Summary
토양 밀도 분별은 토양 유기물을 안정화 메커니즘, 화학 물질 및 회전 시간이 다른 별개의 풀로 분리합니다. 특정 밀도의 폴리 텅스텐 산 나트륨 용액은 유리 미립자 유기물과 미네랄 관련 유기물을 분리하여 관리 및 기후 변화에 대한 토양 반응을 설명하기에 적합한 유기물 분획을 생성합니다.
Abstract
토양 유기물(SOM)은 부분적으로 분해된 유리 식물 성분부터 토양 응집체에 보유된 미생물 변형 화합물, 반응성 토양 광물과 강한 연관성을 가진 고도로 가공된 미생물 부산물에 이르기까지 다양한 화합물의 복잡한 혼합물입니다. 토양 과학자들은 토양을 쉽게 측정할 수 있고 토양 탄소(C) 모델링에 유용한 분획으로 분리하는 방법을 찾기 위해 고군분투해 왔습니다. 밀도를 기준으로 토양을 분류하는 것이 점점 더 많이 사용되고 있으며 SOM과 다른 광물 사이의 연관 정도에 따라 수행하기 쉽고 C 풀을 생성합니다. 따라서 토양 밀도 분별은 SOM을 특성화하고 SOM 안정화 메커니즘을 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다. 그러나 보고된 토양 밀도 분별 프로토콜은 크게 다르기 때문에 다양한 연구와 생태계의 결과를 비교하기 어렵습니다. 여기에서는 미립자 및 광물 관련 유기물을 분리하는 강력한 밀도 분획 절차를 설명하고 토양을 2개, 3개 또는 그 이상의 밀도 분율로 분리할 때의 장점과 단점을 설명합니다. 이러한 분획은 종종 화학적 및 광물 조성, 회전율 시간, 미생물 처리 정도 및 광물 안정화 정도가 다릅니다.
Introduction
토양은 육상 탄소 (C)의 가장 큰 저장고이며, 상단 1m에 1,500 Pg 이상의 C를 함유하고 있으며 전 세계적으로 더 깊은 수준에서는 그 양의 거의 두 배이므로 토양은 식물 바이오 매스보다 더 많은 C를 함유하고 대기를 합친 것입니다1. 토양 유기물(SOM)은 물과 토양 영양분을 유지하며 식물 생산성과 육상 생태계의 기능에 필수적입니다. 토양 건강 및 농업 생산성을 위한 적절한 SOM 재고의 중요성에 대한 세계적인 인식에도 불구하고 토양 C 재고는 지속 불가능한 산림 및 농업 관리, 경관 변화 및 기후 온난화로 인해 상당히 고갈되었습니다 2,3. 토양 건강 회복과 토양 C 보유를 자연 기후 솔루션의 핵심 요소로 사용하는 것에 대한 관심이 높아짐에 따라 다양한 환경에서 토양 C 격리 및 안정화를 제어하는 요인을 이해하려는 노력이 이루어졌습니다 4,5.
토양 유기물(SOM)은 부분적으로 분해된 유리 식물 성분부터 토양 응집체에 함유된 미생물 변형 화합물(여기서는 별도의 단위 또는 품목의 조합에 의해 형성된 물질로 정의됨), 반응성 토양 광물과 강한 연관성을 가진 고도로 가공된 미생물 부산물에 이르기까지 다양한 화합물의 복잡한 혼합물입니다6 . SOM에서 개별 화합물의 전체 제품군을 식별하는 것이 비현실적인 경우, 조사관은 종종 물리적 현실로 존재하고 회전율, 일반적인 화학 성분 및 토양의 미네랄 성분에 따른 안정화 정도에 따라 달라지는 소수의 C의 기능적 풀을 식별하는 데 중점을 둡니다1, 7입니다. 풀(pool)을 비판적으로 해석하고 모델링하기 위해서는 분리된 풀(pool)의 수가 적어야 하고, 이론적인 것이 아니라 직접 측정할 수 있어야 하며, 구성과 반응성에서 분명한 차이를 보여야 한다8.
의미 있는 토양 C 웅덩이를 분리하기 위해 화학적 및 물리적 기술의 많은 다른 기술이 사용되었으며, 이는 von Lützow et al.9 및 Poeplau et al.10에 의해 잘 요약되어 있습니다. 화학적 추출 기술은 결정성이 낮거나 결정질인 Fe 및 Al11과 관련된 C와 같은 특정 풀을 분리하는 것을 목표로 합니다. 유기 용매는 지질12와 같은 특정 화합물을 추출하는 데 사용되어 왔으며 SOM의 가수 분해 또는 산화는 C13,14의 불안정한 풀의 척도로 사용되었습니다. 그러나 이러한 추출 방법 중 어느 것도 C의 모든 풀을 측정 가능하거나 모델링 가능한 분수로 분류하지 않습니다. 토양의 물리적 분획은 크기에 따라 모든 토양 C를 웅덩이로 분류하고 식물 파편의 분해로 인해 파편화되고 점점 더 작은 입자가 발생한다고 가정합니다. 크기만으로는 광물 관련 SOM15에서 유리 식물 파편을 분리할 수 없지만, 형성 및 회전율의 공통적인 공간적, 물리적, 생지화학적 차이로 인해 이 두 풀을 정량화하는 것은 토양 C 안정화를 이해하는 데 중요합니다16.
