Waiting
Procesando inicio de sesión ...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

ניצול שבירת צפיפות הקרקע להפרדת בריכות פחמן נפרדות בקרקע

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

שבירת צפיפות הקרקע מפרידה את החומר האורגני של הקרקע לבריכות נפרדות בעלות מנגנוני ייצוב, כימיה וזמני תחלופה שונים. פתרונות פוליטונגסטייט נתרן עם צפיפויות ספציפיות מאפשרים הפרדה של חומר אורגני חלקיקי חופשי וחומר אורגני הקשור למינרלים, וכתוצאה מכך שברי חומר אורגני המתאימים לתיאור תגובת הקרקע לניהול ושינויי אקלים.

Abstract

חומר אורגני בקרקע (SOM) הוא תערובת מורכבת של תרכובות שונות המשתרעות על פני הטווח שבין רכיבים צמחיים חופשיים ומפורקים חלקית, דרך תרכובות שעברו שינוי מיקרוביאלי המוחזק בצברי הקרקע ועד תוצרי לוואי מיקרוביאליים מעובדים מאוד עם קשרים חזקים עם מינרלים תגובתיים בקרקע. מדעני קרקע נאבקו למצוא דרכים להפריד את הקרקע לשברים הניתנים למדידה בקלות ושימושיים למידול פחמן בקרקע (C). הפרדת קרקע על בסיס צפיפות נמצאת בשימוש הולך וגובר, והיא קלה לביצוע ומניבה בריכות C על פי מידת הקשר בין ה- SOM למינרלים שונים; לפיכך, שבירת צפיפות הקרקע יכולה לסייע באפיון ה- SOM ובזיהוי מנגנוני ייצוב SOM. עם זאת, פרוטוקולי שבירת צפיפות הקרקע המדווחים משתנים באופן משמעותי, מה שהופך את התוצאות ממחקרים ומערכות אקולוגיות שונות לקשות להשוואה. כאן, אנו מתארים הליך שבר צפיפות חזק המפריד חלקיקים וחומר אורגני הקשור למינרלים ומסבירים את היתרונות והחסרונות של הפרדת הקרקע לשניים, שלושה או יותר שברי צפיפות. שברים כאלה נבדלים לעתים קרובות בהרכב הכימי והמינרלי שלהם, בזמן התחלופה ובמידת העיבוד המיקרוביאלי, כמו גם במידת הייצוב המינרלי.

Introduction

הקרקע היא המאגר הגדול ביותר של פחמן יבשתי (C), המכיל למעלה מ -1,500 Pg של C ב -1 מ 'העליון וכמעט כפול כמות זו ברמות עמוקות יותר בעולם, כלומר הקרקע מכילה יותר C מאשר ביומסה צמחית והאטמוספרה יחד1. חומר אורגני בקרקע (SOM) שומר על חומרי הזנה של מים וקרקע והוא חיוני לפריון הצמח ולתפקוד המערכת האקולוגית היבשתית. למרות ההכרה העולמית בחשיבותם של מלאי SOM הולם לבריאות הקרקע ולפרודוקטיביות החקלאית, מלאי קרקע C הידלדל באופן משמעותי עקב ניהול יערות וחקלאות שאינו בר קיימא, שינויי נוף והתחממות אקלים 2,3. העניין הגובר בשיקום בריאות הקרקע ובשימוש בשימור קרקע C כשחקן מפתח בפתרונות אקלים טבעיים הוביל למאמצים להבין את הגורמים השולטים בתפיסת וייצוב קרקע C בסביבות מגוונות 4,5.

חומר אורגני בקרקע (SOM) הוא תערובת מורכבת של תרכובות שונות המשתרעות על פני הטווח שבין רכיבים צמחיים חופשיים ומפורקים חלקית, דרך תרכובות שהשתנו מיקרוביאלית יותר המוחזקות בצברי הקרקע (המוגדרים כאן כחומר שנוצר על ידי שילוב של יחידות או פריטים נפרדים) ועד תוצרי לוואי מיקרוביאליים מעובדים מאוד עם קשרים חזקים עם מינרלים תגובתייםבקרקע 6 . במקרים בהם אין זה מעשי לזהות את החבילה המלאה של תרכובות בודדות ב- SOM, החוקרים מתמקדים לעתים קרובות בזיהוי מספר קטן יותר של מאגרים פונקציונליים של C הקיימים כמציאות פיזיקלית ומשתנים לפי שיעורי מחזור, הרכב כימי כללי ומידת הייצוב עם המרכיבים המינרליים של הקרקע1, 7. על מנת שניתן יהיה לפרש ולעצב את הבריכות באופן ביקורתי, חיוני שהבריכות המופרדות יהיו קטנות במספרן, יהיו מדידות באופן ישיר ולא רק תיאורטיות, ויציגו הבדלים ברורים בהרכב ובתגובתיות8.

טכניקות רבות ושונות, כימיות ופיזיקליות, שימשו לבידוד בריכות משמעותיות של קרקע C, ואלה מסוכמות היטב על ידי פון Lützow et al.9 ו Poeplau et al.10. טכניקות מיצוי כימיות שואפות לבודד בריכות ספציפיות, כגון C הקשורות ל-Fe גבישי או גבישי גרוע ול-Al11. ממסים אורגניים שימשו למיצוי תרכובות ספציפיות כגון שומנים12, וההידרוליזה או החמצון של SOM שימשו כמדד לבריכה של C13,14. עם זאת, אף אחת משיטות החילוץ הללו אינה מסווגת את כל המאגרים של C לשברים מדידים או ניתנים למידול. השבר הפיזי של הקרקע מסווג את כל קרקע C לבריכות על פי גודלה ומניח שהפירוק של פסולת צמחים גורם לקיטוע ולחלקיקים קטנים יותר ויותר. אף על פי שהגודל לבדו אינו יכול להפריד פסולת צמחית חופשית מפסולת SOM15 הקשורה למינרלים, כימות שני המאגרים הללו הוא קריטי להבנת ייצוב הקרקע C עקב הבדלים מרחביים, פיזיקליים וביו-גיאוכימיים נפוצים בהיווצרות ובמחזור16.

