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Utilisation du fractionnement de la densité du sol pour séparer les réservoirs de carbone distincts du sol

Published: December 16, 2022 doi: 10.3791/64759
Automatic Translation
*1,2, *1, *1, *1
1Department of Crop and Soil Sciences, Oregon State University, 2USDA Forest Service
* These authors contributed equally

Summary

Le fractionnement de la densité du sol sépare la matière organique du sol en bassins distincts avec des mécanismes de stabilisation, des chimies et des temps de renouvellement différents. Les solutions de polytungstate de sodium avec des densités spécifiques permettent la séparation de la matière organique particulaire libre et de la matière organique associée aux minéraux, ce qui donne des fractions de matière organique appropriées pour décrire la réponse du sol à la gestion et au changement climatique.

Abstract

La matière organique du sol (SOM) est un mélange complexe de différents composés qui vont des composants végétaux libres et partiellement dégradés aux composés plus modifiés sur le plan microbien conservés dans les agrégats du sol en passant par les sous-produits microbiens hautement transformés avec de fortes associations avec les minéraux réactifs du sol. Les pédologues ont eu du mal à trouver des moyens de séparer le sol en fractions facilement mesurables et utiles pour la modélisation du carbone (C) du sol. Le fractionnement du sol en fonction de la densité est de plus en plus utilisé, et il est facile à réaliser et donne des pools C en fonction du degré d’association entre le SOM et différents minéraux; ainsi, le fractionnement de la densité du sol peut aider à caractériser le SOM et à identifier les mécanismes de stabilisation du SOM. Cependant, les protocoles de fractionnement de la densité du sol rapportés varient considérablement, ce qui rend les résultats de différentes études et écosystèmes difficiles à comparer. Ici, nous décrivons une procédure robuste de fractionnement de densité qui sépare les matières organiques associées aux particules et aux minéraux et expliquons les avantages et les inconvénients de la séparation du sol en deux, trois ou plusieurs fractions de densité. Ces fractions diffèrent souvent par leur composition chimique et minérale, leur temps de renouvellement et leur degré de traitement microbien, ainsi que par leur degré de stabilisation minérale.

Introduction

Le sol est la plus grande réserve de carbone terrestre (C), contenant plus de 1 500 Pg de C dans le top 1 m et presque le double de cette quantité dans les niveaux plus profonds à l’échelle mondiale, ce qui signifie que le sol contient plus de C que la biomasse végétale et l’atmosphère combinées1. La matière organique du sol (SOM) retient l’eau et les nutriments du sol et est essentielle à la productivité des plantes et au fonctionnement de l’écosystème terrestre. Malgré la reconnaissance mondiale de l’importance de stocks de MOS adéquats pour la santé des sols et la productivité agricole, les stocks de carbone dans le sol ont été considérablement épuisés en raison de la gestion non durable des forêts et de l’agriculture, des changements du paysage et du réchauffement climatique 2,3. L’intérêt accru pour la restauration de la santé des sols et l’utilisation de la rétention du carbone dans le sol en tant qu’acteur clé dans les solutions climatiques naturelles a conduit à des efforts pour comprendre les facteurs qui contrôlent la séquestration et la stabilisation du carbone dans divers environnements 4,5.

La matière organique du sol (SOM) est un mélange complexe de différents composés qui vont des composants végétaux libres et partiellement dégradés aux composés plus modifiés sur le plan microbien conservés dans les agrégats du sol (définis ici comme un matériau formé par la combinaison d’unités ou d’éléments distincts) en passant par les sous-produits microbiens hautement transformés fortement associés aux minéraux réactifs du sol6 . Dans les cas où il n’est pas pratique d’identifier l’ensemble des composés individuels dans le SOM, les chercheurs se concentrent souvent sur l’identification d’un plus petit nombre de réservoirs fonctionnels de C qui existent en tant que réalités physiques et qui varient selon les taux de rotation, la composition chimique générale et le degré de stabilisation avec les composants minéraux du sol1, 7. Pour que les bassins puissent être interprétés et modélisés de manière critique, il est essentiel que les bassins séparés soient peu nombreux, directement mesurables plutôt que simplement théoriques et présentent des différences claires dans la composition et la réactivité8.

De nombreuses techniques différentes, à la fois chimiques et physiques, ont été utilisées pour isoler des mares significatives de C dans le sol, et celles-ci sont bien résumées par von Lützow et al.9 et Poeplau et al.10. Les techniques d’extraction chimique visent à isoler des pools spécifiques, tels que C associé à Fe et Al11 peu cristallins ou cristallins. Des solvants organiques ont été utilisés pour extraire des composés spécifiques tels que les lipides12, et l’hydrolyse ou l’oxydation du SOM a été utilisée comme mesure d’un pool labile deC13,14. Cependant, aucune de ces méthodes d’extraction ne catégorise tous les pools de C en fractions mesurables ou modélisables. Le fractionnement physique du sol classe tout le C du sol en bassins en fonction de leur taille et suppose que la décomposition des débris végétaux entraîne une fragmentation et des particules de plus en plus petites. Bien que la taille seule ne puisse pas séparer les débris végétaux libres des SOM15 associés aux minéraux, la quantification de ces deux bassins est essentielle pour comprendre la stabilisation du carbone dans le sol en raison des différences spatiales, physiques et biogéochimiques communes dans la formation et le renouvellement16.