밀도에 기초한 토양 C의 분별은 점점 더 많이 사용되고 있으며, 다른 광물과의 연관성 정도에 따라 C의 다른 풀을 수행하고 식별하는 것이 쉽습니다17,18,19; 따라서 토양 밀도 분별은 다양한 토양 C 안정화 메커니즘을 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다. 토양을 분별하기 위한 주요 요구 사항은 유기 및 광물 입자를 완전히 분산시키는 능력입니다. 일단 분산되면 상대적으로 미네랄이 없는 분해된 유기물은 ~1.85g/cm3보다 가벼운 용액에 떠 있는 반면, 광물은 일반적으로 2-4.5g/cm3 범위에 속하지만 산화철은 밀도가 최대 5.3g/cm3일 수 있습니다. 경질 또는 자유 미립자 분획은 회전 시간이 더 짧은 경향이 있으며(숯에 의한 심각한 오염이 없는 한) 재배 및 기타 교란에 매우 민감하게 반응하는 것으로 나타났습니다. 중질(>1.85g/cm3) 또는 미네랄 관련 분획은 유기 분자가 반응성 미네랄 표면과 결합할 때 얻어지는 미생물 매개 분해에 대한 저항성으로 인해 종종 더 긴 회전 시간을 갖습니다. 그러나, 무거운 분획은 포화될 수 있는 반면(즉, 광물 착물 용량에 대한 상한에 도달), 가벼운 분획은 이론적으로 거의 무한정 축적될 수 있다. 따라서 광물 관련 유기물 대 미립자 유기물 풀에서 유기물의 물리적 분포를 이해하면 효율적인 탄소 격리를 위해 어떤 생태계를 관리할 수 있는지, 그리고 다양한 시스템이 기후 변화와 인위적 교란의 변화하는 패턴에 어떻게 대응할 것인지를 설명하는 데 도움이 됩니다20.
지난 10 년 동안 다양한 밀도의 폴리 텅스텐 산 나트륨 용액을 사용한 밀도 분획의 사용이 크게 증가했지만 기술과 프로토콜이 크게 다르기 때문에 다른 연구와 다른 생태계의 결과를 비교하기가 어렵습니다. 1.85 g/cm3의 밀도가 광물 관련 유기물(MAOM)의 최소 포함으로 가장 많은 양의 자유광 분획을 회수하는 것으로 나타났지만17, 많은 연구에서 1.65-2.0 g/cm3 범위의 밀도를 사용했습니다. 대부분의 연구에서는 토양을 단 두 개의 웅덩이(경분획 및 중분획, 이하 LF 및 HF)로 분류했지만, 다른 연구에서는 여러 밀도를 사용하여 무거운 분획을 관련된 광물, 유기 코팅에 대한 광물의 상대적 비율 또는 응집 정도(예: 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). 또한, 크기와 밀도 분리를 결합하는 보다 복잡한 분획 절차가 제안되어 더 많은 수의 풀(예: Yonekura et al.26, Virto et al.27, Moni et al.15, Poeplau et al.10)뿐만 아니라 방법론 및 풀 크기와 관련하여 오류의 여지가 더 많습니다. 또한, 저자는 또한 미네랄 표면28,29,30에서 응집체와 MAOM을 분산시키기 위해 다양한 강도와 시간에 초음파 처리를 사용했습니다.
여기에서는 먼저 두 개의 고유한 토양 탄소 풀(LF 및 HF 또는 POM 및 MAOM)을 식별하는 강력한 밀도 분별 절차를 설명하고, HF 풀을 광물학, 유기 코팅 정도 또는 응집 정도에 따라 다른 추가 분획으로 추가로 분리하는 기술과 주장을 모두 제공합니다. 여기에서 확인된 분획은 화학적 조성, 회전율, 미생물 처리 정도 및 광물 안정화 정도 측면에서 다른 것으로 나타났습니다18,19.
다음 절차는 특정 밀도의 용액에 알려진 양의 토양을 혼합하여 벌크 토양을 미립자 유기물(POM)과 광물 관련 유기물(MAOM)로 분리합니다. 절차의 효능은 초기 토양 샘플 질량 및 C 함량에 대한 토양 질량과 탄소의 결합 회수에 의해 측정됩니다. 고밀도 용액은 폴리 텅스텐 산 나트륨 (SPT)을 탈 이온수에 용해시킴으로써 달성된다. 토양은 초기에 조밀 한 SPT 용액과 혼합되고 교반되어 토양 응집체를 완전히 혼합하고 분산시킵니다. 그런 다음 원심분리를 사용하여 용액에 부유(경분) 또는 가라앉는(중분획) 토양 물질을 분리합니다. 혼합, 분리, 회수 및 세척 단계는 재료에서 SPT를 제거하는 것과 함께 가벼운 분획과 무거운 분획의 분리를 보장하기 위해 여러 번 반복됩니다. 마지막으로, 토양 분획을 건조시키고, 칭량하고, C 함량에 대해 분석한다. 분획된 물질은 후속 절차 및 분석에 사용될 수 있습니다.
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Protocol
1. 폴리 텅스텐 산 나트륨 (SPT)의 원액 만들기
주의: SPT는 자극성이며 삼키거나 흡입하면 해롭습니다. 수생 생물에 유독합니다. 환경으로의 방출을 피하십시오.
- 밀도가 1.85g/cm3인 SPT 용액 1L를 만들려면 결정화된 SPT 1,051g을 약 600mL의 탈이온수(DDI)에 녹입니다. SPT가 완전히 용해될 때까지 약 15분 동안 용액을 저어준 다음 DDI를 사용하여 용액 부피를 1L로 가져옵니다.
참고: 용액 밀도 <1.85g/cm3를 사용한 탄소 회수는 미립자 유기물에서 파생된 가벼운 분획 탄소를 과소 모집할 수 있습니다17,18, 따라서 샘플의 탄소 양을 잘못 표시합니다. 따라서, 1.85 g/cm3의 SPT 용액 밀도는 전형적인 토양 샘플(즉, C 함량<10%)을 갖는 대부분의 모래, 미사 및 점토 양토에 대한 미립자 유기물과 관련된 탄소를 보다 포괄하기 위해 8,17로 제안된다. - 밀도 2.40g/cm3의 SPT 용액 1L를 만들려면 고체 SPT 1,803g을 약 500mL의 DDI 물에 녹입니다. SPT가 완전히 용해될 때까지 용액을 저어준 다음 DDI를 사용하여 용액 부피를 1L로 가져옵니다.