השבר של קרקע C על בסיס צפיפות נמצא בשימוש הולך וגובר, והוא קל לביצוע ומזהה מאגרים שונים של C בהתבסס על מידת הקשר עם מינרלים שונים17,18,19; לפיכך, שבירת צפיפות הקרקע יכולה לעזור להבהיר מנגנוני ייצוב קרקע C שונים. הדרישה העיקרית להפרדת הקרקע היא היכולת לפזר באופן מלא את החלקיקים האורגניים והמינרליים. לאחר פיזורו, חומר אורגני מפורק שאינו מכיל מינרלים צף בתמיסות קלות יותר מ~1.85 גרם לסמ"ק 3, בעוד שמינרלים בדרך כלל נופלים בטווח של 2-4.5 גרם לס"מ 3, אם כי תחמוצות ברזל עשויות להיות צפופות של עד 5.3 גרם לסמ"ק3. למקטע החלקיקים הקלים או החופשיים יש זמן תחלופה קצר יותר (אלא אם כן יש זיהום משמעותי על ידי פחם) והוכח כבעל תגובה גבוהה לגידול ולהפרעות אחרות. לחלק הכבד (>1.85 גרםלסמ"ק 3) או הקשור למינרלים יש לעתים קרובות זמן תחלופה ארוך יותר בשל העמידות לפירוק בתיווך מיקרוביאלי המושג כאשר מולקולות אורגניות נקשרות למשטחים מינרליים תגובתיים. עם זאת, החלק הכבד עשוי להרוות (כלומר, להגיע לגבול העליון של קיבולת מורכבות מינרלים), בעוד שהחלק הקל יכול תיאורטית להצטבר כמעט ללא הגבלת זמן. לפיכך, הבנת ההתפלגות הפיזית של חומר אורגני במאגרים של חומר אורגני הקשור למינרלים לעומת חלקיקים מסייעת להבהיר אילו מערכות אקולוגיות ניתן לנהל לקיבוע פחמן יעיל וכיצד מערכות שונות יגיבו לשינויי אקלים ולדפוסים משתנים של הפרעה אנתרופוגנית20.

בעוד שהשימוש בשבר צפיפות באמצעות תמיסות של פוליטונגסטייט נתרן בצפיפויות שונות גדל מאוד בעשור האחרון, הטכניקות והפרוטוקולים משתנים באופן משמעותי, מה שהופך את התוצאות ממחקרים שונים ומערכות אקולוגיות שונות לקשות להשוואה. למרות שצפיפות של 1.85 גרם לסמ"ק 3 הוכחה כמשחזרת את הכמות הגדולה ביותר של חלק אור חופשי עם הכללה מינימלית של חומר אורגני הקשור למינרלים (MAOM)17, מחקרים רבים השתמשו בצפיפויות שנעות בין 1.65-2.0 גרם לס"מ3. בעוד שרוב המחקרים חילקו קרקעות לשתי בריכות בלבד (חלק קל ושבר כבד, להלן LF ו-HF), מחקרים אחרים השתמשו בצפיפויות מרובות כדי לזקק עוד יותר את החלק הכבד לבריכות הנבדלות זו מזו במינרלים שהם קשורים אליהם, ביחס היחסי בין מינרלים לציפוי אורגני, או במידת הצבירה (למשל, 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). בנוסף, הוצעו הליכי שבירה מורכבים יותר המשלבים הפרדת גודל וצפיפות כאחד, וכתוצאה מכך מספר גדול יותר של בריכות (למשל, Yonekura et al.26, Virto et al.27, Moni et al.15, Poeplau et al.10) אך גם יותר מקום לטעויות, הן במתודולוגיה והן ביחס לגודל הבריכה. יתר על כן, המחברים השתמשו גם בסוניקציה בעוצמות ובזמנים שונים במאמץ לפזר אגרגטים ו- MAOM ממשטחים מינרליים28,29,30.

כאן, אנו מתארים הליך שבר צפיפות חזקה המזהה, ראשית, שני מאגרים ייחודיים של פחמן קרקע (LF ו- HF, או POM ו- MAOM), ואנו מציעים הן את הטכניקות והן את הטיעונים כדי להפריד עוד יותר את מאגר HF לשברים נוספים הנבדלים זה מזה בהתבסס על המינרלוגיה שלהם, מידת הציפוי האורגני או הצבירה שלהם. השברים שזוהו כאן הוכחו כשונים מבחינת הרכבם הכימי, זמן התחלופה שלהם, מידת העיבוד המיקרוביאלי ומידת ייצוב המינרלים18,19.

ההליך הבא מפריד קרקע בתפזורת לחומר אורגני חלקיקי (POM) ולחומר אורגני הקשור למינרלים (MAOM) על ידי ערבוב כמות ידועה של קרקע בתמיסה בעלת צפיפות מסוימת. יעילות ההליך נמדדת על ידי התאוששות משולבת של מסת קרקע ופחמן ביחס למסת דגימת הקרקע הראשונית ותכולת C. תמיסה צפופה מושגת על ידי המסת נתרן polytungstate (SPT) במים deionized. הקרקע מעורבבת בתחילה עם תמיסת SPT צפופה ונסערת כדי לערבב ולפזר היטב את אגרגטי הקרקע. לאחר מכן משתמשים בצנטריפוגה כדי להפריד את חומרי הקרקע שצפים (חלק קל) או שוקעים (שבר כבד) בתמיסה. שלבי הערבוב, הבידוד, ההתאוששות והשטיפה חוזרים על עצמם מספר פעמים כדי להבטיח את הפרדת השברים הקלים והכבדים, יחד עם הסרת SPT מהחומר. לבסוף, שברי הקרקע מיובשים, נשקלים ומנותחים עבור תוכן C. החומר המופרד עשוי לשמש להליכים ולניתוחים הבאים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. ביצוע פתרונות מלאי של polytungstate נתרן (SPT)

אזהרה: SPT הוא חומר מגרה ומזיק בבליעה או בשאיפה. הוא רעיל לאורגניזמים ימיים; הימנעו משחרורו לסביבה.

  1. כדי לייצר 1 ליטר של תמיסת SPT בצפיפות של 1.85 גרם/ס"מ3, יש להמיס 1,051 גרם של SPT גבישי בכ-600 מ"ל של מים מזוקקים דה-יוניים (DDI). ערבבו את התמיסה עד שה-SPT התמוסס במלואו, בערך למשך 15 דקות, ולאחר מכן הביאו את נפח התמיסה ל-1 ליטר עם DDI.
    הערה: שחזור פחמן באמצעות צפיפות תמיסה <1.85 גרם/ס"מ3 עלול לגייס בחסר פחמן שבר אור שמקורו בחומר אורגני חלקיקי17,18, ובכך להציג מצג שווא של כמות הפחמן בדגימה. לפיכך, צפיפות תמיסת SPT של 1.85 גרם לסמ"ק3 מוצעת 8,17 על מנת לכלול יותר פחמן הקשור לחומר אורגני חלקיקי עבור דגימת קרקע טיפוסית (כלומר, רוב החול, הסחף והחרסית עם תכולת C <10%).
  2. כדי לייצר 1 ליטר של תמיסת SPT בצפיפות של 2.40 גרם/ס"מ3, יש להמיס 1,803 גרם SPT מוצק בכ-500 מ"ל מים מסוג DDI. ערבבו את התמיסה עד שה-SPT יתמוסס במלואו, ולאחר מכן הביאו את נפח התמיסה ל-1 ליטר עם DDI.
    הערה: מעבר לשימוש הפוטנציאלי לשבירת קרקע, תמיסה בצפיפות גדולה מ-1.85 גרם/סמ"ק 3 נדרשת לעתים קרובות להתאמת תמיסת SPT בשלבים מאוחרים יותר בפרוטוקול (ראה שלב3.2). אם נותרה תמיסה נוספת של 2.40 גרם/סמ"ק 3, ניתן לדלל את התמיסה ל-1.85 גרם/סמ"ק3 עם מים נטולי יונים, ולהשתמש בה לשבירת הקרקע.
  3. לפני השימוש בשבר, נתח את SPT עבור תוכן C ו- N. בצע ניתוח זה באמצעות מנתח יסוד מוצק או נוזלי (שיטות לדוגמה: ISO 10694:1995, ISO 20236:2018).
    1. בצע דילול של 1:100 של התמיסה משלב 1.1 עבור אנלייזרים היסוד הנוזלי כדי להפחית את ההידרדרות של scrubbers היסוד זרזים. הסובלנות לזיהום C ו- N בתמיסת SPT תהיה תלויה במדגם ובשימושים הבאים של שברי הקרקע. בדרך כלל, פתרון SPT עם תוכן C ו- N <1 ppm ו- <0.1 ppm, בהתאמה, נחשב מתאים לשימוש, שכן פתרונות כגון זה מציגים יכולת מינימלית לשינוי בריכות הקרקע C ו- N הגדולות בהרבה.

