利用土壤密度分馏法分离不同的土壤碳库

该方法可将少量具有活性的土壤碳库分离为可测量且可建模的组分，作为土壤碳稳定化研究的一部分。该技术操作简便，适用于多种土壤类型，具有更高的可重复性，并可根据土壤碳与不同矿物结合程度的差异，区分出不同的土壤碳库。将土壤分离为轻组有机质和重组矿物组分，有助于阐明土壤碳的固定与稳定机制，为模拟土壤碳周转速率及矿物-有机质结合库的规模提供依据。

在冲洗和转移过程中容易损失样品，因此始终如一且仔细地记录样品质量和碳含量，是确保总回收率不低于90%的关键。首先，将50克经风干并过2毫米筛的土壤样品加入到一个250毫升的锥形聚丙烯离心管中，并将质量记录至至少四位有效数字。然后向离心管中加入50毫升密度为1.85克/立方厘米的SPT溶液，并 tightly 盖紧管盖。

现在，用手剧烈振荡试管约60秒，以破坏非水稳定性团聚体。接着，将密封严密的试管固定在平台振荡器上，在每分钟40至120转的条件下振荡两小时。通常，将试管侧放有助于增加液体晃动作用力，减小土层的静置高度，从而促进土壤分散。

定期从摇床中取出试管，用手剧烈振荡，以增强较密集的聚集物的搅动。从摇床取出试管后，通过在需要的位置小心添加额外的 SPT 溶液，使待离心的整套离心管质量平衡。添加 SPT 溶液后，务必用手剧烈振荡 30 秒。

将离心管置于水平转子离心机中，以 3,000 g 离心 10 分钟。离心后，用移液器吸取 5 mL 上清液，通过天平称量其质量，测定上清液的密度。如有需要，调整 SPT 体积以达到目标密度。

若进行了溶液密度调整，则再次振荡并离心。将一个1升的抽滤瓶连接至真空泵，并在内径为12厘米的瓷质布氏漏斗中放置一张孔径为0.7微米、直径为110毫米的玻璃纤维滤膜。使用锥形橡胶垫圈将漏斗小心密封在抽滤瓶上。

使用真空管线多联装置可同时处理多个样品。接着，将另一个一升的抽滤瓶连接至真空泵，并在瓶口塞上带有导管的橡胶塞，导管用于抽吸，其伸出长度约为0.5米。轻柔地沿离心管管壁抽吸上清液，包括顶部边缘悬浮的物质。

不要用吸管尖端接触已沉淀的土壤表面。若操作不当，容易意外吸入沉淀物中的重组分物质。在样品之间清洗吸管时，需将管尖迅速插入去离子水/蒸馏水（DDI水）中，并通过施加真空抽吸约五毫升水通过管路。

重复操作，直至所有物质均被冲洗出真空管。抽滤完成后，从侧臂烧瓶上取下橡胶塞和抽滤管装置，在保持真空泵开启的状态下，将烧瓶中的内容物倒入布氏漏斗上部。用去离子水（DDI水）冲洗烧瓶，轻轻摇晃后，将冲洗液一并倒入布氏漏斗中。

重复上述步骤直至所有残留物被去除。然后，将土壤沉淀物重新悬浮于50毫升SPT中，通过手动剧烈振荡离心管60秒，以打碎管底的坚硬沉淀。在3,000 g条件下离心10分钟。

如先前所示，吸出上清液，并通过同一布氏漏斗过滤后收集到同一烧瓶中。为从重组分材料中洗涤SPT，向含有重组分沉淀的离心管中加入50毫升去离子水，用手剧烈振荡管子60秒，确保将坚硬的沉淀打散。在3,000 g条件下离心10分钟。

按照前述方法吸除上清液。残留的任何漂浮颗粒应与轻组分材料的其余部分一同加入漏斗中。重复洗涤步骤两次。

接下来，小心地将离心管中的土壤刮入一个干净且已标记的玻璃烧杯或玻璃瓶中。向离心管中加入足量的双蒸水（DDI水），以松动残留的土壤，振荡离心管，然后将悬液转移至玻璃容器中。用双蒸水充分冲洗离心管，并将洗涤液一并倒入玻璃容器中。

将玻璃容器置于设定温度为 40 至 60 摄氏度的干燥烘箱中，干燥至恒定干重，通常需要 24 至 72 小时。为确保从轻组分中彻底去除 SPT，用 DDI 水填充含有轻组分材料的布氏漏斗，并通过玻璃纤维滤膜过滤内容物。待水完全过滤后，重复洗涤两次。

关闭真空泵后，将漏斗从侧管烧瓶上取下。现在，将漏斗水平持于已标记的玻璃烧杯或玻璃瓶上方，用洗瓶中的去离子水（DDI水）轻轻冲洗滤膜上的颗粒。将该玻璃容器置于40至60摄氏度的干燥烘箱中，干燥至恒重，通常需要24至72小时。

为称量分馏后材料的干重，取每个容器，轻轻将其中所有干燥物质刮入一个塑料称量皿中。在将样品放入已标记的储存瓶或袋之前，记录质量至小数点后四位。各分馏组分以及原土样现均已准备好用于分析。

以下图表展示了该方法在土壤碳库研究中的有效性及洞察力。不同组分中土壤有机碳的回收率显示出碎屑处理对轻组分和重组分具有明显不同的影响，尤其与对整体含量的影响相比更为显著。进一步的密度分组分析表明，处理措施对矿物结合态有机质的影响主要局限于高密度组分，而中间密度组分未显示出显著效应，尽管其变异性较大。

与分组组分相比，整土的碳氮含量明显证实了密度分组法在分离植物来源的颗粒物质与矿物物质方面的有效性。密度低于2.20克/立方厘米的组分对处理的响应强于高密度组分。同位素分析揭示了土壤矿物学对不同密度组分土壤地球化学特性的影响。

此外，与六个或更多密度梯度组分相比，三个密度梯度组分的分析在很大程度上已能够反映同位素变化趋势。对于轻组分含量而言，烘箱干燥导致以溶解性有机碳形式损失的碳显著增加，尽管损失量微不足道。其次，碳库未表现出季节性变化。

在整个过程中仔细验证 SPT 溶液密度，确保其保持一致，不被样品中残留的水分稀释。溶液密度过低或过高均会错误反映样品中的碳含量。结合 13C、14C 和 15N 同位素分析与质谱技术，可在考虑采样点历史及土壤特性的基础上，进一步揭示土壤有机碳（SOC）循环动态。

该技术可使研究人员直接分离出周转时间、稳定机制和化学性质显著不同的碳库，从而更准确地为土壤碳模型提供依据。