참고: 토양 분획에 대한 잠재적 사용 외에도 프로토콜의 이후 단계에서 SPT 용액을 조정하기 위해 밀도가 1.85g/cm3보다 큰 용액이 필요한 경우가 많습니다(3.2단계 참조). 여분의 2.40g/cm3 용액이 남아 있는 경우, 용액을 탈이온수로 1.85g/cm3로 희석하여 토양 분획에 사용할 수 있습니다. - 분획에 사용하기 전에 C 및 N 함량에 대한 SPT를 분석합니다. 고체 또는 액체 원소 분석기(예: 방법: ISO 10694:1995, ISO 20236:2018)를 사용하여 이 분석을 수행합니다.
- 액체 원소 분석기에 대해 1.1단계의 용액을 1:100 희석하여 원소 스크러버 및 촉매의 열화를 줄입니다. SPT 용액의 C 및 N 오염에 대한 허용 오차는 샘플과 토양 분획의 후속 사용에 따라 달라집니다. 전형적으로, C 및 N 함량이 각각 <1 ppm 및 <0.1 ppm 인 SPT 용액은 훨씬 더 큰 토양 C 및 N 풀을 변경하기위한 최소 용량을 제시하기 때문에 사용하기에 적합한 것으로 간주됩니다.
2. SPT에서 토양 용해
- 공기 건조된 토양 50g을 2mm로 체질하여 250mL 원추형 폴리프로필렌 원심분리기 튜브에 넣습니다. 질량을 최소 4개의 유효 숫자로 기록합니다. 오븐에서 건조된 토양은 열에 의한 세포 용해로 인해 용해성 탄소를 증가시킬 수 있으므로 사용하지 마십시오31.
참고: 밭 습한 토양을 사용할 수 있지만31, SPT 용액의 목표 밀도를 유지하기 위해 이후 단계에서 추가 조정이 필요합니다. 암석 및 나무 파편과 같이 분별 결과를 왜곡할 수 있는 큰 물질을 제거하기 위해 토양 재료를 2mm로 체질하는 것이 좋습니다.- 정량화에서 심각한 오류를 피하기 위해 각 분획의 적절한 질량이 회수되도록 토양 질량을 조정합니다. 질량 조정의 가장 일반적인 이유는 낮은 POM 함량(예: 전체 토양 질량의 <2%)입니다. 이러한 토양의 경우 POM 회수를 정확하게 정량화하기 위해 추가 토양 질량을 제공합니다. 전반적으로, 샘플 질량을 변경해도 POM과 MAOM의 비율이 변경되지 않기 때문에 각 개별 샘플에 대한 토양 질량을 조정하는 것이 허용됩니다. 그러나 원심분리기의 균형을 돕기 위해 일정한 질량을 사용하는 것이 종종 유용합니다.
- 탄산염이 풍부한 토양을 처리하여 분별 전에 무기 탄산염을 제거합니다32.
- 50g/cm 1.85 밀도 SPT 3mL를 원심분리기 튜브에 넣고 뚜껑을 단단히 닫습니다. 토양 양과 마찬가지로 필요에 따라 SPT 부피를 조정하십시오. POM이 풍부한 표면 토양(예: 많은 온대 산림 토양)에서 SPT에 대한 토양의 더 큰 비율(예: 토양 30g 대 SPT 60mL)을 사용하여 경질 및 중질 분획 물질의 적절한 분리를 달성합니다.
- ~60초 동안 손으로 튜브를 세게 흔들어 물에 안정하지 않은 골재를 분해합니다. 토양 응집체와 원심분리기 튜브의 측벽의 강력한 충돌이 필요하며, 이는 단순히 용액을 와동시키는 것만으로는 충분하지 않을 수 있음을 의미합니다.
- 튜브를 플랫폼 셰이커에 고정합니다. 종종 튜브를 옆으로 눕히면 용액의 슬로싱 력을 높이고 토양층의 서 있는 높이를 줄여 토양 분산을 돕습니다. 튜브가 단단히 밀봉되어 있는지 확인하고 40-120rpm에서 2시간 동안 흔들어줍니다. 주기적으로 셰이커에서 튜브를 제거하고 손으로 세게 흔들어 밀도가 높은 응집 물질의 교반을 증가시킵니다.
3. 거친 토양 분별 수행
- 셰이커에서 튜브를 제거합니다. 원심분리할 튜브 세트에서 일관된 질량에 도달하도록 추가 SPT 용액을 조심스럽게 추가하여 원심분리기 튜브 질량을 균등화하고 SPT 용액을 추가한 후 30초 동안 손으로 세게 흔들도록 합니다. 스윙 버킷 원심분리기에서 3,000 x g 에서 10분 동안 원심분리기.
- 샘플을 흡인하기 전에 피펫으로 5mL의 용액을 빼내고 저울에서 질량을 확인하여 상청액의 밀도를 테스트합니다. 원하는 밀도를 얻기 위해 필요에 따라 SPT 밀도를 조정합니다. 용액 밀도 조정이 수행된 경우 다시 흔들고 원심분리합니다.
- 1L 사이드암 플라스크를 진공 펌프에 부착합니다. 110mm 유리 섬유 필터(0.7μm 기공 크기)를 12cm 내경(ID) 도자기 Buchner 깔때기에 넣습니다. 원뿔형 고무 개스킷을 사용하여 사이드암 플라스크에 깔때기를 조심스럽게 밀봉합니다.