2. המסת קרקע ב- SPT

  1. הוסף 50 גרם אדמה מיובשת באוויר ומסוננת ל -2 מ"מ לצינור צנטריפוגה פוליפרופילן חרוטי 250 מ"ל. רשום את המסה לפחות ארבע דמויות משמעותיות. אין להשתמש באדמה מיובשת בתנור, שכן הדבר עלול להגדיל את כמות הפחמן המסיס כתוצאה מליזה31 של תאים הנגרמת מחום.
    הערה: ניתן להשתמש בקרקע לחה בשדה31, אך נדרשת התאמה נוספת בשלבים מאוחרים יותר כדי לשמור על צפיפות היעד של תמיסת SPT. מומלץ לנפות את חומר הקרקע ל-2 מ"מ כדי להסיר חומר גדול שעלול להטות את תוצאות השבירה, כגון סלעים ופסולת עצית.
    1. התאם את מסת הקרקע כדי להבטיח מסה נאותה של כל שבר משוחזרת כדי למנוע טעות משמעותית בכימות. הסיבה הנפוצה ביותר להתאמת מסה היא תכולת POM נמוכה (למשל, <2% ממסת הקרקע הכוללת). עבור קרקעות כאלה, ספק מסת קרקע נוספת כדי לכמת במדויק את התאוששות POM. בסך הכל, מקובל להתאים את מסת הקרקע לכל מדגם בודד, שכן שינוי מסת המדגם לא ישנה את היחס בין POM ל- MAOM. עם זאת, לעתים קרובות כדאי להשתמש במסה עקבית כדי לסייע באיזון הצנטריפוגה.
    2. יש לטפל בקרקעות עשירות בקרבונטים לסילוק קרבונטים אנאורגניים לפני שבירה32.
  2. הוסף 50 מ"ל של 1.85 גרם/ס"מ SPT בצפיפות 3 לצינור הצנטריפוגה, והחלף את המכסהבחוזקה . בדומה לכמויות הקרקע, התאימו את נפח ה-SPT לפי הצורך. בקרקעות שטח עשירות בפום (למשל, קרקעות יער ממוזגות רבות), השתמש ביחס גדול יותר של קרקע ל- SPT (למשל, 30 גרם אדמה עד 60 מ"ל SPT) כדי להשיג הפרדה נאותה של חומרי השבר הקלים והכבדים.
  3. נערו את הצינור במרץ ביד במשך ~60 שניות כדי לפרק אגרגטים שאינם יציבים במים. ההתנגשות החזקה של אגרגטי הקרקע עם הדפנות הצדדיות של צינור הצנטריפוגה רצויה, כלומר פשוט ערבול התמיסה עשוי להיות לא מספיק.
  4. אבטחו את הצינור למנער פלטפורמה. לעתים קרובות, הנחת הצינור על צידו מסייעת לפיזור הקרקע על ידי הגדלת כוח הרפש של התמיסה והקטנת גובה העמידה של שכבת הקרקע. יש לוודא שהצינור אטום היטב, ולנער במשך שעתיים ב-40-120 סל"ד. מעת לעת להסיר את הצינור מן השייקר ולנער במרץ ביד כדי להגביר את התסיסה של החומר המצטבר צפוף.

3. ביצוע שבר קרקע גס

  1. הסר את הצינור מהשייקר. השוו את מסות צינורות הצנטריפוגות על ידי הוספה זהירה של תמיסת SPT נוספת כדי להגיע למסה עקבית על פני קבוצת הצינורות לצנטריפוגה, תוך הקפדה על טלטול נמרץ ביד במשך 30 שניות לאחר הוספת תמיסת SPT. צנטריפוגה למשך 10 דקות במהירות של 3,000 x גרם בצנטריפוגת דלי מתנדנדת.
  2. לפני שאיפת הדגימה, לבדוק את הצפיפות של supernatant על ידי משיכת 5 מ"ל של תמיסה עם פיפטה ובדיקת המסה על איזון. התאם את צפיפות SPT לפי הצורך כדי להשיג את הצפיפות הרצויה. נערו וצנטריפוגה שוב אם בוצעה התאמת צפיפות תמיסה.
  3. חברו בקבוק צד בנפח 1 ליטר למשאבת ואקום. מניחים מסנן סיבי זכוכית בקוטר 110 מ"מ (גודל נקבוביות 0.7 מיקרומטר) במשפך חרסינה בוכנר בקוטר פנימי של 12 ס"מ. אטמו את המשפך בזהירות באמצעות אטם גומי חרוטי על צלוחיות הזרוע.
    הערה: יש לשטוף מראש את מסנני סיבי הזכוכית בתנור ייבוש בטמפרטורה של 150°C ולשטוף ב-DDI לפני השימוש.
  4. הגדירו בקבוק צד אחד נוסף בנפח 1 ליטר המחובר לשואב האבק. מניחים פקק גומי בחלק העליון של הבקבוק עם ~ 0.5 מ 'אורך בולט של צינורות מחובר לשאיפה.
    הערה: ייתכן שיהיה מועיל לחבר קצה פלסטיק (כגון קצה פיפט חד פעמי בנפח 5 מ"ל, כאשר קצהו חתוך בזווית) לקצה צינור השאיפה כדי לשפר את השליטה על היניקה במהלך השאיפה (ראה איור 1).
  5. שאפו בעדינות את החומר הסופרנאטנטי והמרחף שהתיישב בשכבה העליונה של התמיסה לאורך דפנות צינור הצנטריפוגה, תוך זהירות שלא לגעת בקצה צינור השאיפה במשטח הקרקע הכדורי שמתחת.
    הערה: אם חומר כדורי אדמה כלשהו (שבר כבד) נשאף בטעות יחד עם החומר המרחף (שבר קל), יש לחזור על הליך השבירה. אם לא שמים לב, שגיאה כזו תגרום למסת שבר אור כבדה מהצפוי עם תכולת C נמוכה מהצפוי, אשר עשויה להיות ניכרת באמצעות ניתוח נתונים של דגימות עם תכונות קרקע דומות.
    1. כדי לנקות את צינור השאיפה בין הדגימות, צללו את קצה הצינור במהירות (למשל, שקעו במשך 0.1 שניות) במי DDI, ושאבו ~5 מ"ל של מי DDI דרך הקו עם משאבת הוואקום דולקת. חזור על הפעולה עד שכל החומר נשטף מצינור הוואקום.
    2. הסר את פקק הגומי ואת חיבור צינור השאיפה מבקבוק הזרוע, ושפך את התוכן לחלק העליון של משפך בוכנר כאשר משאבת הוואקום פועלת.
    3. שוטפים את הבקבוק במי DDI, מערבלים ויוצקים את תכולת הבקבוק לתוך משפך בוכנר. חוזרים על הפעולה עד להסרת כל השאריות הדבוקות לדפנות הבקבוק.
  6. מוסיפים 50 מ"ל SPT לצינור הצנטריפוגה, ומנערים במרץ ביד במשך 60 שניות (או משתמשים בשולחן שייקר אם האדמה לא מתפזרת במהירות), תוך הקפדה על פירוק הגלולה הקשה בתחתית הצינור כך שכל השאריות יהיו תלויות מחדש. צנטריפוגה למשך 10 דקות ב 3,000 x גרם.
  7. חזור על שלב 3.5. מזגו את תכולת הבקבוק לאותו משפך Buchner שבו נעשה שימוש בשלב 3.5.2.
  8. מוסיפים 50 מ"ל SPT לצינור הצנטריפוגה, ומנערים במרץ ביד, תוך הקפדה על פירוק הגלולה הקשה בתחתית הצינור. צנטריפוגה למשך 10 דקות ב 3,000 x גרם.
  9. חזור על שלב 3.5. מזגו את תכולת הבקבוק לאותו משפך Buchner שבו נעשה שימוש בשלב 3.5.2.