Le fractionnement du C du sol en fonction de la densité est de plus en plus utilisé, et il est facile à réaliser et identifie différents réservoirs de C en fonction du degré d’association avec différents minéraux17,18,19; ainsi, le fractionnement de la densité du sol peut aider à élucider différents mécanismes de stabilisation du carbone du sol. La principale exigence pour que le sol soit fractionné est la capacité de disperser complètement les particules organiques et minérales. Une fois dispersée, la matière organique dégradée qui est relativement exempte de minéraux flotte dans des solutions plus légères que ~ 1,85 g / cm 3, tandis que les minéraux tombent généralement dans la gamme de 2-4,5 g / cm 3, bien que les oxydes de fer puissent avoir des densités allant jusqu’à 5,3 g / cm3. La fraction particulaire légère ou libre a tendance à avoir un temps de renouvellement plus court (sauf en cas de contamination importante par le charbon de bois) et s’est avérée très sensible à la culture et à d’autres perturbations. La fraction lourde (>1,85 g/cm3) ou associée aux minéraux a souvent un temps de renouvellement plus long en raison de la résistance à la décomposition microbienne acquise lorsque les molécules organiques se lient aux surfaces minérales réactives. Cependant, la fraction lourde peut saturer (c’est-à-dire atteindre une limite supérieure pour la capacité de complexation minérale), tandis que la fraction légère peut théoriquement s’accumuler presque indéfiniment. Ainsi, la compréhension de la répartition physique de la matière organique dans les réserves de matière organique associée aux minéraux par rapport à la matière organique particulaire aide à élucider quels écosystèmes peuvent être gérés pour une séquestration efficace du carbone et comment différents systèmes réagiront au changement climatique et à l’évolution des modèles de perturbation anthropique20.

Alors que l’utilisation du fractionnement de densité à l’aide de solutions de polytungstate de sodium à différentes densités a considérablement augmenté au cours de la dernière décennie, les techniques et les protocoles varient considérablement, ce qui rend les résultats de différentes études et de différents écosystèmes difficiles à comparer. Bien qu’il ait été démontré qu’une densité de 1,85 g/cm3 permet de récupérer la plus grande quantité de fraction de lumière libre avec une inclusion minimale de matière organique associée aux minéraux (MAOM)17, de nombreuses études ont utilisé des densités allant de 1,65 à 2,0 g/cm3. Alors que la plupart des études ont fractionné les sols en seulement deux bassins (une fraction légère et une fraction lourde, ci-après LF et HF), d’autres études ont utilisé des densités multiples pour affiner davantage la fraction lourde en bassins qui diffèrent par les minéraux auxquels ils sont associés, le rapport relatif des minéraux au revêtement organique ou le degré d’agrégation (p. ex., Sollins et coll.17, Sollins et coll.18, Hatton et coll.21, Lajtha et coll.22, Yeasmin et coll.23, Wagai et coll.24, Volk et coll.25). De plus, des procédures de fractionnement plus complexes ont été suggérées qui combinent à la fois la séparation de la taille et de la densité, ce qui donne un plus grand nombre de bassins (p. ex. Yonekura et al.26, Virto et al.27, Moni et al.15, Poeplau et al.10), mais aussi une plus grande marge d’erreur, tant dans la méthodologie que par rapport à la taille du bassin. En outre, les auteurs ont également utilisé la sonication à des intensités et des moments variés dans le but de disperser les agrégats et MAOM des surfaces minérales28,29,30.

Ici, nous décrivons une procédure robuste de fractionnement de densité qui identifie, d’abord, deux réservoirs uniques de carbone du sol (LF et HF, ou POM et MAOM), et nous proposons à la fois les techniques et les arguments pour séparer davantage le pool HF en fractions supplémentaires qui diffèrent en fonction de leur minéralogie, de leur degré de revêtement organique ou de leur agrégation. Il a été démontré que les fractions identifiées ici diffèrent en termes de composition chimique, de temps de rotation, de degré de traitement microbien et de degré de stabilisation minérale18,19.

La procédure suivante sépare le sol en vrac en matière organique particulaire (POM) et en matière organique associée aux minéraux (MAOM) en mélangeant une quantité connue de sol dans une solution avec une densité spécifique. L’efficacité de la procédure est mesurée par la récupération combinée de la masse du sol et du carbone par rapport à la masse initiale de l’échantillon de sol et à la teneur en C. Une solution dense est obtenue en dissolvant le polytungstate de sodium (SPT) dans de l’eau désionisée. Le sol est d’abord mélangé avec la solution dense de SPT et agité pour bien mélanger et disperser les agrégats du sol. La centrifugation est ensuite utilisée pour séparer les matériaux du sol qui flottent (fraction légère) ou coulent (fraction lourde) dans la solution. Les étapes de mélange, d’isolation, de récupération et de lavage sont répétées plusieurs fois pour assurer la séparation des fractions légères et lourdes, ainsi que l’élimination des SPT du matériau. Enfin, les fractions du sol sont séchées, pesées et analysées pour la teneur en C. Le matériau fractionné peut être utilisé pour des procédures et des analyses ultérieures.

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Protocol

1. Fabrication de solutions mères de polytungstate de sodium (SPT)

ATTENTION : Le SPT est irritant et nocif s’il est avalé ou inhalé. Il est toxique pour les organismes aquatiques; éviter son rejet dans l’environnement.