알림: 유리 섬유 필터는 150°C의 건조 오븐에서 미리 세척하고 사용하기 전에 DDI로 헹궈야 합니다. - 진공에 부착된 1L 보조 암 플라스크 1개를 추가로 설치합니다. 흡인을 위해 ~0.5m 길이의 튜브가 부착된 플라스크 상단에 고무 마개를 놓습니다.
알림: 플라스틱 팁(예: 5mL 일회용 피펫 팁, 끝이 비스듬히 잘린 상태)을 흡인 튜브 끝에 부착하여 흡인 중 흡입 제어를 개선하는 것이 도움이 될 수 있습니다( 그림 1 참조). - 원심분리기 튜브의 측면을 따라 용액의 최상층에 침전된 상등액과 부유물질을 부드럽게 흡인하고, 흡인 튜브의 끝이 아래의 펠릿화된 토양 표면에 닿지 않도록 주의합니다.
알림: 토양 펠릿 물질(중분획)이 현탁(경질) 물질과 함께 잘못 흡인된 경우 분획 절차를 반복해야 합니다. 알아차리지 못한 경우, 이러한 오류는 예상보다 낮은 C 함량을 갖는 예상보다 무거운 경 분획 질량을 초래할 것이며, 이는 유사한 토양 특성을 가진 샘플의 데이터 분석을 통해 분명해질 수 있습니다.- s와 샘플 사이의 흡인 튜브를 청소하려면 튜브 끝을 DDI 물에 빠르게 담그고(예: 0.1초 동안 담그기) 진공 펌프가 켜진 상태에서 라인을 통해 ~5mL의 DDI 물을 끌어옵니다. 모든 재료가 진공관에서 세척될 때까지 반복합니다.
- 사이드암 플라스크에서 고무 마개와 흡인 튜브 부착물을 제거하고 진공 펌프를 켠 상태에서 내용물을 Buchner 깔때기 상단에 붓습니다.
- 플라스크를 DDI 물로 헹구고 휘젓고 플라스크 내용물을 Buchner 깔때기에 붓습니다. 플라스크의 측면에 부착된 모든 잔류물이 제거될 때까지 반복합니다.
- SPT 50mL를 원심분리기 튜브에 넣고 손으로 60초 동안 세게 흔들어주고(또는 토양이 빠르게 분산되지 않으면 셰이커 테이블을 사용) 튜브 바닥의 단단한 펠릿을 분해하여 모든 잔류물이 다시 부유되도록 합니다. 3,000 x g에서 10분 동안 원심분리합니다.
- 3.5단계를 반복합니다. 플라스크 내용물을 3.5.2단계에서 사용한 것과 동일한 Buchner 깔때기에 붓습니다.
- SPT 50mL를 원심분리기 튜브에 넣고 손으로 세게 흔들어 튜브 바닥의 단단한 펠릿을 부수도록 합니다. 3,000 x g에서 10분 동안 원심분리합니다.
- 3.5단계를 반복합니다. 플라스크 내용물을 3.5.2단계에서 사용한 것과 동일한 Buchner 깔때기에 붓습니다.
4. 고밀도 SPT를 사용한 추가 밀도 분리
참고: 하나 이상의 추가 밀도 분획을 수행하는 경우 밀도가 증가하는 순서로 후속 분획을 수행해야 합니다. 여기서, 1.85-2.4 g/cm3 및 >2.4 g/cm3 밀도 SPT를 사용하여 분리하는 단계가 도시되어 있다.
- 50단계의 2.4g/cm3 토양 물질이 들어 있는 원심분리기 튜브에 3mL의 >3g/cm3 SPT를 추가합니다. 손으로 세게 흔들어(>60초) 튜브 바닥에 있는 단단한 펠릿을 부숴야 합니다. 3,000 x g에서 10분 동안 원심분리합니다.
- 샘플을 흡인하기 전에 피펫으로 5mL의 용액을 빼내고 저울에서 질량을 확인하여 상청액의 밀도를 테스트합니다. 원하는 밀도를 얻기 위해 필요에 따라 SPT 밀도를 조정합니다. 용액 밀도 조정이 수행된 경우 다시 흔들고 원심분리합니다.
- 이전에 사용된 1.85g/cm3 SPT 용액 대신 2.4g/cm3 SPT 용액을 사용하여 3단계를 반복합니다. 3단계가 끝나면 Buchner 깔때기에서 분리된 재료는 1.85-2.4g/cm3의 밀도를 갖는 반면 원심분리기 튜브에 남아 있는 재료는 밀도>2.4g/cm3입니다.
5. 무거운 분획 및 가벼운 분획 샘플로부터 SPT 세척
알림: 모든 분별 재료에 대해 다음 세척 단계를 수행해야 합니다. SPT 용액이 재료에서 완전히 헹구어지지 않으면 해당 분획 중량이 정확하지 않습니다.
- 무거운 분획 재료가 있는 원심분리기 튜브에 DDI 물 50mL를 넣고 손으로 세게 흔들면서(60초) 튜브 바닥의 단단한 펠릿이 부숴지도록 합니다. 3,000 x g에서 10분 동안 원심분리합니다.
- 3.5단계에서와 같이 흡인합니다. 이 시점에서, 모든 광 분획 물질이 제거되어야 한다. 투명 흡인물은 필터 깔때기에 추가하는 대신 폐기물 통에 버리십시오.
- 5.1-5.2단계를 두 번 반복합니다. 최종적으로 튜브에서 용액을 흡인하기 전에 이송 피펫을 사용하여 상층액 25mL를 빼내고 용액 중량을 부피로 나누어 밀도를 확인하여 SPT가 샘플에서 적절하게 제거되었는지 확인합니다. 밀도가 <1.01g/mL이면 다음 단계로 진행합니다. 밀도가 1.01g/mL 이상인 경우 밀도가 1.01g/mL 미만이 될 때까지 위와 같이 추가 물 세척을 수행하십시오.