4. הפרדות צפיפות נוספות באמצעות SPT בצפיפות גבוהה יותר

הערה: אם מבצעים יותר ממקטע צפיפות נוסף אחד, יש לבצע את השברים הבאים לפי סדר הגדלת הצפיפות. כאן מוצגים שלבים לבידוד באמצעות SPT בצפיפות 1.85-2.4 גרם/ס"מ 3 ו->2.4 גרם/ס"מ3.

  1. הוסף 50 מ"ל של 2.4 גרם/ס"מ 3 SPT לצינור הצנטריפוגה המכיל את חומר הקרקע >1.85 גרם/ס"מ 3 משלב3. נערו במרץ ביד (>60 שניות), והקפידו לפרק את הגלולה הקשה בתחתית הצינור. צנטריפוגה למשך 10 דקות ב 3,000 x גרם.
  2. לפני שאיפת הדגימה, לבדוק את הצפיפות של supernatant על ידי משיכת 5 מ"ל של תמיסה עם פיפטה ובדיקת המסה על איזון. התאם את צפיפות SPT לפי הצורך כדי להשיג את הצפיפות הרצויה. נערו וצנטריפוגה שוב אם בוצעה התאמת צפיפות תמיסה.
  3. חזור על שלב 3 באמצעות תמיסת SPT של 2.4 גרם/ס"מבמקום תמיסת SPTשל 1.85 גרם/ס"מ שהייתה נהוגה קודם לכן. בסוף שלב 3, החומר המבודד במשפך בוכנר יהיה בעל צפיפות בין 1.85-2.4 גרם לסמ"ק 3, ואילו החומר שיישאר בצינור הצנטריפוגה יהיה בצפיפות >2.4 גרם לסמ"ק3.

5. שטיפת SPT מדגימות השבר הכבד והקל

הערה: יש לבצע את שלבי הכביסה הבאים עבור כל החומר המופרד. אם תמיסת SPT אינה נשטפת לחלוטין מהחומר, משקלי השברים המתאימים יהיו לא מדויקים.

  1. מוסיפים 50 מ"ל מים DDI לצינור הצנטריפוגה עם חומר השבר הכבד, ומנערים נמרצות ביד (60 שניות), תוך הקפדה על פירוק הגלולה הקשה בתחתית הצינור. צנטריפוגה למשך 10 דקות ב 3,000 x גרם.
  2. שאפו כמו בשלב 3.5. בשלב זה, כל חומר שבר האור היה צריך להיות מוסר. השליכו את השאיפה השקופה לדלי פסולת במקום להוסיף אותה למשפך המסנן.
  3. חזור על שלבים 5.1-5.2 פעמיים. לפני שלבסוף שואפים את התמיסה בצינור, השתמשו בפיפט העברה כדי למשוך 25 מ"ל של הסופרנטנט, ובדקו את הצפיפות על ידי חלוקת משקל התמיסה בנפח כדי לוודא שה-SPT הוסר כראוי מהדגימה. אם הצפיפות היא <1.01 גרם/מ"ל, המשך לשלב הבא. אם הצפיפות היא 1.01 גרם/מ"ל ומעלה, בצע שטיפות מים נוספות כאמור לעיל עד שהצפיפות נמוכה מ-1.01 גרם/מ"ל.
  4. כדי להבטיח הסרה מלאה של SPT מהחלק הקל, מלא כל משפך Buchner במי DDI, וסנן את התוכן באמצעות מסנני סיבי זכוכית. לאחר שהמים הסתננו לחלוטין, חזרו על הפעולה פעמיים נוספות. אם הקרקע גבוהה בחומר אורגני, הסינון עשוי להימשך עד 48 שעות.

6. איסוף חומר השבר הכבד

  1. גרדו בזהירות את האדמה מצינור הצנטריפוגה לתוך זכוכית נקייה עם תווית או צנצנת. יוצקים מספיק מים DDI לתוך הצינור כדי לשחרר את הקרקע הנותרת; החלף את המכסה ונער, ולאחר מכן הוסף את הבוצה למיכל הזכוכית. שוטפים את כל האדמה שנותרה מצינור הצנטריפוגה, ומעבירים למיכל הזכוכית באמצעות מים נטולי יונים.
  2. מניחים את מיכל הזכוכית בתנור ייבוש בין 40-60 מעלות צלזיוס. יבש עד שמגיעים למשקל יבש קבוע, בדרך כלל במשך 24-72 שעות.