  1. Pour obtenir 1 L de solution de SPT avec une densité de 1,85 g/cm3, dissoudre 1 051 g de SPT cristallisé dans environ 600 mL d’eau distillée désionisée (DDI). Remuer la solution jusqu’à ce que le SPT soit complètement dissous, environ pendant 15 min, puis porter le volume de solution à 1 L avec DDI.
    NOTA: La récupération du carbone à l’aide d’une densité de solution <1,85 g/cm3 peut sous-recruter la fraction légère de carbone dérivée de la matière organique particulaire17,18, ce qui donne une fausse représentation de la quantité de carbone dans l’échantillon. Ainsi, une densité de solution SPT de 1,85 g/cm3 est suggérée 8,17 afin d’inclure davantage le carbone associé à la matière organique particulaire pour un échantillon de sol typique (c.-à-d. la plupart des loams de sable, de limon et d’argile contenant <10 %).
  2. Pour obtenir 1 L de solution de SPT avec une densité de 2,40 g/cm3, dissoudre 1803 g de SPT solide dans environ 500 mL d’eau DDI. Remuer la solution jusqu’à ce que le SPT soit complètement dissous, puis porter le volume de solution à 1 L avec DDI.
    NOTA: Au-delà de l’utilisation potentielle pour le fractionnement du sol, une solution avec une densité supérieure à 1,85 g/cm3 est souvent nécessaire pour l’ajustement de la solution SPT aux étapes ultérieures du protocole (voir étape 3.2). S’il reste une solution supplémentaire de 2,40 g/cm3, la solution peut être diluée à 1,85 g/cm3 avec de l’eau désionisée et utilisée pour le fractionnement du sol.
  3. Avant de l’utiliser en fractionnement, analyser le SPT pour la teneur en C et N. Effectuez cette analyse à l’aide d’un analyseur élémentaire solide ou liquide (exemples de méthodes: ISO 10694:1995, ISO 20236:2018).
    1. Effectuer une dilution 1:100 de la solution à partir de l’étape 1.1 pour les analyseurs élémentaires liquides afin de réduire la détérioration des épurateurs élémentaires et des catalyseurs. La tolérance à la contamination par le carbone et l’azote dans la solution de SPT dépendra de l’échantillon et des utilisations ultérieures des fractions du sol. En règle générale, une solution SPT avec une teneur en C et en N de <1 ppm et <0,1 ppm, respectivement, est considérée comme appropriée, car des solutions comme celle-ci présentent une capacité minimale de modifier les réservoirs de C et d’N du sol beaucoup plus grands.

2. Dissolution du sol dans le SPT

  1. Ajouter 50 g de terre séchée à l’air et tamisée à 2 mm dans un tube centrifuge conique en polypropylène de 250 mL. Enregistrez la masse à au moins quatre chiffres significatifs. N’utilisez pas de terre séchée au four car cela pourrait augmenter le carbone soluble en raison de la lyse cellulaire induite par la chaleur31.
    NOTA: Un sol humide sur le terrain peut être utilisé31, mais un ajustement supplémentaire est nécessaire dans les étapes ultérieures pour maintenir la densité cible de la solution SPT. Il est recommandé de tamiser le matériau du sol à 2 mm pour enlever les gros matériaux qui peuvent fausser les résultats du fractionnement, tels que les roches et les débris ligneux.
    1. Ajuster la masse du sol pour s’assurer qu’une masse adéquate de chaque fraction est récupérée afin d’éviter une erreur importante dans la quantification. La raison la plus courante de l’ajustement de la masse est la faible teneur en MPO (p. ex. <2 % de la masse totale du sol). Pour ces sols, fournir une masse de sol supplémentaire pour quantifier avec précision la récupération des MPO. Dans l’ensemble, il est acceptable d’ajuster la masse du sol pour chaque échantillon individuel, car la modification de la masse de l’échantillon ne modifiera pas la proportion de MPO par rapport à MAOM. Cependant, il est souvent utile d’utiliser une masse constante pour faciliter l’équilibrage de la centrifugeuse.
    2. Traiter les sols riches en carbonates pour éliminer les carbonates inorganiques avant le fractionnement32.
  2. Ajouter 50 mL de SPT de 1,85 g/cmà 3 densité dans le tube à centrifuger et replacer le couvercle hermétiquement. Comme pour les quantités de sol, ajustez le volume SPT au besoin. Dans les sols de surface riches en MPO (p. ex., de nombreux sols forestiers tempérés), utiliser un plus grand ratio de sol par rapport aux tubes et tuyaux sans moélectricité (p. ex., 30 g de sol pour 60 mL de SPT) pour obtenir une séparation adéquate des matériaux de fraction légère et lourde.
  3. Secouer vigoureusement le tube à la main pendant ~60 s pour briser les agrégats non stables à l’eau. La collision forcée des agrégats du sol avec les parois latérales du tube centrifuge est souhaitée, ce qui signifie qu’il ne suffit pas de vorter la solution.
  4. Fixez le tube à un agitateur de plate-forme. Souvent, placer le tube sur le côté facilite la dispersion du sol en augmentant la force de ballottement de la solution et en réduisant la hauteur debout de la couche de sol. Veillez à ce que le tube soit hermétiquement fermé et agitez pendant 2 h à 40-120 tr / min. Retirez périodiquement le tube de l’agitateur et secouez vigoureusement à la main pour augmenter l’agitation du matériau agrégé plus dense.