- 광 분획에서 SPT를 완전히 제거하려면 각 Buchner 깔때기를 DDI 물로 채우고 유리 섬유 필터를 통해 내용물을 여과합니다. 물이 완전히 스며들면 이 과정을 두 번 더 반복합니다. 토양에 유기물이 많으면 여과에 최대 48 시간이 걸릴 수 있습니다.
6. 무거운 분획 물질의 수집
- 원심분리기 튜브의 흙을 깨끗하고 라벨이 붙은 유리 비커 또는 병에 조심스럽게 긁어냅니다. 남은 흙을 풀기 위해 튜브에 충분한 DDI 물을 붓습니다. 캡을 교체하고 흔들어 놓은 다음 슬러리를 유리 용기에 넣으십시오. 원심분리기 튜브에 남아 있는 흙을 모두 헹구고 탈이온수를 사용하여 유리 용기에 옮깁니다.
- 유리 용기를 40-60°C로 설정된 건조 오븐에 넣습니다. 일정한 건조 중량에 도달할 때까지 일반적으로 24-72시간 동안 건조합니다.
7. 광 분획 물질의 수집
- 진공 펌프를 끄고 사이드암 플라스크에서 깔때기를 제거합니다. 깔때기를 라벨이 붙은 유리 비커 또는 병 위에 수평으로 잡고 DDI 물 세척 병을 사용하여 필터에서 입자를 부드럽게 헹굽니다.
알림: 주걱을 사용하여 필터를 부드럽게 긁어내고 필터의 양쪽을 헹구어 잔여물을 모두 제거해야 할 수도 있습니다. - 유리 용기를 40-60°C로 설정된 건조 오븐에 넣습니다. 일정한 건조 중량에 도달할 때까지 일반적으로 24-72시간 동안 건조합니다.
8. 분별 된 물질의 건조 질량 칭량
- 각 용기에서 건조된 모든 재료를 플라스틱 계량 보트에 부드럽게 긁어냅니다. 소수점 네 번째 자리까지 질량을 기록합니다. 라벨이 붙은 보관 바이알 또는 백에 샘플을 넣습니다.
- 모든 건조된 샘플에 대해 반복합니다.
9. 총 유기 탄소에 대한 데이터 수집 및 분석
- 원소 C 함량 분석에 사용되는 기기에 따라 분석 절차를 따르십시오(예: ISO 10694:1995).
참고: 건조된 분획 물질을 미세 분말로 분쇄하는 것은 원소 분석 전에 분획된 샘플의 균질성을 보장하기 위한 일반적인 관행입니다. - 모든 분획의 누적 질량이 원래 토양 샘플 질량의 ~90% 이상인지 확인하십시오. 재료 손실이 >10%인 경우 추가 반복 분획이 권장됩니다.
- 분획에서 토양 유기 탄소(SOC)의 누적 회수율을 정량화합니다. SOC의 손실은 분획 물질의 불균형한 손실과 용존 유기 탄소의 손실로 인한 질량 손실과 완벽하게 상관관계가 없을 수 있습니다. 그러나 SOC의 손실은 토양 샘플에서 초기 SOC의 <10%여야 합니다.
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Representative Results
토양 밀도 분별은 토양의 미립자 및 미네랄 관련 유기물 함량이 어떻게 다른지 조사하는 데 이상적입니다. SOC를 이 두 개의 별개의 풀로 분리하면 벌크 토양 C 함량의 추세를 관찰할 때 불분명할 수 있는 토양 C 함량 및 안정화 역학의 변화를 설명할 수 있는 방법이 제공됩니다. 중질 물질(밀도 >1.85g/cm3)의 추가 분리는 토양 C 안정화의 변화와 추세에 대한 추가 통찰력을 제공하지만 절차 및 관련 해석의 복잡성을 증가시키고 추가 비용과 관련이 있습니다. 그럼에도 불구하고 토양을 3개 이상의 밀도 풀로 분별하면 토양 C 풀의 복잡한 경향과 화학적 차이를 설명할 수 있습니다. 모든 토양 분획 절차와 마찬가지로 이러한 토양 C 풀의 분리는 불완전하며 결과를 보고할 때 이러한 오류의 잠재적 영향과 방법의 가정을 인식해야 합니다. 마지막으로, 실무자는 존재하는 다양한 토양 분별 방법과 그 고유한 강점과 약점을 알고 있어야 합니다(von Lützow et al.9 및 Poeplau et al.10에서 제공한 리뷰 및 비교 참조). 이러한 토양 분별 방법의 대부분은 상호 배타적이지 않으며 토양 C 역학 분석을 개선하거나 검증하기 위해 적절하게 결합될 수 있습니다.
사용할 밀도 분획의 수를 선택하는 것은 분획 절차를 시작하기 전에 중요한 첫 번째 단계입니다. 여러 개의 풀을 항상 수학적으로 결합하여 단일 조명 분획과 단일 무거운 분획을 생성하여 결과를 다른 연구와 비교할 수 있지만, 무거운 분획을 둘 이상의 풀로 분할하면 상당한 시간과 비용이 추가됩니다. Pierson et al.33 은 장기간의 유해 조작 연구에 따라 3개의 밀도 풀에 걸쳐 SOC의 변화를 정량화했습니다. 두 개의 더 무거운 풀(그림 2)을 결합할 때, 유해한 처리의 효과는 특히 벌크 SOC 함량에서 관찰된 효과와 관련하여 경질(<1.85g/cm3) 및 중분(>1.85g/cm3) 분획 간에 뚜렷했습니다. 2.40g/cm3 에서 추가 밀도 분획을 수행함으로써(그림 3), MAOM에 대한 처리 효과가 주로 고밀도 재료(>2.4g/cm3)에 국한된다는 것을 추가로 결정할 수 있었습니다. 마지막으로, 밀도 분획 풀에 비해 벌크 토양의 보고된 C:N 함량(그림 4)은 상대적으로 낮은 C:N 함량을 가진 광물에서 식물 기반 미립자 물질을 분리하기 위한 밀도 분획 방법의 효과에 대한 명확한 입증을 제시합니다.
