Nutzung der Bodendichtefraktionierung zur Trennung unterschiedlicher Bodenkohlenstoffspeicher

Diese Methode ermöglicht es den Forschern, im Rahmen der Bodenkohlenstoffstabilisierungsforschung eine kleine Anzahl von funktionellen Pools von Bodenkohlenstoff in messbare und modellierbare Fraktionen zu isolieren. Diese Technik ist einfach durchzuführen, ermöglicht eine bessere Reproduzierbarkeit über verschiedene Bodentypen hinweg und unterscheidet verschiedene Pools von Bodenkohlenstoff basierend auf dem Grad der Assoziation mit verschiedenen Mineralien. Die Fraktionierung des Bodens in organische Substanz mit leichtem Anteil und mineralische Komponenten mit schwerem Anteil verdeutlicht die Kohlenstoffbindungs- und Stabilisierungsmechanismen des Bodens zur Modellierung der Kohlenstoffumsatzraten im Boden und der Größe des mineralorganischen Assoziationspools.

Es ist leicht, Material während des Spülens und Übertragens zu verlieren, daher ist eine konsequente und sorgfältige Berücksichtigung der Probenmasse und des Kohlenstoffgehalts der Schlüssel zur Gewährleistung einer Gesamtausbeute von mindestens 90 %. Beginnen Sie mit der Zugabe von 50 Gramm der luftgetrockneten Bodenprobe, die auf zwei Millimeter gesiebt ist, in ein konisches 250-Milliliter-Zentrifugenröhrchen aus Polypropylen und notieren Sie die Masse auf mindestens vier signifikante Zahlen. Geben Sie dann 50 Milliliter der 1,85 Gramm pro Kubikzentimeter SPT-Lösung in das Zentrifugenröhrchen und verschließen Sie das Röhrchen fest.

Schütteln Sie das Röhrchen nun ca. 60 Sekunden lang kräftig von Hand, um die nicht wasserstabilen Aggregate aufzubrechen. Befestigen Sie anschließend das dicht verschlossene Röhrchen an einem Plattformschüttler und schütteln Sie es zwei Stunden lang mit 40 bis 120 Umdrehungen pro Minute. Oft hilft das Aufstellen des Rohrs auf der Seite bei der Bodenverteilung, indem es die Schwappkraft erhöht und die Stehhöhe der Bodenschicht verringert.

Entfernen Sie das Röhrchen regelmäßig aus dem Shaker und schütteln Sie es kräftig von Hand, um die Bewegung des dichteren aggregierten Materials zu erhöhen. Nachdem Sie das Röhrchen aus dem Schüttler genommen haben, gleichen Sie die Massen des Zentrifugenröhrchens über den zu zentrifugierenden Röhrchensatz aus, indem Sie bei Bedarf vorsichtig zusätzliche SPT-Lösung hinzufügen. Stellen Sie sicher, dass Sie nach Zugabe der SPT-Lösung 30 Sekunden lang kräftig von Hand schütteln.

Zentrifugieren Sie die Röhrchen 10 Minuten lang bei 3.000 g in einer Schaufelzentrifuge. Testen Sie nach dem Zentrifugieren die Dichte des Überstandes, indem Sie fünf Milliliter desselben mit einer Pipette ziehen und die Masse mit einer Waage überprüfen. Passen Sie die SPT-Lautstärke bei Bedarf an, um die gewünschte Dichte zu erreichen.

Schütteln und zentrifugieren Sie erneut, wenn eine Anpassung der Lösungsdichte durchgeführt wurde. Befestigen Sie einen Ein-Liter-Seitenarmkolben an einer Vakuumpumpe und legen Sie einen 110-Millimeter-Glasfaserfilter mit einer Porengröße von 0,7 Mikrometern in einen Porzellan-Buchner-Trichter mit einem Innendurchmesser von 12 Zentimetern. Verschließen Sie den Trichter vorsichtig mit einer konischen Gummidichtung auf dem Seitenarmkolben.

Verwenden Sie einen Vakuumleitungsverteiler, um mehrere Proben gleichzeitig zu betreiben. Befestigen Sie anschließend einen weiteren Ein-Liter-Seitenarmkolben an der Vakuumpumpe und legen Sie einen Gummistopfen mit angebrachtem Schlauch zum Absaugen mit einer hervorstehenden Rohrlänge von etwa 0,5 Metern darauf. Saugen Sie den Überstand, einschließlich des Schwebstoffs in der obersten Schicht, vorsichtig an den Seiten des Zentrifugenröhrchens ab.

Berühren Sie die pelletierte Bodenoberfläche nicht mit der Spitze des Aspirationsrohrs. Wenn es nicht sorgfältig vorgeht, ist es leicht, versehentlich schweres Fraktionsmaterial aus dem Pellet abzusaugen. Um das Aspirationsrohr zwischen den Proben zu reinigen, tauchen Sie die Spitze des Röhrchens sehr schnell in deionisiertes/destilliertes oder DDI-Wasser und ziehen Sie etwa fünf Milliliter des Wassers durch die Leitung durch Anlegen des Vakuums.

Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis das gesamte Material aus der Vakuumröhre gespült wurde. Entfernen Sie nach dem Absaugen den Gummistopfen und den Aufsatz des Ansaugschlauchs aus dem 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 den Vorgang, bis alle Rückstände entfernt sind. Dann suspendieren Sie das Bodenpellet wieder in 50 Millilitern SPT, indem Sie das Zentrifugenröhrchen 60 Sekunden lang von Hand kräftig schütteln, um das harte Pellet am Boden aufzubrechen. Zentrifugieren Sie das Röhrchen 10 Minuten lang bei 3.000 g.