7. איסוף חומר שבר האור

  1. כבו את משאבת הוואקום והוציאו את המשפך מבקבוק הזרוע. החזיקו את המשפך אופקית מעל זכוכית או צנצנת מסומנת, שטפו בעדינות את החלקיקים מהמסנן באמצעות בקבוק DDI לשטיפת מים.
    הערה: ייתכן שיהיה צורך לגרד בעדינות את המסנן באמצעות מרית ולשטוף את שני צידי המסנן כדי להסיר את כל השאריות.
  2. מניחים את מיכל הזכוכית בתנור הייבוש להגדיר בין 40-60 מעלות צלזיוס. יבש עד שמגיעים למשקל יבש קבוע, בדרך כלל במשך 24-72 שעות.

8. שקילת המסה היבשה של החומר המופרד

  1. מגרדים בעדינות את כל החומר המיובש מכל מיכל לתוך סירת שקילה מפלסטיק. רשום את המסה עד למקום העשרוני הרביעי. הכניסו את הדגימה לבקבוקון אחסון או שקית עם תווית.
  2. חזור על הפעולה עבור כל הדגימות המיובשות.

9. איסוף וניתוח נתונים עבור סך הפחמן האורגני

  1. בצע את הליכי הניתוח בהתאם למכשיר שישמש לניתוח התוכן של היסוד C (לדוגמה, ISO 10694:1995).
    הערה: טחינת חומר השבר המיובש לאבקה דקה היא נוהג נפוץ להבטיח את ההומוגניות של הדגימה המקוטעת לפני ניתוח יסודי.
  2. ודא שהמסה המצטברת של כל השברים שווה לפחות ~90% ממסת דגימת הקרקע המקורית. אם הפסדי החומר הם >10%, מומלץ לבצע שברים משוכפלים נוספים.
  3. לכמת את ההתאוששות המצטברת של פחמן אורגני בקרקע (SOC) בשברים. הפסדים של SOC עשויים שלא להיות בקורלציה מושלמת עם אובדן מסה עקב אובדן לא פרופורציונלי של חומר שבר ואובדן של פחמן אורגני מומס. עם זאת, הפסדים של SOC צריכים להיות גם <10% מה-SOC הראשוני בדגימת הקרקע.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

שבירת צפיפות הקרקע מתאימה באופן אידיאלי לחקר ההבדל בין קרקעות בתכולת החומר האורגני הקשור לחלקיקים ולמינרלים. הפרדת ה-SOC לשתי בריכות נפרדות אלה מספקת דרך להבהיר את השינויים בתכולת הקרקע C ובדינמיקת הייצוב שאחרת עשויים להיות לא ברורים כאשר מתבוננים במגמות בתכולת קרקע C בתפזורת. ההפרדה הנוספת של החומר הכבד (צפיפות >1.85 גרם לסמ"ק 3) מספקת תובנה נוספת לגבי השינויים והמגמות בייצוב קרקע C אך מגדילה את מורכבות ההליך והפרשנות הנלווית אליו וכרוכה בעלויות נוספות. עם זאת, פיצול הקרקע לשלוש בריכות צפיפות או יותר עשוי להבהיר מגמות מורכבות והבדלים כימיים בבריכות קרקע C. כמו בכל הליך שבירת קרקע, ההפרדה של בריכות קרקע C אלה אינה מושלמת, ויש להכיר בהשפעה הפוטנציאלית של טעויות כאלה ובהנחות השיטה בעת דיווח על התוצאות. לבסוף, על המתרגלים להיות מודעים למגוון שיטות שבירת הקרקע הקיימות ולחוזקות ולחולשות הייחודיות שלהן (ראו סקירות והשוואות שסופקו על ידי von Lützow et al.9 ו- Poeplau et al.10). רבות משיטות שבירת הקרקע הללו אינן סותרות זו את זו וניתן לשלב אותן כראוי כדי לשפר או לאמת ניתוחים של דינמיקת קרקע C.

בחירת מספר שברי הצפיפות לשימוש היא הצעד הראשון הקריטי לפני תחילת הליך השבר. בעוד שתמיד ניתן לשלב מספר בריכות באופן מתמטי כדי לייצר שבר קל אחד ושבר כבד אחד כדי להשוות תוצאות למחקרים אחרים, פיצול החלק הכבד ליותר מבריכה אחת מוסיף זמן והוצאות משמעותיים. פירסון ועמיתיו 33 כימתו את השינוי ב-SOC על פני שלוש בריכות צפיפות בעקבות מחקר מניפולציה מזיקה ארוך טווח. כאשר משלבים את שתי הבריכות הכבדות יותר (איור 2), ההשפעות של הטיפולים המזיקים היו שונות בין השברים הקלים (<1.85 גרם לסמ"ק 3) והכבדים (>1.85 גרם לסמ"ק 3), במיוחד ביחס להשפעות שנצפו מתכולת SOC בתפזורת. על-ידי ביצוע שבר הצפיפות הנוסף ב-2.40 גרם/סמ"ק 3 (איור 3), ניתן לקבוע עוד כי השפעות הטיפול ב-MAOM היו מוגבלות בעיקר לחומר בעל הצפיפות הגבוהה יותר (>2.4 גרם לסמ"ק3). לבסוף, תכולת C:N המדווחת של קרקע בתפזורת ביחס לבריכות המופרדות בצפיפות (איור 4) מציגה הדגמה ברורה של יעילות שיטת שבירת הצפיפות להפרדת חומר חלקיקי צמחי מחומר מינרלי בעל תכולת C:N נמוכה יחסית.

לאחר 50 שנה של מניפולציות מזיקות, Lajtha et al.22 השתמשו בשישה שברי צפיפות רציפים כדי לבחון מקרוב את ההשפעות המזיקות על ייצוב וערעור יציבות SOC (איור 5). על ידי בידוד שבע בריכות SOC, המחברים הצליחו להבחין בניואנס גדול יותר בתגובת POM ו- MAOM לאחר טיפולי הוספה ופינוי פסולת. בריכות עם צפיפות <2.20 גרם/ס"מ3 הגיבו יותר לטיפול, בהתאם לציפייה ארוכת השנים לקשר חיובי בין קלט הפסולת לבין הצטברות SOC. עם זאת, התגובה של בריכות SOC עם צפיפות >2.20 גרם לסמ"ק 3 הייתה פחות בולטת, וספציפית לטיפול בפינוי פסולת זוהה קשר הפוך ושלילי בין התשומות לבין ה-SOC (כלומר, התשומות הופחתו, אך תכולת ה-SOC של השבר עלתה). על ידי ביצוע ניתוחים עוקבים של 14C, התרומות וההפסדים של תשומות C עדכניות יותר עבור כל מאגר התבררו, מה שמספק תובנה מכניסטית לגבי השליטה המזיקה של מסלולי היווצרות וערעור יציבות עבור MAOM.