50년 간의 해로운 조작 후, Lajtha et al.22 는 SOC 안정화 및 불안정화에 대한 해로운 영향을 면밀히 조사하기 위해 6개의 순차적 밀도 분획을 사용했습니다(그림 5). 7개의 SOC 풀을 분리함으로써 저자는 깔짚 추가 및 제거 처리 후 POM 및 MAOM 반응에서 더 큰 뉘앙스를 관찰할 수 있었습니다. 밀도가 <2.20g/cm3 인 풀은 깔짚 투입과 SOC 축적 사이의 긍정적인 관계에 대한 오랜 기대와 일치하여 처리에 더 잘 반응했습니다. 그러나 밀도가 >2.20g/cm3 인 SOC 풀의 반응은 덜 두드러졌으며, 특히 깔짚 제거 처리의 경우 입력과 SOC 사이에 반대의 음의 관계가 확인되었습니다(즉, 입력은 감소했지만 분획의 SOC 함량은 증가). 14C에 대한 후속 분석을 수행함으로써 각 풀에 대한 보다 최근의 C 입력의 기여도와 손실을 확인하여 MAOM의 형성 및 불안정화 경로의 해로운 제어에 대한 기계론적 통찰력을 제공했습니다.
동위원소 분석과 순차적 밀도 분별을 결합하면 SOM 역학의 복잡성을 조사할 수 있는 추가적인 방법이 제공됩니다. 그러나 연구자들은 밀도 분획 결과에 대한 광물학의 영향을 고려하는 데 주의를 기울여야 합니다. 독특한 광물 구조와 반응성은 광물 간의 입자 밀도 분포에 고유한 차이를 유발합니다. 예를 들어, Sollins et al.18 은 서로 다른 모물질과 형태를 가진 4개의 숲이 우거진 토양에서 다중 밀도 풀의 동위원소 및 화학적 특성을 조사했습니다(그림 6). 4개의 토양 사이의 대조적인 광물학은 각 밀도 분율에 대해 13C, 14C및 15N에서 관찰된 차이에 크게 기여했습니다. 광물학을 고려하지 않으면 이러한 결과가 SOC 형성 및 안정화 역학과 관련하여 잘못 해석될 수 있습니다. 마지막으로, 추가 밀도 분리를 수행하는 실용성으로 돌아가서, Sollins et al.18 은 3개가 아닌 6개의 밀도 풀 분석에서 얻은 추가 정보가 거의 없었습니다(그림 6).
Helbling et al.31 은 산림 토양의 가벼운 분율 함량에 대한 계절성의 영향과 토양 건조 처리가 용해성 풀로의 C 손실에 미치는 영향을 결정했습니다(그림 7). 이 작업에서 두 가지 중요한 결과가 나타났습니다. 첫째, 토양을 오븐 건조하는 동안 SPT 용액에 대한 용존 유기 C 손실이 유의하게 더 큰 반면, 손실된 C의 양은 미미하였다. 둘째, 가벼운 분획 C 풀에 계절성이 없는 것으로 나타났으며, 이는 토양 샘플 수집 시기가 분획 결과에 영향을 미치지 않았음을 의미합니다. 그러나 POM 스톡과 분해 속도의 차이를 감안할 때 결과는 토양과 환경에 따라 다를 것으로 예상할 수 있습니다.
그림 1: 광 분획 흡인 장치. 광 분획의 흡인을 위한 진공 장치의 개략도. *Parafilm은 피펫 팁과 진공관 사이의 접합부를 고정하고 밀봉하는 데 사용할 수 있습니다. **피펫 팁을 비스듬히 절단하면 팁 개구부의 크기를 늘리고 원심분리기 튜브의 측벽에 밀착 흡입을 적용하는 데 유용할 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 벌크, 경질 및 중질 분획 토양의 탄소 함량 비교. 토양은 20년의 처리 후(n = 3) HJ Andrews Experimental Forest의 유해 투입 및 제거 처리(DIRT) 플롯에서 수집되었습니다. 뿌리 제거 처리(NR, NI)에 대한 미네랄 관련 C는 벌크 C 함량에 대해 관찰된 효과와 대조적으로 유의하게 증가했습니다. 또한, 분획화된 결과는 이중 목재(DW) 처리로부터의 벌크 C의 증가가 광 분획 C의 증가로부터 유도되었다는 것을 보여준다. 오차 막대는 표준 오차를 나타냅니다. 이 수치는 Pierson et al.33에서 수정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 중간 분획 풀과 중분 분획 풀의 비교. 토양은 20년의 처리 후(n = 3) HJ Andrews Experimental Forest의 유해 투입 및 제거 처리(DIRT) 플롯에서 수집되었습니다. 결과는 중간 분획(1.85-2.40g/cm3)과 더 무거운 분획(>2.40g/cm3)의 분리 결과를 보여줍니다. 중간 분획 C 함량은 더 큰 변동성을 보였고, 치료 효과는 유의하지 않았다. 오차 막대는 표준 오차를 나타냅니다. 이 수치는 Pierson et al.33에서 수정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: 벌크, 경질 및 중질 분획 토양에 대한 탄소 대 질소 비율. 토양은 20년의 처리 후(n = 3) HJ Andrews Experimental Forest의 유해 투입 및 제거 처리(DIRT) 플롯에서 수집되었습니다. 토양 광물에 비해 식물 조직의 높은 C:N 함량을 감안할 때, 경질 분획과 중질 분획 사이에서 관찰된 C:N 함량의 차이는 벌크 토양에서 미립자 유기물을 분리하는 토양 밀도 분획 능력을 분명히 보여줍니다. 오차 막대는 표준 오차를 나타냅니다. 