Korrelation zwischen Bodenmassenverlust und SOC-Verlust am Ende des Verfahrens eine einfache und logistisch machbare Form der Sicherheit, dass alle Massengewinne aus dem Polywolframataustausch für die Quantifizierung des SOC im fraktionierten Material vernachlässigbar sind. Wenn die kumulative Masse der Bodenfraktion größer ist als die ursprüngliche Probenmasse oder wenn die Massenverluste deutlich geringer sind als die SOC-Verluste, können die Proben das Polywolframat absorbieren. Zuerst sollten zusätzliche Waschschritte durchgeführt werden, um zu versuchen, ein solches Problem zu beheben. Wenn die Absorption von Polywolframat im fraktionierten Material anhält, kann eine zusätzliche Elementaranalyse erforderlich sein, um einen Anstieg des Wolframgehalts des fraktionierten Materials zu überprüfen und zu korrigieren. Insbesondere sind solche Probleme, bei denen das Polywolframat nicht aus dem Bodenmaterial ausgespült werden kann, ungewöhnlich.
Obwohl die Dichtefraktionierung die freien Partikel (POM) ideal von der mineralassoziierten organischen Substanz (MAOM) trennt, erschwert das Vorhandensein wasserstabiler Aggregate die Interpretation der Ergebnisse der Dichtefraktionierung. Schluff und Ton können starke Assoziationen bilden und sich mit organischer Substanz verbinden, und Bodenbiota, Wurzeln und Pilzhyphen können Makroaggregate bilden, die organische Verbindungen vor mikrobieller Zersetzung schützen. Diese durch Aggregate geschützte organische Substanz, die oft als okkludierte organische Substanz bezeichnet wird, ist keine MAOM, sondern wird in der schweren Fraktion (d. h. >1,85 g/cm3) zurückgewonnen. Die Einbeziehung von okkludiertem POM hat wahrscheinlich den größten Einfluss auf die Ergebnisse und die Interpretation der Fraktionen mit mittlerer Dichte. Während Fraktionen mit einer Dichte von mehr als ~2,40 g/cm3 wahrscheinlich organisch arme Mineralien ohne okkludiertes organisches Material enthalten und Material mit einer Dichte von weniger als 1,85 g/cm3 als mineralfreie organische Substanz angenommen wird, können Zwischenfraktionen Mischungen aus organisch reichen Schwermineralien, Aggregaten und organisch armen leichten Mineralien sein. Bisher hat sich kein gemeinsamer Konsens oder eine durchdringende Methode für die Interpretation von Unterschieden in C im Zwischenfraktionsmaterial herausgebildet. Bei der Berichterstattung über solche Informationen empfehlen wir, den möglichen Einfluss von okkludiertem organischem Material und Mineralogie auf die Ergebnisse zu berücksichtigen.
Verschiedene chemische und physikalische Techniken wurden eingesetzt, um Aggregate zu dispergieren, um die Freisetzung von okkludiertem POM zu erleichtern, wobei Ultraschallenergie die am häufigsten verwendete Methode darstellt. Leider gibt es kein einziges Beschallungsenergieniveau, das eine vollständige Dispersion über alle Aggregate hinweg verursachen kann, da die Aggregatfestigkeit und die Bindungsmechanismen sowohl über die Bodentypen als auch über die Aggregatgrößenklassen36 sehr unterschiedlich sind. Amelung und Zech36 fanden heraus, dass Mikroaggregate (20-250 μm) mehr Ultraschallenergie benötigten, um sich zu dispergieren als größere Makroaggregate, fanden aber auch heraus, dass partikuläres organisches Material bei diesen höheren Energien abgebaut wurde. Darüber hinaus liefert die sequentielle Beschallung mit zunehmender Intensität weiterhin freie okkludierte organische Substanz37, was wiederum darauf hindeutet, dass es keinen einzigen Pool okkludierter organischer Substanz gibt und dass bei höheren Beschallungsniveaus ein Großteil des abgetrennten Lichtfraktionsmaterials ein kolloidales Artefakt sein könnte. Kaiser und Guggenberger30 zeigten auch das Potenzial der Beschallung, die Dichteverteilung der Mischungen der leichten Fraktion organischer Substanz mit verschiedenen Mineralien zu verändern. Während die Einbeziehung von Ultraschall-Dispergiertechniken während oder nach der Bodendichtefraktionierung einzigartige Möglichkeiten bietet, SOM-Pools zu dispergieren und zu isolieren, rechtfertigen diese Studien die Berücksichtigung der Dispersionswirksamkeit und der Zerstörung der POM- und Mineralstrukturen.
Die am weitesten verbreitete alternative Methode zur Trennung von Boden C in leicht messbare Becken ist die Größenfraktionierung. Die Größenfraktionierung ist im Vergleich zur Dichtefraktionierung schnell und kostengünstig und kann angesichts der Korrelation zwischen Tongehalt und MAOM ähnliche Einblicke in die SOM-Dynamik liefern. In der Tat fanden Poeplau et al.10 keinen signifikanten Unterschied in den SOM-Umsatzraten für C-Pools, die nach Größe und Dichtefraktionierung über drei verschiedene Böden getrennt sind. Partikel organisches Material (POM) mit einer Größe, die gleich oder kleiner als Ton ist, ist jedoch üblich, was bedeutet, dass Größenfraktionierungsmethoden allein nicht in der Lage sind, POM genau von MAOM zu trennen. Die Beimischung von POM in Feingrößenfraktionen kann daher in bestimmten Böden mit einem erheblichen Anteil an Feinstaub zu Fehlern in der elementaren und organisch-chemischen Analyse führen15. Wenn es notwendig ist, den C-Gehalt von mineralischem Material bei einer bestimmten Partikelgröße (z. B. Sand, Schluff, Ton) zu quantifizieren, können die beiden Methoden kombiniert werden, indem eine einzige Dichtefraktionierung gefolgt von der Größenfraktionierung des Schwerfraktionsmaterials durchgeführt wird.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts zu offenbaren.
Acknowledgments
Für diese Arbeit wurde Unterstützung durch die National Science Foundation Grants DEB-1257032 an K.L. und DEB-1440409 an das H. J. Andrews Long Term Ecological Research Program bereitgestellt.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Aspirator/vacuum tubing 1/4 x 1/2" | Kimble | 10847-216 | |
| Conical polypropylene centrifuge tube, 250mL | Thermo Scientific | 376814 | |
| Conical rubber gasket for filtering flasks | DWK Life Sciences | 292020001 | |
| Double flat ended stainless steel spatula/scraper | Fisher Scientific | 14-373-25A | |
| Glass fiber filter, grade GF/F, 110 mm | Whatman | WHA1825110 | |
| Glass mason jar, 16 oz | Ball Corporation | 500 ml beaker or glass weigh dish are also suitable | |
| Polypropylene conical bottle adapter, 250mL | Beckman Coulter | 369385 | |
| Porcelain buchner funnel, 90mm | FisherBrand | FB966F | |
| Reciprocating shaker, 2-speed | Eberbach | E6000.00 | |
| Sidearm flask, 1000mL | VWR | 89000-386 | |
| Sodium Polytungstate, crystalline | Sometu | SPT-0 or SPT-1, see Discussion for SPT choice | Shipping via FedEx from Germany |
| Swinging bucket centrifuge | Beckman Coulter | 3362020 |
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