Wie bereits gezeigt, saugen Sie den Überstand ab und sammeln Sie ihn im selben Kolben, nachdem Sie durch denselben Buchner-Trichter gefiltert wurden. Um SPT aus dem Material der schweren Fraktion zu waschen, geben Sie 50 Milliliter DDI-Wasser in das Zentrifugenröhrchen, das das Pellet der schweren Fraktion enthält, und schütteln Sie das Röhrchen 60 Sekunden lang kräftig von Hand, wobei Sie darauf achten, dass das harte Pellet aufgebrochen wird. Zentrifugieren Sie das Röhrchen 10 Minuten lang bei 3.000 g.

Saugen Sie den Überstand wie zuvor beschrieben ab. Alle verbleibenden schwimmenden Partikel sollten mit dem Rest des Leichtfraktionsmaterials in den Trichter gegeben werden. Wiederholen Sie den Waschvorgang zweimal.

Als nächstes kratzen Sie den Boden vorsichtig aus dem Zentrifugenröhrchen in ein sauber beschriftetes Becherglas oder Glas. Gießen Sie genügend DDI-Wasser in das Röhrchen, um die restliche Erde zu lösen, und schütteln Sie das Röhrchen, bevor Sie die Aufschlämmung in den Glasbehälter geben. Spülen Sie den Schlauch gut mit DDI-Wasser aus und geben Sie die Wäsche zurück in den Glasbehälter.

Stellen Sie den Glasbehälter in einen Trockenofen zwischen 40 und 60 Grad Celsius und trocknen Sie, bis ein konstantes Trockengewicht erreicht ist, was normalerweise 24 bis 72 Stunden dauert. Um die vollständige Entfernung des SPT aus der Leichtfraktion zu gewährleisten, füllen Sie den Buchner-Trichter, der das Leichtfraktionsmaterial enthält, mit DDI-Wasser und filtern Sie den Inhalt durch Glasfaserfilter. Sobald das Wasser vollständig durchgesickert ist, wiederholen Sie den Waschvorgang zweimal.

Entfernen Sie den Trichter aus dem Seitenarmkolben, nachdem Sie die Vakuumpumpe ausgeschaltet haben. Halten Sie nun den Trichter horizontal über ein beschriftetes Becherglas oder Glas und spülen Sie die Partikel vorsichtig mit DDI-Wasser aus einer Waschflasche aus dem Filter. Stellen Sie den Glasbehälter in einen Trockenofen zwischen 40 und 60 Grad Celsius und trocknen Sie, bis ein konstantes Trockengewicht erreicht ist, was normalerweise 24 bis 72 Stunden dauert.

Um die Trockenmasse der fraktionierten Materialien zu wiegen, nehmen Sie jeden Behälter und kratzen Sie das gesamte getrocknete Material vorsichtig in ein Plastikwaagenboot. Notieren Sie die Masse bis zur vierten Dezimalstelle, bevor Sie die Probe in ein beschriftetes Aufbewahrungsfläschchen oder einen Beutel legen. Jede Fraktion sowie der Schüttboden sind nun bereit für die Analyse.

Die folgenden Abbildungen zeigen die Wirksamkeit der Methode und den Einblick in die Kohlenstoffspeicher im Boden. Hier zeigte die Rückgewinnung von organischem Kohlenstoff im Boden in verschiedenen Fraktionen deutliche Auswirkungen der Detritalbehandlungen auf die leichten und schweren Fraktionen, insbesondere im Verhältnis zu den beobachteten Auswirkungen auf den Schüttgehalt. Eine zusätzliche Dichtefraktionierung zeigte, dass die Behandlungseffekte auf die mineralassoziierte organische Substanz überwiegend auf das Material mit höherer Dichte beschränkt waren, die Zwischenfraktion jedoch trotz größerer Variabilität keinen signifikanten Effekt zeigte.

Der Kohlenstoff-Stickstoff-Gehalt des Schüttbodens im Verhältnis zu den fraktionierten Becken belegte eindeutig die Wirksamkeit der Dichtefraktionierungsmethode zur Trennung von pflanzlichem Feinstaub aus mineralischen Stoffen. Pools mit Dichten unter 2,20 Gramm pro Kubikzentimeter reagierten mehr auf die Behandlungen als Pools mit höheren Dichten. Die Isotopenanalyse zeigte den Einfluss der Bodenmineralogie auf die biogeochemischen Eigenschaften von Bodendichtebecken.

Darüber hinaus erfasste die Analyse von drei Dichtepools im Gegensatz zu sechs oder mehr die Isotopentrends weitgehend. Für den Gehalt an leichten Fraktionen ergab die Ofentrocknung einen signifikant größeren Kohlenstoffverlust in Form von gelöstem organischem Kohlenstoff, obwohl der Verlust unbedeutend war. Zweitens wurde im Kohlenstoffpool keine Saisonalität beobachtet.

Überprüfen Sie die SPT-Lösungsdichte sorgfältig, um sicherzustellen, dass sie konsistent bleibt und nicht durch in den Proben vorhandenes Wasser verdünnt wird. Eine zu niedrige oder zu hohe Lösungsdichte stellt die Kohlenstoffmenge in Proben falsch dar. Die Kombination von 13C-, 14C- und 15N-Isotopenanalyse und Massenspektroskopie bietet zusätzliche Einblicke in die Dynamik des SOC-Zyklus und berücksichtigt gleichzeitig die Standorthistorie und die Bodeneigenschaften.

Diese Technik ermöglicht es Forschern, direkt messbare Kohlenstoffpools zu isolieren, die sich in der Umsatzzeit, dem Stabilisierungsmechanismus und der Chemie signifikant unterscheiden, um die Kohlenstoffmodellierung im Boden genauer zu informieren.