שילוב של אנליזה איזוטופית עם שבר צפיפות רציף מספק דרכים נוספות לחקור את המורכבות של דינמיקת SOM. עם זאת, החוקרים צריכים לדאוג לשקול את ההשפעה של מינרלוגיה על תוצאות שבר הצפיפות. מבנה מינרלי ייחודי ותגובתיות גורמים להבדלים מובנים בהתפלגות צפיפות החלקיקים בין מינרלים. לדוגמה, Sollins et al.18 בחנו את המאפיינים האיזוטופיים והכימיים של בריכות מרובות צפיפות בארבע קרקעות מיוערות עם חומרי אב ומורפולוגיה שונים (איור 6). המינרלוגיה המנוגדת בין ארבע הקרקעות תרמה רבות להבדלים שנצפו ב-13 C, 14 C ו-15N עבור כל חלק צפיפות. ללא התחשבות במינרלוגיה, תוצאות כאלה עלולות להתפרש באופן שגוי ביחס להיווצרות SOC ודינמיקת ייצוב. לבסוף, אם נחזור למעשיות של ביצוע הפרדות צפיפות נוספות, מעט מידע נוסף הושג על ידי Sollins et al.18 מניתוח של שש בריכות צפיפות לעומת שלוש בלבד (איור 6).

הלבלינג ועמיתיו קבעו את השפעת העונתיות על תכולת השברים הקלים בקרקעות מיוערות, כמו גם את השפעת הטיפול בייבוש הקרקע על אובדן C לבריכה המסיסה (איור 7). שתי תוצאות משמעותיות עלו מעבודה זו. ראשית, בעוד שייבוש הקרקע בתנור הניב אובדן C אורגני מומס גדול משמעותית לתמיסת SPT, כמות C שאבדה לא הייתה משמעותית. שנית, לא נמצאה עונתיות כלשהי במאגר השבר הקל C, כלומר תזמון איסוף דגימות הקרקע לא השפיע על תוצאות השבר. עם זאת, התוצאות צפויות להיות שונות בין קרקעות וסביבות בהתחשב בהבדלים במלאי POM ובשיעורי הפירוק.

Figure 1
איור 1: מנגנון שאיפת שבר אור. סכמטי של מנגנון ואקום לשאיפה של חלק האור. *ניתן להשתמש בפרפילם כדי לאבטח ולאטום את הצומת בין קצה הצינור לשפופרת הוואקום. **חיתוך קצה הפיפט בזווית עשוי להיות שימושי להגדלת פתח החוד, כמו גם להפעלת יניקה קרובה על הדפנות הצדדיות של צינור הצנטריפוגה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: השוואה של תכולת הפחמן עבור קרקע בתפזורת, קלה וכבדה. הקרקע נאספה מחלקות לטיפול בקלט והסרה מזיקים (DIRT) ביער הניסיוני H.J. Andrews לאחר 20 שנות טיפול (n = 3). רמות C הקשורות למינרלים בטיפולי הסרת שורשים (NR, NI) הוגדלו באופן משמעותי, בניגוד להשפעות שנצפו על תכולת C בתפזורת. יתר על כן, התוצאות המפוצלות מראות כי הגידול בתפזורת C מהטיפול בעץ הכפול (DW) נגזר מעלייה בחלק האור C. קווי השגיאה מייצגים את השגיאה הסטנדרטית. נתון זה שונה מפירסון ואחרים 33. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
תרשים 3: השוואה בין בריכות השברים הבינוניים והכבדים. הקרקע נאספה מחלקות לטיפול בקלט והסרה מזיקים (DIRT) ביער הניסיוני H.J. Andrews לאחר 20 שנות טיפול (n = 3). התוצאות מדגימות את הממצאים מבידוד של שבר ביניים (1.85-2.40 גרם לסמ"ק 3) ושבר כבד יותר (>2.40 גרם לסמ"ק3). תכולת מקטע הביניים C הראתה שונות גדולה יותר, ולא היו השפעות טיפול משמעותיות. קווי השגיאה מייצגים את השגיאה הסטנדרטית. נתון זה שונה מפירסון ואחרים 33. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4: יחסי פחמן לחנקן עבור קרקע בתפזורת, קלה וכבדה. הקרקע נאספה מחלקות לטיפול בקלט והסרה מזיקים (DIRT) ביער הניסיוני H.J. Andrews לאחר 20 שנות טיפול (n = 3). בהתחשב בתכולת C:N הגבוהה של רקמת הצמח ביחס למינרלים בקרקע, ההבדל שנצפה בתכולת C:N בין השברים הקלים והכבדים מדגים בבירור את היכולת של שבר צפיפות הקרקע להפריד חומר אורגני חלקיקי מקרקע בתפזורת. קווי השגיאה מייצגים את השגיאה הסטנדרטית. נתון זה שונה מפירסון ואחרים 33. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 5
איור 5: שבר צפיפות רציף של קרקע לאחר 50 שנה של מניפולציות מזיקות (n = 4). הפרדת הקרקע לשבעה שברי צפיפות סיפקה תובנה לגבי אופי העמסת C על מינרלים בקרקע. הטיפול הכפול בהמלטה, שהגדיל את הקרקע C, הוביל להעמסת C של חומר מינרלי בשבר 3 של 2.00-2.40 גרם/סמ"ק, כפי שמראה השינוי בריכוזיהשבר C ביחס לביקורת. ההפסדים של קרקע C מהטיפול ללא פסולת היו הגדולים ביותר בשברי הקרקע עם צפיפות בין 1.85-2.20 גרם לסמ"ק3. קווי השגיאה מייצגים את השגיאה הסטנדרטית. נתון זה שונה מ Lajtha et al.22. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 6
איור 6: השפעות מינרלוגיה על בריכות צפיפות קרקע. קרקעות בעלות מורפולוגיה ייחודית נאספו מארבעה אתרים מיוערים. הניתוח האיזוטופי מדגים כיצד מינרלוגיה של הקרקע עשויה להשפיע על תכונות ביו-גיאוכימיות על פני בריכות צפיפות קרקע. יתר על כן, במקרה זה, ניתוח של שלוש בריכות צפיפות, בניגוד לשש או יותר, לכד במידה רבה את המגמות בתוך ובין חתימות איזוטופיות שונות. נתון זה שונה מ- Sollins et al.18. הנתונים והגרפים המקוריים מוצגים בעמודה עם יותר משישה בריכות; הנתונים חושבו מחדש והוצגו כדי להדגים את התוצאות עבור שלושה בריכות בלבד. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 7
איור 7: השפעות איסוף הדגימות והכנתן על שבר צפיפות הקרקע. הלבלינג ועמיתיו מצאו כי אדמה מיובשת בתנור מניבה לעתים קרובות פחמן אורגני מומס גדול יותר בהשוואה לאדמה מיובשת באוויר, לחה בשדה ונטושה. בכל עונות איסוף הדגימות, היחס בין מסת שבר קלה לכבדה לא היה שונה באופן משמעותי. נתון זה שונה מ- Helbling et al.31. קווי השגיאה מייצגים את השגיאה הסטנדרטית. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