이 수치는 Pierson et al.33에서 수정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5 : 50 년간의 유해한 조작에 따른 토양의 순차적 밀도 분별 (n = 4). 토양을 7 개의 밀도 분율로 분리하면 토양 광물에 대한 C 부하의 특성에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 토양 C를 증가시킨 이중 깔짚 처리는 대조군에 비해 분획 C 농도의 변화로 나타난 바와 같이 2.00-2.40 g/cm3 분획에서 광물 물질의 C 로딩을 유도했습니다. 깔짚 처리로 인한 토양 C의 손실은 밀도가 1.85-2.20g/cm3인 토양 분율에서 가장 컸습니다. 오차 막대는 표준 오차를 나타냅니다. 이 수치는 Lajtha et al.22에서 수정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6: 토양 밀도 풀에 대한 광물학의 영향. 독특한 형태의 토양은 4 개의 숲이 우거진 곳에서 수집되었습니다. 동위원소 분석은 토양 광물학이 토양 밀도 풀 전반에 걸쳐 생지화학적 특성에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지 보여줍니다. 또한, 이 경우, 6개 이상이 아닌 3개의 밀도 풀에 대한 분석은 서로 다른 동위원소 시그니처 내부 및 사이의 경향을 크게 포착했습니다. 이 수치는 Sollins et al.18에서 수정되었습니다. 원래 데이터와 그래프는 6개 이상의 풀이 있는 열에 표시됩니다. 데이터를 다시 계산하고 표시하여 3개의 풀에 대한 결과만 보여 주었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 7: 토양 밀도 분획에 대한 시료 수집 및 준비 효과. Helbling et al.31 은 오븐에서 건조된 토양이 공기 건조, 현장 축축한 토양 및 침출된 토양에 비해 더 많은 용존 유기 탄소를 생성하는 경우가 많다는 것을 발견했습니다. 샘플 수집 시즌에 걸쳐 경질 분획 질량과 중분 분획 질량의 비율은 크게 다르지 않았습니다. 이 수치는 Helbling et al.31에서 수정되었습니다. 오차 막대는 표준 오차를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
토양 밀도 분획 프로토콜 전반에 걸쳐 토양 분획의 분리 및 분석 오류를 줄이기 위해 면밀히 모니터링해야 하는 몇 가지 특정 절차가 있습니다. 토양 밀도 분별 절차에서 중요한 단계는 SPT 용액의 밀도를 반복적으로 확인하는 것입니다. 토양 샘플의 수분은 종종 SPT 용액을 희석하여 SPT의 밀도를 낮춥니다. 따라서 연구원은 원심분리 후 가벼운 용액과 무거운 용액이 완전히 분리되었는지 항상 확인해야 합니다. 분획이 적절하게 분리되지 않으면 더 많은 SPT 용액을 첨가하거나 토양의 질량을 줄여야합니다. 모래 토양은 빠르게 분리되는 반면, 특히 옥시졸과 같은 미세한 질감의 토양은 미세 입자의 높은 부유 부하로 인해 원심분리 중에 오랫동안 흐린 상태를 유지할 수 있습니다. 원심분리 후 용액이 흐려지면 원심분리 시간이나 속도를 높여야 합니다. 대안으로서, 부유 퇴적물로부터의 C 손실의 추정치는 흡인된 용액의 C 함량을 분석함으로써 결정될 수 있다.
구매할 폴리 텅스텐 산 나트륨 (SPT)의 품질을 결정하는 것은 분별 후 수행 될 분석에 달려 있습니다. Kramer et al.34는 상업용 SPT가 높은 15N 암모늄이 풍부할 수 있으므로 토양 분획의 15N서명을 크게 변경할 수 있음을 발견했습니다. 따라서 토양의 동위원소 시그니처를 측정하는 연구를 위해 C 및 N 오염을 최소화하기 위해 고순도 등급 SPT(예: SPT-0)를 사용해야 합니다. 그러나 순도 등급이 한 단계 낮은 SPT(예: SPT-1)는 종종 N 및 C 농축이 최소화되고 비용이 적게 들기 때문에 동위원소가 측정되지 않을 때 보다 경제적인 옵션을 제공합니다.
심각한 오류를 방지하려면 용액에서 모든 빛 분획을 제거하는 데 주의를 기울여야 하며, 이는 종종 흡인 중에 원심분리기 튜브의 측벽에 달라붙고 후속 여과 단계에서 깔때기에 달라붙습니다. 무거운 분획 물질에 남아있는 과량의 가벼운 분획은 가벼운 분획 C의 낮은 추정을 초래하는 동시에 무거운 분획의 C 함량을 과대 추정한다. 최종 데이터를 면밀히 검토하면 유사한 토양 특성을 가진 일련의 샘플을 분류할 때 이러한 오류를 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다.
용액에 대한 용존 유기 탄소(DOC)의 손실은 일반적으로 전체 토양 C의 <5%로 작으며 피할 수 없습니다(그림 7)31. 그러나 DOC의 손실은 일부 사막 환경에서 발견되는 것과 같이 수용성이 높은 C 풀이 있는 토양을 분별할 때 훨씬 더 클 수 있습니다35. 이러한 경우 물 추출 가능한 DOC 풀도 정량화해야 합니다. 일반적으로 토양 질량 손실, 특히 가벼운 분율로 인한 오류는 DOC 손실로 인한 오류보다 훨씬 큽니다.
