利用土壤密度分馏法分离不同的土壤碳库

摘要

土壤密度分组法可将土壤有机质分离为具有不同稳定机制、化学性质和周转时间的独立组分。利用特定密度的多钨酸钠溶液，可分离游离态颗粒有机质和矿物结合态有机质，从而获得适用于描述土壤对管理和气候变化响应的有机质组分。

摘要

土壤有机质（SOM）是一种复杂的混合物，包含从游离的、部分降解的植物组分，到被土壤团聚体束缚的微生物改造程度较高的化合物，再到与活性土壤矿物紧密结合的高度转化的微生物副产物。土壤科学家一直致力于寻找将土壤分离为可测量且对土壤碳（C）建模有用组分的方法。基于密度的土壤组分分离方法正日益得到广泛应用，该方法操作简便，并可根据SOM与不同矿物结合程度的差异获得相应的碳库；因此，土壤密度分组有助于表征土壤有机质并揭示其稳定机制。然而，已报道的土壤密度分组方案存在显著差异，导致不同研究和生态系统之间的结果难以比较。本文介绍了一种可靠的密度分组流程，用于分离颗粒态有机质和矿物结合态有机质，并阐述将土壤分为两组、三组或更多密度组分的优缺点。这些组分通常在化学与矿物组成、周转时间、微生物转化程度以及矿物稳定化程度方面存在差异。

引言

土壤是陆地碳（C）最大的储存库，全球表层1米土壤中储存的碳超过1,500 Pg，更深层土壤中的碳储量几乎达到该数值的两倍，因此土壤中的碳含量超过了植物生物量和大气中碳含量的总和¹。土壤有机质（SOM）能够保持水分和土壤养分，对植物生产力及陆地生态系统功能至关重要。尽管全球已普遍认识到充足的SOM储量对土壤健康和农业生产力的重要性，但由于不可持续的森林和农业管理、景观变化以及气候变暖，土壤碳储量已显著减少^2,3。随着人们对恢复土壤健康以及将土壤碳固存作为自然气候解决方案关键组成部分的兴趣日益增加，科研界正致力于了解在不同环境中控制土壤碳封存与稳定性的各种因素^4,5。

土壤有机质（SOM）是一种复杂的混合物，包含多种化合物，其范围从游离的、部分降解的植物组分，到被包裹在土壤团聚体（此处定义为由独立单元或组分结合形成的物质）中、经微生物显著转化的化合物，再到与活性土壤矿物紧密结合的高度转化的微生物代谢产物⁶。在难以全面鉴定SOM中所有单个化合物的情况下，研究者通常聚焦于识别数量较少、具有物理实在性的碳功能库，这些碳库在周转速率、基本化学组成以及与土壤矿物组....

方案

1. 配制偏钨酸钠（SPT）储备液

警告：SPT 具有刺激性，吞咽或吸入有害。对水生生物有毒，避免向环境中释放。

1. 配制密度为 1.85 g/cm³ 的 1 L SPT 溶液：将 1,051 g 结晶 SPT 溶解于约 600 mL 去离子蒸馏水（DDI）中。搅拌溶液直至 SPT 完全溶解（约 15 分钟），然后用 DDI 定容至 1 L。
   注意：使用密度<1.85 g/cm³ 的溶液进行碳回收时，可能导致来源于颗粒有机质的轻组分碳回收不足^17,18，从而低估样品中的碳含量。因此，建议采用密度为 1.85 g/cm³ 的 SPT 溶液^8,17，以便更全面地回收与颗粒有机质相关的碳，适用于典型的土壤样品（即碳含量<10% 的大多数砂质、粉质和黏质壤土）。
2. 配制密度为 2.40 g/cm³ 的 1 L SPT 溶液：将 1,803 g 固体 SPT 溶解于约 500 mL DDI 水中。搅拌溶液直至 SPT 完全溶解，然后用 DDI 定容至 1 L。

结果

土壤密度组分分离法非常适合用于研究不同土壤在颗粒态和矿物结合态有机质含量上的差异。将土壤有机碳（SOC）划分为这两种不同的组分，有助于阐明土壤碳含量及其稳定化动态的变化，而这些变化在仅观察全土碳含量趋势时可能难以察觉。进一步分离重组分物质（密度 >1.85 g/cm³）可更深入地揭示土壤碳稳定化的具体变化与趋势，但也会增加实验操作的复杂性、结果解释的难度以及相关成本。尽管如此，将土壤划分为三个或更多密度组分，有助于揭示土壤碳库中复杂的趋势及其化学性质的差异。与所有土壤组分分离方法一样，此类土壤碳库的分离并不完全精确，因此在报告结果时应充分认识到这些方法误差的潜在影响及其所依赖的假设条件。最后，研究人员应了解目前存在的多种土壤组分分离方法及其各自的优势与局限性（参见 von Lützow 等人⁹ 和 Poeplau 等人¹⁰ 提供的综述与比较）。这些土壤组分分离方法并非相互排斥，可合理结合使用，以改进或验证对土壤碳动态的分析。

在开始分步分离程序之前，选择所用密.......

讨论

在整个土壤密度分组分离流程中，有几个特定步骤必须密切监控，以减少土壤组分分离与分析过程中的误差。土壤密度分组分离过程中的一个关键步骤是反复验证SPT溶液的密度。土壤样品中的水分往往会稀释SPT溶液，从而降低其密度。因此，研究人员必须始终确保离心后轻组与重组溶液已实现完全分离。如果组分未能充分分离，应添加更多SPT溶液，或减少土壤质量。砂质土壤分离迅速，而质地较细的土壤（尤其是氧化土）由于细颗粒悬浮量高，在离心过程中可能长时间保持浑浊状态。当离心后溶液仍呈浑浊时，应延长离心时间或提高离心速度。作为替代方案，可通过分析吸出液中的碳含量，估算悬浮沉积物造成的碳损失。

选择购买的多钨酸钠（SPT）质量取决于分馏后将进行的分析类型。Kramer 等人³⁴发现，市售的 SPT 可能富含高¹⁵N 的铵，因此可能显著改变土壤组分的¹⁵N同位素特征。因此，在需要测定土壤同位素特征的研究中，应使用高纯度级别的 SPT（例如 SPT-0），以确保碳和氮的污染最小化。然而，纯度等级稍低一级的 SPT（例如 SPT-.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
吸液器/真空管 1/4 x 1/2"	Kimble	10847-216
锥形聚丙烯离心管，250 mL	Thermo Scientific	376814
用于过滤瓶的锥形橡胶垫圈	DWK Life Sciences	292020001
双头平口不锈钢刮刀	Fisher Scientific	14-373-25A
玻璃纤维滤膜，GF/F 级，110 mm	Whatman	WHA1825110
玻璃广口罐，16 盎司	Ball Corporation		500 ml 烧杯或玻璃称量皿也可替代使用
聚丙烯锥形瓶适配器，250 mL	Beckman Coulter	369385
瓷质布氏漏斗，90 mm	FisherBrand	FB966F
往复式摇床，双速	Eberbach	E6000.00
侧臂烧瓶，1000 mL	VWR	89000-386
多钨酸钠，结晶状	Sometu	SPT-0 或 SPT-1，SPT 选择请参见讨论部分	通过联邦快递从德国运输
摆动桶式离心机	Beckman Coulter	3362020