3. Effectuer un fractionnement grossier du sol

  1. Retirez le tube de l’agitateur. Égaliser les masses du tube de centrifugation en ajoutant soigneusement une solution SPT supplémentaire pour atteindre une masse constante à travers l’ensemble des tubes à centrifuger, en veillant à agiter vigoureusement à la main pendant 30 s après avoir ajouté la solution SPT. Centrifuger pendant 10 min à 3 000 x g dans une centrifugeuse à godet oscillant.
  2. Avant d’aspirer l’échantillon, tester la densité du surnageant en prélevant 5 mL de la solution à l’aide d’une pipette et en vérifiant la masse sur une balance. Ajustez la densité SPT si nécessaire pour atteindre la densité souhaitée. Agiter et centrifuger à nouveau si un ajustement de la densité de solution a été effectué.
  3. Fixez une fiole de bras de poing de 1 L à une pompe à vide. Placez un filtre en fibre de verre de 110 mm (taille des pores de 0,7 μm) dans un entonnoir Buchner en porcelaine de 12 cm de diamètre interne. Scellez soigneusement l’entonnoir à l’aide d’un joint conique en caoutchouc sur la fiole de l’arme de poing.
    REMARQUE: Les filtres en fibre de verre doivent être prélavés dans une étuve de séchage à 150 ° C et rincés avec DDI avant utilisation.
  4. Installez une fiole supplémentaire de 1 L fixée au vide. Placer un bouchon en caoutchouc dans le haut de la fiole avec une longueur de tube saillante de ~0,5 m fixée pour l’aspiration.
    REMARQUE : Il peut être utile de fixer un embout en plastique (comme un embout de pipette jetable de 5 mL, avec l’extrémité coupée en biais) à l’extrémité du tube d’aspiration pour améliorer le contrôle de l’aspiration pendant l’aspiration (voir la figure 1).
  5. Aspirer doucement le surnageant et le matériau en suspension qui s’est déposé dans la couche supérieure de la solution le long des côtés du tube à centrifuger, en prenant soin de ne pas toucher l’extrémité du tube d’aspiration à la surface du sol granulé en dessous.
    NOTE: Si un matériau de granulés de sol (fraction lourde) est aspiré par erreur avec le matériau en suspension (fraction légère), la procédure de fractionnement doit être répétée. Si elle n’est pas remarquée, une telle erreur se traduira par une masse de fraction légère plus lourde que prévu avec une teneur en C inférieure aux prévisions, ce qui peut être évident par l’analyse des données d’échantillons ayant des propriétés similaires dans le sol.
    1. Pour nettoyer le tube d’aspiration entre les échantillons, plongez rapidement l’extrémité du tube (p. ex., immergez-la pendant 0,1 s) dans de l’eau DDI et aspirez ~5 ml d’eau DDI à travers la conduite avec la pompe à vide allumée. Répétez l’opération jusqu’à ce que tout le matériau ait été rincé du tube à vide.
    2. Retirez le bouchon en caoutchouc et la fixation du tube d’aspiration de la fiole de l’arme de poing et versez le contenu dans le haut de l’entonnoir Buchner avec la pompe à vide allumée.
    3. Rincer la fiole avec de l’eau DDI, agiter et verser le contenu de la fiole dans l’entonnoir Buchner. Répéter jusqu’à ce que tout le résidu adhérant aux parois de la fiole soit enlevé.
  6. Ajouter 50 ml de SPT dans le tube à centrifuger et agiter vigoureusement à la main pendant 60 s (ou utiliser une table vibrante si le sol ne se disperse pas rapidement), en veillant à briser la pastille dure au fond du tube afin que tous les résidus soient remis en suspension. Centrifuger pendant 10 min à 3 000 x g.
  7. Répétez l’étape 3.5. Verser le contenu de la fiole dans le même entonnoir de Buchner que celui utilisé à l’étape 3.5.2.
  8. Ajouter 50 ml de SPT dans le tube à centrifuger et agiter vigoureusement à la main, en veillant à briser la pastille dure au fond du tube. Centrifuger pendant 10 min à 3 000 x g.
  9. Répétez l’étape 3.5. Verser le contenu de la fiole dans le même entonnoir de Buchner que celui utilisé à l’étape 3.5.2.

4. Séparation(s) de densité supplémentaire(s) utilisant une SPT de densité plus élevée

REMARQUE: Si vous effectuez plus d’une fraction de densité supplémentaire, les fractionnements suivants doivent être effectués dans l’ordre croissant de densité. Ici, les étapes d’isolement en utilisant 1,85-2,4 g/cm3 et >2,4 g/cm3 densité SPT sont montrées.

  1. Ajouter 50 mL de 2,4 g/cm 3 SPT dans le tube à centrifuger contenant le matériau de sol de >1,85 g/cm3 de l’étape3. Agiter vigoureusement à la main (>60 s), en veillant à briser la pastille dure au fond du tube. Centrifuger pendant 10 min à 3 000 x g.
  2. Avant d’aspirer l’échantillon, tester la densité du surnageant en prélevant 5 mL de la solution à l’aide d’une pipette et en vérifiant la masse sur une balance. Ajustez la densité SPT si nécessaire pour atteindre la densité souhaitée. Agiter et centrifuger à nouveau si un ajustement de la densité de solution a été effectué.
  3. Répétez l’étape 3 en utilisant une solution SPT de 2,4 g/cm 3 au lieu de la solution SPTde 1,85 g/cm3 utilisée précédemment. À la fin de l’étape 3, le matériau isolé dans l’entonnoir de Buchner aura une densité comprise entre 1,85 et 2,4 g/cm3, tandis que le matériau restant dans le tube de centrifugation aura une densité de >2,4 g/cm3.

5. Lavage du SPT des échantillons de fraction lourde et légère

NOTE: Les étapes de lavage suivantes doivent être effectuées pour tout le matériau fractionné. Si la solution SPT n’est pas complètement rincée du matériau, les poids de fraction correspondants seront inexacts.