לאורך פרוטוקול שבירת צפיפות הקרקע, ישנם מספר נהלים ספציפיים שיש לעקוב אחריהם מקרוב כדי לסייע בהפחתת טעויות בהפרדה ובניתוח של שברי הקרקע. שלב קריטי בהליך שבירת צפיפות הקרקע הוא לוודא שוב ושוב את צפיפות תמיסת SPT. לחות בדגימת הקרקע לעיתים קרובות תדלל את תמיסת ה-SPT, ובכך תוריד את צפיפות ה-SPT. לכן, על החוקר לוודא תמיד כי הושגה הפרדה מוחלטת בין התמיסות הקלות והכבדות לאחר הצנטריפוגה. אם השברים אינם נפרדים כראוי, יש להוסיף עוד פתרון SPT, או להפחית את מסת הקרקע. קרקעות חוליות נפרדות במהירות, בעוד קרקעות בעלות מרקם דק, כגון אוקסיזולים בפרט, עשויות להישאר עכורות במשך זמן רב במהלך צנטריפוגה עקב עומס מרחף גבוה של חלקיקים זעירים. כאשר התמיסות נראות מעוננות לאחר הצנטריפוגה, יש להגדיל את זמן הצנטריפוגה או את מהירותה. כחלופה, ניתן לקבוע אומדן של אובדן C מהמשקעים המרחפים על ידי ניתוח תכולת C של התמיסה הנשאפת.

קביעת האיכות של polytungstate נתרן (SPT) לרכוש תלוי בניתוחים שיבוצעו לאחר שבר. Kramer et al.34 מצאו כי SPT מסחרי עשוי להיות מועשר באמוניום גבוה של 15 N, ובכך עשוי לשנות באופן משמעותי את חתימת 15N שלשברי הקרקע. לפיכך, יש להשתמש ב-SPT בדרגת טוהר גבוהה (למשל, SPT-0) כדי להבטיח זיהום מינימלי של C ו-N במחקרים שבהם יימדדו החתימות האיזוטופיות של הקרקע. עם זאת, SPT עם דרגת טוהר שהיא צעד אחד נמוך יותר (למשל, SPT-1) לעתים קרובות יש העשרה מינימלית N ו- C והוא פחות יקר, ובכך מספק אפשרות חסכונית יותר כאשר איזוטופים לא יימדדו.

כדי למנוע טעות משמעותית, יש להקפיד להסיר את כל חלק האור מהתמיסה, אשר לעתים קרובות נדבק לדפנות הצד של צינורות הצנטריפוגות במהלך השאיפה ולמשפך במהלך שלבי הסינון הבאים. עודף שבר אור שנותר בחומר השבר הכבד יגרום לאומדן נמוך של החלק הקל C ובו זמנית הערכת יתר של תכולת C של החלק הכבד. בחינה מדוקדקת של הנתונים הסופיים עשויה לסייע בזיהוי טעויות כאלה בעת שבירת סדרה של דגימות בעלות תכונות קרקע דומות.

אובדן הפחמן האורגני המומס (DOC) לתמיסה הוא בדרך כלל קטן, בדרך כלל <5% מכלל הקרקע C, ולא ניתן להימנע ממנו (איור 7)31. עם זאת, ההפסדים של DOC יכולים להיות גדולים הרבה יותר כאשר מפרידים קרקעות עם בריכות C מסיסות גבוהות, כמו אלה שנמצאות בסביבות מדבריות מסוימות35. במקרים כאלה, יש לכמת גם את בריכת DOC הניתנת לשאיבת מים. בדרך כלל, טעויות הנובעות מאובדן מסת הקרקע, במיוחד של החלק הקל, גדולות בהרבה מהטעויות הנגרמות על ידי אובדן DOC.

ספיחת פוליטונגסטייט לדגימת הקרקע היא אפשרות כימית, והמידה שבה מתרחשים חילופים כימיים כאלה אינה ידועה כיום. יתר על כן, זיקת הקישור של polytungstate צפויה להשתנות בין קרקעות עם תכונות כימיות שונות. נכון לעכשיו, הקורלציה בין אובדן מסת הקרקע לבין אובדן SOC בסוף ההליך מספקת צורה פשוטה ואפשרית מבחינה לוגיסטית של ביטחון שכל רווחי המסה מחילופי פוליטונגסטייט הם זניחים לכימות ה- SOC בחומר המקוטע. אם המסה המצטברת של חלק הקרקע גדולה ממסת המדגם הראשונית, או אם הפסדי המסה נמוכים בהרבה מהפסדי SOC, אז הדגימות עשויות לספוג את הפוליטונגסטט. תחילה יש לבצע צעדי שטיפה נוספים כדי לנסות לפתור בעיה כזו. אם ספיגת פוליטונגסטייט בחומר המקוטע נמשכת, ייתכן שיהיה צורך בניתוח יסודי נוסף כדי לאמת ולתקן עלייה בתכולת הטונגסטן של החומר המקוטע. יש לציין כי בעיות כאלה הקשורות לחוסר היכולת לשטוף את הפוליטונגסטייט מחומר הקרקע אינן נדירות.

למרות ששבר צפיפות מפריד באופן אידיאלי את החומר החלקיקי החופשי (POM) מהחומר האורגני הקשור למינרלים (MAOM), נוכחותם של אגרגטים יציבים למים מסבכת את הפרשנות של תוצאות שבר הצפיפות. סחף וחרסית עשויים ליצור אסוציאציות חזקות ולהיקשר לחומר אורגני, וביוטה של הקרקע, שורשים וקורי פטריות יכולים ליצור מקרו-אגרגטים שעוזרים להגן על תרכובות אורגניות מפני פירוק מיקרוביאלי. חומר אורגני מוגן אגרגטים זה, המכונה לעתים קרובות חומר אורגני נסתר, אינו MAOM אלא יוחזר בחלק הכבד (כלומר, >1.85 גרם לסמ"ק3). הכללת POM מוסתר עשויה להיות המשפיעה ביותר על התוצאות והפרשנות של שברי צפיפות הביניים. בעוד ששברים בצפיפות מעל ~2.40 גרם לסמ"ק 3 עשויים להכיל מינרלים עניים אורגניים נטולי חומר אורגני נסתר וחומר בצפיפות נמוכה מ -1.85 גרם לסמ"ק3 מניחים שהם חומר אורגני נטול מינרלים, שברי ביניים יכולים להיות תערובות של מינרלים כבדים עשירים באורגנים, אגרגטים ומינרלים קלים עניים אורגניים. עד כה, לא התגבשה הסכמה משותפת או שיטה נרחבת לפרשנות ההבדלים ב-C שנמצאו בחומר השבר הבינוני. בעת דיווח על מידע כזה, אנו מציעים להכיר בהשפעה הפוטנציאלית של חומר אורגני חסוי ומינרלוגיה על התוצאות.