토양 시료에 폴리 텅스텐 산염의 흡착은 화학적 가능성이며, 그러한 화학 교환이 발생하는 정도는 현재 알려져 있지 않다. 또한, 폴리 텅스텐 산염의 결합 친화도는 화학적 성질이 다른 토양에 따라 달라질 것으로 예상된다. 현재, 절차 종료시 토양 질량 손실과 SOC 손실 사이의 상관 관계는 폴리 텅스텐 산염 교환으로 인한 질량 이득이 분별 된 물질에서 SOC의 정량화에 무시할 수 있다는 간단하고 논리적으로 실현 가능한 형태의 보증을 제공합니다. 토양 분율의 누적 질량이 초기 샘플 질량보다 크거나 질량 손실이 SOC 손실보다 현저히 작은 경우 샘플은 폴리 텅스텐 산염을 흡수 할 수 있습니다. 이러한 문제를 해결하려면 먼저 추가 세척 단계를 수행해야 합니다. 분획 된 물질에서 폴리 텅스텐 산염의 흡수가 지속되면, 분획 된 물질의 텅스텐 함량의 증가를 확인하고 보정하기 위해 추가적인 원소 분석이 필요할 수있다. 특히, 토양 물질로부터 폴리 텅스텐 산염을 헹굴 수 없다는 것과 관련된 문제는 드뭅니다.
밀도 분획은 유리 미립자 물질(POM)과 광물 관련 유기물(MAOM)을 이상적으로 분리하지만, 물에 안정한 응집체의 존재는 밀도 분획 결과의 해석을 복잡하게 만듭니다. 미사와 점토는 강한 연관성을 형성하고 유기물과 결합할 수 있으며 토양 생물군, 뿌리 및 곰팡이 균사는 미생물 분해로부터 유기 화합물을 보호하는 데 도움이 되는 거대 응집체를 형성할 수 있습니다. 종종 폐색된 유기물이라고 하는 이 응집체 보호 유기물은 MAOM이 아니지만 무거운 분획(즉, >1.85g/cm3)으로 회수됩니다. 폐색된 POM의 포함은 중간 밀도 분획의 결과 및 해석에 가장 큰 영향을 미칠 수 있습니다. ~2.40g/cm3 이상의 밀도의 분획은 폐색된 유기 물질이 없는 유기물 부족 미네랄을 포함할 가능성이 높으며 밀도가 1.85g/cm3 미만인 물질은 미네랄이 없는 유기물로 가정되지만 중간 분획은 유기물이 풍부한 중질 미네랄, 응집체 및 유기물이 부족한 경질 미네랄의 혼합물일 수 있습니다. 현재까지 중간 분획 물질에서 발견되는 C의 차이를 해석하기 위한 일반적인 합의나 보편적인 방법은 나타나지 않았습니다. 이러한 정보를 보고할 때 폐색된 유기물과 광물학이 결과에 미치는 잠재적 영향을 인정하는 것이 좋습니다.
폐색 된 POM의 방출을 촉진하기 위해 응집체를 분산시키기 위해 다양한 화학적 및 물리적 기술이 사용되었으며, 초음파 에너지가 가장 일반적으로 사용되는 방법을 나타냅니다. 불행하게도, 골재 강도와 결합 메커니즘이 토양 유형과 골재 크기 등급36에 걸쳐 광범위하게 다르기 때문에 모든 골재에 걸쳐 완전한 분산을 일으킬 수있는 초음파 처리 에너지 수준은 없습니다. Amelung과 Zech36 은 미세 응집체 (20-250 μm)가 더 큰 거대 응집체보다 분산하기 위해 더 많은 초음파 에너지가 필요하다는 것을 발견했지만 미립자 유기물이 이러한 더 높은 에너지에서 파괴된다는 것을 발견했습니다. 또한, 강도가 증가함에 따라 순차적 초음파 처리는 자유 폐색 유기물37을 계속 생성하며, 이는 폐색 된 유기물의 단일 풀이 없으며 더 높은 초음파 처리 수준에서 분리 된 광 분획 물질의 대부분이 콜로이드 인공물이 될 수 있음을 다시 시사합니다. 카이저 (Kaiser)와 구겐버거 (Guggenberger)30 은 또한 초음파 처리가 다른 미네랄과 함께 가벼운 분획 유기물의 혼합물의 밀도 분포를 변화시킬 가능성을 입증했다. 토양 밀도 분획 중 또는 후에 초음파 분산 기술을 통합하면 SOM 풀을 분산하고 격리 할 수있는 독특한 기회를 제공하지만, 이러한 연구는 분산 효능과 POM 및 광물 구조의 파괴를 고려해야합니다.
토양 C를 쉽게 측정 가능한 풀로 분리하는 가장 일반적인 대체 방법은 크기 분별입니다. 크기 분획은 밀도 분획에 비해 빠르고 저렴하며 점토 함량과 MAOM 간의 상관 관계를 고려할 때 SOM 역학에 대한 유사한 통찰력을 제공할 수 있습니다. 실제로, Poeplau et al.10 은 세 가지 다른 토양에서 크기와 밀도 분획으로 분리된 C 풀의 SOM 회전율에 큰 차이가 없음을 발견했습니다. 그러나 점토와 같거나 작은 크기의 미립자 유기물(POM)이 일반적이며, 이는 크기 분획 방법만으로는 POM과 MAOM을 정확하게 분리할 수 없음을 의미합니다. 따라서 미세 크기 분획에 POM을 혼입시키면 상당한 양의 미세 입자상 물질이 있는 특정 토양에서 원소 및 유기 화학 분석에 오류가 발생할 수 있다15. 특정 입자 크기(예: 모래, 미사, 점토)에서 광물 재료의 C 함량을 정량화할 필요가 있는 경우, 단일 밀도 분획에 이어 중질 분획 물질의 크기 분획을 수행하여 두 가지 방법을 결합할 수 있습니다.
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Disclosures
저자는 공개 할 것이 없습니다.
Acknowledgments
이 작업을 위해 국립 과학 재단 보조금 DEB-1257032는 KL에, DEB-1440409는 HJ Andrews 장기 생태 연구 프로그램에 의해 지원되었습니다.
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 |
References
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