  1. Ajouter 50 ml d’eau DDI dans le tube centrifuge avec le matériau de fraction lourde, et agiter vigoureusement à la main (60 s), en veillant à briser la pastille dure au fond du tube. Centrifuger pendant 10 min à 3 000 x g.
  2. Aspirer comme à l’étape 3.5. À ce stade, toute la fraction légère aurait dû être enlevée. Jetez l’aspiration transparente dans un seau à déchets au lieu de l’ajouter à l’entonnoir filtrant.
  3. Répétez les étapes 5.1-5.2 deux fois. Avant d’aspirer définitivement la solution dans le tube, utiliser une pipette de transfert pour aspirer 25 mL du surnageant et vérifier la densité en divisant le poids de la solution par le volume pour s’assurer que le SPT a été correctement éliminé de l’échantillon. Si la densité est de <1,01 g/mL, passez à l’étape suivante. Si la densité est de 1,01 g/mL ou plus, effectuer des lavages à l’eau supplémentaires comme ci-dessus jusqu’à ce que la densité soit inférieure à 1,01 g/mL.
  4. Pour assurer l’élimination complète du SPT de la fraction légère, remplissez chaque entonnoir Buchner avec de l’eau DDI et filtrez le contenu à travers des filtres en fibre de verre. Une fois que l’eau a complètement filtré, répétez cette opération deux fois de plus. Si le sol est riche en matière organique, la filtration peut prendre jusqu’à 48 h.

6. Collecte de la fraction lourde

  1. Grattez soigneusement la terre du tube à centrifuger dans un bécher ou un bocal en verre propre et étiqueté. Versez suffisamment d’eau DDI dans le tube pour ameublir le sol restant; Replacez le bouchon et agitez, puis ajoutez la boue dans le récipient en verre. Rincer toute la terre restante du tube à centrifuger et transférer dans le récipient en verre à l’aide d’eau désionisée.
  2. Placer le récipient en verre dans une étuve de séchage réglée entre 40 et 60 °C. Sécher jusqu’à ce qu’un poids sec constant soit atteint, généralement pendant 24-72 h.

7. Collecte du matériau de la fraction légère

  1. Éteignez la pompe à vide et retirez l’entonnoir du flacon de l’arme de poing. En tenant l’entonnoir horizontalement sur un bécher ou un pot en verre étiqueté, rincez doucement les particules du filtre à l’aide d’une bouteille de lavage à eau DDI.
    REMARQUE: Il peut être nécessaire de gratter doucement le filtre à l’aide d’une spatule et de rincer les deux côtés du filtre pour éliminer tous les résidus.
  2. Placer le récipient en verre dans l’étuve de séchage réglée entre 40 et 60 °C. Sécher jusqu’à ce qu’un poids sec constant soit atteint, généralement pendant 24-72 h.

8. Pesage de la masse sèche du matériau fractionné

  1. Grattez délicatement toute la matière séchée de chaque conteneur dans un bateau de pesage en plastique. Enregistrez la masse jusqu’à la quatrième décimale. Placez l’échantillon dans un flacon ou un sac de stockage étiqueté.
  2. Répéter l’opération pour tous les échantillons séchés.

9. Collecte et analyse des données sur le carbone organique total

  1. Suivre les procédures d’analyse conformément à l’instrument à utiliser pour l’analyse de la teneur en C élémentaire (par exemple, ISO 10694:1995).
    NOTE: Le broyage de la fraction séchée en une poudre fine est une pratique courante pour assurer l’homogénéité de l’échantillon fractionné avant l’analyse élémentaire.
  2. S’assurer que la masse cumulée de toutes les fractions est égale à au moins ~90% de la masse initiale de l’échantillon de sol. Si les pertes de matière sont de >10%, des fractionnements de réplication supplémentaires sont recommandés.
  3. Quantifier la récupération cumulative du carbone organique du sol (COS) dans les fractions. Les pertes de COS peuvent ne pas être parfaitement corrélées avec la perte de masse due à la perte disproportionnée de fraction de matière et à la perte de carbone organique dissous. Cependant, les pertes de COS devraient également représenter <10 % du COS initial dans l’échantillon de sol.

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Representative Results

Le fractionnement de la densité du sol est idéal pour étudier comment les sols diffèrent dans leur teneur en particules et en matière organique associée aux minéraux. La séparation du COS en deux bassins distincts permet d’élucider les changements dans la teneur en C du sol et la dynamique de stabilisation qui pourraient autrement ne pas être clairs lors de l’observation des tendances de la teneur en C du sol en vrac. La séparation supplémentaire du matériau lourd (densité >1,85 g/cm3) fournit des informations supplémentaires sur les changements et les tendances de la stabilisation du carbone dans le sol, mais augmente la complexité de la procédure et de l’interprétation associée et est associée à des coûts supplémentaires. Néanmoins, le fractionnement du sol en trois bassins de densité ou plus peut élucider des tendances complexes et des différences chimiques dans les bassins de C du sol. Comme pour toute procédure de fractionnement du sol, la séparation de ces réservoirs de C dans le sol est imparfaite, et l’influence potentielle de ces erreurs et des hypothèses de la méthode doit être reconnue lors de la communication des résultats. Enfin, les praticiens doivent être conscients de la variété des méthodes de fractionnement du sol qui existent et de leurs forces et faiblesses uniques (voir les revues et comparaisons fournies par von Lützow et al.9 et Poeplau et al.10). Bon nombre de ces méthodes de fractionnement du sol ne s’excluent pas mutuellement et peuvent être combinées de manière appropriée pour améliorer ou valider les analyses de la dynamique du carbone dans le sol.

Le choix du nombre de fractions de densité à utiliser est la première étape critique avant de commencer la procédure de fractionnement. Bien que plusieurs pools puissent toujours être combinés mathématiquement pour produire une seule fraction légère et une seule fraction lourde pour comparer les résultats à d’autres études, le fractionnement de la fraction lourde en plus d’un pool ajoute beaucoup de temps et d’argent. Pierson et coll.33 ont quantifié le changement de COS dans trois bassins de densité à la suite d’une étude de manipulation détritique à long terme. En combinant les deux mélanges plus lourds (figure 2), les effets des traitements détritiques étaient distincts entre les fractions légères (<1,85 g/cm3) et lourdes (>1,85 g/cm3), en particulier par rapport aux effets observés à partir de la teneur en COS en vrac. En effectuant le fractionnement de densité supplémentaire à 2,40 g/cm3 (figure 3), on a pu déterminer en outre que les effets du traitement sur la MAOM étaient principalement confinés au matériau de densité plus élevée (>2,4 g/cm3). Enfin, la teneur en C:N déclarée du sol en vrac par rapport aux piscines fractionnées en densité (figure 4) démontre clairement l’efficacité de la méthode de fractionnement en masse volumique pour séparer les matières particulaires d’origine végétale des matières minérales ayant une teneur relativement faible en C:N.

Après 50 ans de manipulations détritiques, Lajtha et al.22 ont utilisé six fractionnements de densité séquentiels pour examiner de près les influences détritiques sur la stabilisation et la déstabilisation du SOC (Figure 5). En isolant sept piscines de SOC, les auteurs ont pu observer une plus grande nuance dans la réponse POM et MAOM après les traitements d’ajout et d’enlèvement de litière. Les piscines avec des densités <2,20 g/cm3 étaient plus sensibles au traitement, en accord avec l’attente de longue date d’une relation positive entre l’apport de litière et l’accumulation de COS. Cependant, la réponse des bassins de COS avec des densités >2,20 g/cm3 était moins prononcée, et spécifiquement pour le traitement d’enlèvement de la litière, une relation négative opposée a été identifiée entre les intrants et le COS (c.-à-d. que les intrants ont été réduits, mais la teneur en COS de la fraction a augmenté). En effectuant des analyses ultérieures du 14C, les contributions et les pertes d’apports de C plus récents pour chaque pool ont été déterminées, fournissant un aperçu mécaniste du contrôle détritique des voies de formation et de déstabilisation de MAOM.

La combinaison de l’analyse isotopique avec le fractionnement séquentiel de la densité fournit des pistes supplémentaires pour étudier les subtilités de la dynamique SOM. Pourtant, les chercheurs doivent prendre soin de considérer l’influence de la minéralogie sur les résultats du fractionnement de la densité. La structure et la réactivité minérales uniques entraînent des différences inhérentes dans la distribution de la densité des particules entre les minéraux. À titre d’exemple, Sollins et coll.18 ont examiné les caractéristiques isotopiques et chimiques des mares de densité multiple dans quatre sols forestiers ayant des matériaux parents et des morphologies disparates (figure 6). La minéralogie contrastée entre les quatre sols a fortement contribué aux différences observées en 13° C, 14 ° C et 15N pour chaque fraction de densité. Sans la prise en compte de la minéralogie, de tels résultats peuvent être mal interprétés en ce qui concerne la formation de COS et la dynamique de stabilisation. Enfin, pour en revenir à l’aspect pratique de la réalisation de séparations de densité supplémentaires, Sollins et coll.18 ont obtenu peu de renseignements supplémentaires à partir de l’analyse de six bassins de densité plutôt que de trois seulement (figure 6).

Helbling et al.31 ont déterminé l’effet de la saisonnalité sur la teneur en fraction légère des sols forestiers, ainsi que l’effet du traitement par séchage du sol sur la perte de carbone dans le bassin soluble (figure 7). Deux résultats significatifs sont ressortis de ces travaux. Tout d’abord, alors que le séchage du sol au four entraînait une perte de carbone organique dissous significativement plus importante dans la solution de SPT, la quantité de C perdue était insignifiante. Deuxièmement, il ne semble pas y avoir de saisonnalité dans le bassin de fraction légère C, ce qui signifie que le moment du prélèvement des échantillons de sol n’a pas influencé les résultats du fractionnement. Cependant, on peut s’attendre à ce que les résultats diffèrent selon les sols et les environnements étant donné les différences dans les stocks de POM et les taux de décomposition.

Figure 1
Figure 1 : Appareil d’aspiration de fraction légère. Schéma de l’appareil à vide pour l’aspiration de la fraction légère. *Le parafilm peut être utilisé pour fixer et sceller la jonction entre l’embout de la pipette et le tube à vide. **La coupe de l’embout de la pipette à un angle peut être utile pour augmenter la taille de l’ouverture de l’embout, ainsi que pour appliquer une aspiration étroite sur les parois latérales du tube à centrifuger. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2 : Comparaison de la teneur en carbone des sols en vrac, légers et lourds. Le sol a été prélevé sur les parcelles de traitement des intrants et de l’élimination des détritiques (DIRT) dans la forêt expérimentale H.J. Andrews après 20 ans de traitement (n = 3). Le C associé aux minéraux pour les traitements d’élimination des racines (NR, NI) a été significativement augmenté, contrastant avec les effets observés sur la teneur en C en vrac. De plus, les résultats fractionnés montrent que l’augmentation du C en vrac provenant du traitement au double bois (DW) a été dérivée d’une augmentation de la fraction C légère. Les barres d’erreur représentent l’erreur type. Cette figure a été modifiée à partir de Pierson et al.33. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 : Comparaison des pools de fractions intermédiaires et lourdes. Le sol a été prélevé sur les parcelles de traitement des intrants et de l’élimination des détritiques (DIRT) dans la forêt expérimentale H.J. Andrews après 20 ans de traitement (n = 3). Les résultats démontrent les résultats de l’isolement d’une fraction intermédiaire (1,85-2,40 g/cm3) et d’une fraction plus lourde (>2,40 g/cm3). La teneur en fraction intermédiaire C a montré une plus grande variabilité et aucun effet du traitement n’a été significatif. Les barres d’erreur représentent l’erreur type. Cette figure a été modifiée à partir de Pierson et al.33. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Figure 4 : Rapports carbone/azote pour les sols en vrac, légers et lourds. Le sol a été prélevé sur les parcelles de traitement des intrants et de l’élimination des détritiques (DIRT) dans la forêt expérimentale H.J. Andrews après 20 ans de traitement (n = 3). Compte tenu de la teneur élevée en C:N des tissus végétaux par rapport aux minéraux du sol, la différence observée de teneur en C:N entre les fractions légères et lourdes démontre clairement la capacité du fractionnement de la densité du sol à séparer la matière organique particulaire du sol en vrac. Les barres d’erreur représentent l’erreur type. Cette figure a été modifiée à partir de Pierson et al.33. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 5
Figure 5 : Fractionnement séquentiel de la densité du sol après 50 ans de manipulations détritiques (n = 4). La séparation du sol en sept fractions de densité a permis de mieux comprendre la nature de la charge de carbone sur les minéraux du sol. Le traitement par double litière, qui a augmenté le C du sol, a conduit à la charge de C de matière minérale dans la fraction 2,00-2,40 g/cm3, comme le montre la variation des concentrations de fraction C par rapport au témoin. Les pertes de C dans le sol dues au traitement sans litière étaient les plus importantes dans les fractions du sol avec des densités comprises entre 1,85 et 2,20 g/cm3. Les barres d’erreur représentent l’erreur type. Ce chiffre a été modifié à partir de Lajtha et al.22. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 6
Figure 6 : Effets de la minéralogie sur les bassins de densité du sol. Des sols à la morphologie unique ont été prélevés sur quatre sites forestiers. L’analyse isotopique démontre comment la minéralogie du sol peut influencer les propriétés biogéochimiques dans les bassins de densité du sol. De plus, dans ce cas, l’analyse de trois bassins de densité, par opposition à six ou plus, a largement permis de saisir les tendances à l’intérieur et entre les différentes signatures isotopiques. Cette figure a été modifiée à partir de Sollins et al.18. Les données et graphiques originaux sont affichés dans la colonne avec plus de six pools; Les données ont été recalculées et affichées pour démontrer les résultats pour seulement trois groupes. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 7
Figure 7 : Effets de la collecte et de la préparation des échantillons sur le fractionnement de la densité du sol. Helbling et coll.31 ont constaté que le sol séché au four produit souvent plus de carbone organique dissous que le sol séché à l’air, humide au champ et lessivé. D’une saison à l’autre pour le prélèvement d’échantillons, la proportion de masse de fraction légère par rapport à la masse de fraction lourde n’était pas significativement différente. Cette figure a été modifiée à partir de Helbling et al.31. Les barres d’erreur représentent l’erreur type. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

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Discussion

Tout au long du protocole de fractionnement de la densité du sol, il y a quelques procédures spécifiques qui doivent être surveillées de près pour aider à réduire les erreurs dans la séparation et l’analyse des fractions du sol. Une étape critique de la procédure de fractionnement de la densité du sol consiste à vérifier à plusieurs reprises la densité de la solution de SPT. L’humidité dans l’échantillon de sol dilue souvent la solution de SPT, abaissant ainsi la densité de la SPT. Par conséquent, le chercheur doit toujours s’assurer que la séparation complète des solutions légères et lourdes a été réalisée après la centrifugation. Si les fractions ne se séparent pas adéquatement, une plus grande quantité de solution de SPT doit être ajoutée ou la masse du sol doit être réduite. Les sols sableux se séparent rapidement, tandis que les sols finement texturés, tels que les oxisols en particulier, peuvent rester nuageux pendant une longue période pendant la centrifugation en raison d’une charge élevée en suspension de particules fines. Lorsque les solutions apparaissent troubles après la centrifugation, le temps ou la vitesse de centrifugation doit être augmenté. Comme alternative, une estimation de la perte de C dans les sédiments en suspension peut être déterminée en analysant la teneur en C de la solution aspirée.

La détermination de la qualité du polytungstate de sodium (SPT) à acheter dépend des analyses qui seront effectuées après le fractionnement. Kramer et coll.34 ont constaté que les SPT commerciaux peuvent être enrichis en ammonium 15 N élevé et, par conséquent, peuvent modifier considérablement la signature 15N des fractions du sol. Par conséquent, un SPT de haute pureté (p. ex., SPT-0) devrait être utilisé pour assurer une contamination minimale en C et en N pour les études dans lesquelles les signatures isotopiques des sols seront mesurées. Cependant, le SPT dont le degré de pureté est inférieur d’un cran (par exemple, SPT-1) a souvent un enrichissement minimal en N et C et est moins coûteux, offrant ainsi une option plus économique lorsque les isotopes ne seront pas mesurés.

Pour éviter toute erreur importante, il faut prendre soin d’éliminer toute la fraction légère de la solution, qui adhère souvent aux parois latérales des tubes de centrifugation pendant l’aspiration et à l’entonnoir lors des étapes de filtration suivantes. L’excès de fraction légère restant dans le matériau de la fraction lourde entraînera une estimation basse de la fraction légère C tout en surestimant simultanément la teneur en C de la fraction lourde. Un examen attentif des données finales peut aider à identifier de telles erreurs lors du fractionnement d’une série d’échantillons ayant des propriétés similaires dans le sol.

La perte de carbone organique dissous (COD) en solution est généralement faible, habituellement <5 % du C total du sol, et ne peut être évitée (figure 7)31. Cependant, les pertes de COD peuvent être beaucoup plus importantes lors du fractionnement de sols avec des piscines de C hautement solubles, comme celles trouvées dans certains environnements désertiques35. Dans de tels cas, le pool de COD extractible à l’eau doit également être quantifié. En règle générale, les erreurs résultant de la perte de masse du sol, en particulier de la fraction légère, sont beaucoup plus importantes que les erreurs causées par la perte de COD.

L’adsorption de polytungstate sur l’échantillon de sol est une possibilité chimique, et la mesure dans laquelle de tels échanges chimiques se produisent est actuellement inconnue. En outre, l’affinité de liaison du polytungstate devrait varier d’un sol à l’autre ayant des propriétés chimiques différentes. Actuellement, la corrélation entre la perte de masse dans le sol et la perte de COS à la fin de la procédure fournit une forme d’assurance simple et réalisable sur le plan logistique que tout gain de masse provenant de l’échange de polytungstate est négligeable pour la quantification du COS dans le matériau fractionné. Si la masse cumulée de la fraction du sol est supérieure à la masse initiale de l’échantillon, ou si les pertes de masse sont nettement inférieures aux pertes de COS, les échantillons peuvent absorber le polytungstate. Des étapes de lavage supplémentaires doivent d’abord être effectuées pour tenter de résoudre un tel problème. Si l’absorption du polytungstate dans le matériau fractionné persiste, une analyse élémentaire supplémentaire peut être nécessaire pour vérifier et corriger une augmentation de la teneur en tungstène du matériau fractionné. Notamment, de tels problèmes impliquant l’incapacité de rincer le polytungstate du matériau du sol sont rares.

Bien que le fractionnement de densité sépare idéalement les matières particulaires libres (POM) de la matière organique associée aux minéraux (MAOM), la présence d’agrégats stables à l’eau complique l’interprétation des résultats du fractionnement de la densité. Le limon et l’argile peuvent former de fortes associations et se lier à la matière organique, et le biote du sol, les racines et les hyphes fongiques peuvent former des macroagrégats qui aident à protéger les composés organiques de la décomposition microbienne. Cette matière organique protégée contre les agrégats, souvent appelée matière organique occluse, n’est pas MAOM mais sera récupérée dans la fraction lourde (c.-à-d. >1,85 g/cm3). L’inclusion de POM occlus aura probablement le plus d’impact sur les résultats et l’interprétation des fractions de densité intermédiaire. Alors que les fractions à une densité supérieure à ~2,40 g/cm3 sont susceptibles de contenir des minéraux pauvres en matières organiques dépourvus de matière organique occluse et que les matières d’une densité inférieure à 1,85 g/cm3 sont supposées être de la matière organique exempte de minéraux, les fractions intermédiaires peuvent être des mélanges de minéraux lourds riches en matières organiques, d’agrégats et de minéraux légers pauvres en matières organiques. À ce jour, aucun consensus commun ou méthode omniprésente n’a émergé pour l’interprétation des différences de C trouvées dans la fraction intermédiaire. Lors de la communication de ces informations, nous suggérons de reconnaître l’influence potentielle de la matière organique occluse et de la minéralogie sur les résultats.

Diverses techniques chimiques et physiques ont été utilisées pour disperser les agrégats afin de faciliter la libération de POM occlus, l’énergie ultrasonore représentant la méthode la plus couramment utilisée. Malheureusement, il n’y a pas de niveau d’énergie de sonication unique qui puisse provoquer une dispersion complète dans tous les agrégats, car la force des agrégats et les mécanismes de liaison varient considérablement selon les types de sol et les classes de taille des agrégats36. Amelung et Zech36 ont constaté que les microagrégats (20-250 μm) nécessitaient plus d’énergie ultrasonore pour se disperser que les macroagrégats plus gros, mais ont également constaté que la matière organique particulaire était perturbée à ces énergies plus élevées. En outre, la sonication séquentielle avec une intensité croissante continue de produire de la matière organique occluse libre37, suggérant à nouveau qu’il n’y a pas de pool unique de matière organique occluse et que, à des niveaux de sonication plus élevés, une grande partie du matériau de fraction légère séparé pourrait être un artefact colloïdal. Kaiser et Guggenberger30 ont également démontré le potentiel de la sonication pour modifier la distribution de densité des mélanges de la fraction légère de matière organique avec différents minéraux. Bien que l’intégration de techniques de dispersion par ultrasons pendant ou après le fractionnement de la densité du sol offre des possibilités uniques de disperser et d’isoler les piscines SOM, ces études justifient la prise en compte de l’efficacité de la dispersion et de la destruction des POM et des structures minérales.

La méthode alternative la plus répandue pour séparer le C du sol en bassins facilement mesurables est le fractionnement par taille. Le fractionnement granulométrique est rapide et peu coûteux par rapport au fractionnement de densité et peut fournir des informations similaires sur la dynamique SOM étant donné la corrélation entre la teneur en argile et MAOM. En effet, Poeplau et al.10 n’ont trouvé aucune différence significative dans les taux de renouvellement des MOS pour les réservoirs de C séparés par fractionnement de la taille et de la densité sur trois sols différents. Cependant, les matières organiques particulaires (POM) d’une taille équivalente ou inférieure à celle de l’argile sont courantes, ce qui signifie que les méthodes de fractionnement granulométrique seules ne sont pas capables de séparer avec précision les POM de MAOM. L’incorporation de POM dans des fractions granulométriques fines peut donc entraîner des erreurs dans l’analyse chimique élémentaire et organique dans certains sols contenant une quantité importante de particules fines15. S’il est nécessaire de quantifier la teneur en C d’une matière minérale à une taille de particule spécifique (p. ex., sable, limon, argile), les deux méthodes peuvent être combinées en effectuant un fractionnement en densité unique suivi du fractionnement granulométrique du matériau de fraction lourde.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Pour ce travail, le soutien a été fourni par les subventions DEB-1257032 de la National Science Foundation à K.L. et DEB-1440409 au programme de recherche écologique à long terme de H. J. Andrews.

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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