טכניקות כימיות ופיזיקליות שונות שימשו לפיזור אגרגטים כדי להקל על שחרור POM מוסתר, כאשר אנרגיה קולית מייצגת את השיטה הנפוצה ביותר. לרוע המזל, אין רמת אנרגיית סוניקציה אחת שיכולה לגרום לפיזור מוחלט על פני כל האגרגטים, מכיוון שחוזק הצבירה ומנגנוני הקישור משתנים במידה רבה הן על פני סוגי הקרקע והן על פני סוגי גודל הצברים36. אמלונג וזך36 מצאו כי מיקרו-אגרגטים (20-250 מיקרומטר) דורשים יותר אנרגיה על-קולית כדי להתפזר מאשר מאקרו-אגרגטים גדולים יותר, אך גם מצאו כי חומר אורגני חלקיקי הופר באנרגיות גבוהות אלה. יתר על כן, סוניקציה רציפה בעוצמה הולכת וגוברת ממשיכה להניב חומר אורגני חבוי חופשי37, מה שמרמז שוב על כך שאין מאגר יחיד של חומר אורגני מוסתר ושברמות סוניקציה גבוהות יותר, חלק גדול מחומר שבר האור המופרד יכול להיות חפץ קולואידי. קייזר וגוגנברגר30 הדגימו גם את הפוטנציאל של סוניקציה לשנות את התפלגות הצפיפות של תערובות החומר האורגני של חלק האור עם מינרלים שונים. בעוד שילוב טכניקות פיזור קולי במהלך או אחרי שבירת צפיפות הקרקע מספק הזדמנויות ייחודיות לפיזור ובידוד בריכות SOM, מחקרים אלה מצדיקים את השיקול של יעילות הפיזור והרס מבני POM ומינרלים.

השיטה החלופית הנפוצה ביותר להפרדת קרקע C לבריכות קלות למדידה היא שבירת גודל. שבר גודל הוא מהיר ובעלות נמוכה יחסית לשבר צפיפות ועשוי לספק תובנות דומות לגבי דינמיקת SOM בהתחשב בקורלציה בין תכולת חימר לבין MAOM. ואכן, Poeplau et al.10 לא מצאו הבדל משמעותי בשיעורי תחלופת SOM עבור בריכות C המופרדות על ידי גודל ושבר צפיפות על פני שלוש קרקעות שונות. עם זאת, חומר אורגני חלקיקי (POM) בגודל שווה או קטן יותר מחרסית הוא נפוץ, כלומר שיטות שבירת גודל לבדן אינן מסוגלות להפריד במדויק POM מ- MAOM. שילוב POM בשברים בגודל עדין יכול, אם כן, להוביל לטעויות באנליזה כימית יסודית ואורגנית בקרקעות מסוימות עם כמות משמעותית של חומר חלקיקי דק15. אם קיים צורך לכמת את תכולת C של חומר מינרלי בגודל חלקיק מסוים (למשל, חול, סחף, חרסית), ניתן לשלב את שתי השיטות על ידי ביצוע שבר צפיפות יחיד ואחריו שבר הגודל של חומר השבר הכבד.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

למחברים אין מה לחשוף.

Acknowledgments

עבור עבודה זו, התמיכה ניתנה על ידי מענקי הקרן הלאומית למדע DEB-1257032 לק.ל. ו- DEB-1440409 לתוכנית המחקר האקולוגי לטווח ארוך של 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Jackson, R. B., et al. The ecology of soil carbon: Pools, vulnerabilities, and biotic and abiotic controls. Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics. 48, 419-445 (2017).
  2. Crowther, T. W., et al. Quantifying global soil carbon losses in response to warming. Nature. 540 (7631), 104-108 (2016).
  3. Deng, L., Zhu, G., Tang, Z., Shangguan, Z. Global patterns of the effects of land-use changes on soil carbon stocks. Global Ecology and Conservation. 5, 127-138 (2016).
  4. Griscom, B. W., et al. Natural climate solutions. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (44), 11645-11650 (2017).
  5. Fargione, J. E., et al. Natural climate solutions for the United States. Science Advances. 4 (11), (2018).
  6. Kögel-Knabner, I., Rumpel, C. Advances in molecular approaches for understanding soil organic matter composition, origin, and turnover: A historical overview. Advances in Agronomy. 149, 1-48 (2018).
  7. Schmidt, M. W. I., et al. Persistence of soil organic matter as an ecosystem property. Nature. 478 (7367), 49-56 (2011).
  8. Billings, S. A., et al. Soil organic carbon is not just for soil scientists: Measurement recommendations for diverse practitioners. Ecological Applications. 31 (3), 02290 (2021).
  9. von Lützow, M., et al. SOM fractionation methods: Relevance to functional pools and to stabilization mechanisms. Soil Biology and Biochemistry. 39 (9), 2183-2207 (2007).
  10. Poeplau, C., et al. Isolating organic carbon fractions with varying turnover rates in temperate agricultural soils - A comprehensive method comparison. Soil Biology and Biochemistry. 125, 10-26 (2018).
  11. Heckman, K., Lawrence, C. R., Harden, J. W. A sequential selective dissolution method to quantify storage and stability of organic carbon associated with Al and Fe hydroxide phases. Geoderma. 312, 24-35 (2018).
  12. Frostegård, Å, Tunlid, A., Bååth, E. Microbial biomass measured as total lipid phosphate in soils of different organic content. Journal of Microbiological Methods. 14 (3), 151-163 (1991).
  13. Plante, A. F., Conant, R. T., Paul, E. A., Paustian, K., Six, J. Acid hydrolysis of easily dispersed and microaggregate-derived silt- and clay-sized fractions to isolate resistant soil organic matter. European Journal of Soil Science. 57 (4), 456-467 (2006).
  14. Eusterhues, K., Rumpel, C., Kögel-Knabner, I. Stabilization of soil organic matter isolated via oxidative degradation. Organic Geochemistry. 36 (11), 1567-1575 (2005).
  15. Moni, C., Derrien, D., Hatton, P. -J., Zeller, B., Kleber, M. Density fractions versus size separates: does physical fractionation isolate functional soil compartments. Biogeosciences. 9 (12), 5181-5197 (2012).
  16. Lavallee, J. M., Soong, J. L., Cotrufo, M. F. Conceptualizing soil organic matter into particulate and mineral-associated forms to address global change in the 21st century. Global Change Biology. 26 (1), 261-273 (2020).
  17. Sollins, P., et al. Organic C and N stabilization in a forest soil: Evidence from sequential density fractionation. Soil Biology and Biochemistry. 38 (11), 3313-3324 (2006).
  18. Sollins, P., et al. Sequential density fractionation across soils of contrasting mineralogy: evidence for both microbial- and mineral-controlled soil organic matter stabilization. Biogeochemistry. 96 (1-3), 209-231 (2009).
  19. Crow, S. E., Swanston, C. W., Lajtha, K., Brooks, J. R., Keirstead, H. Density fractionation of forest soils: methodological questions and interpretation of incubation results and turnover time in an ecosystem context. Biogeochemistry. 85 (1), 69-90 (2007).
  20. Cotrufo, M. F., Ranalli, M. G., Haddix, M. L., Six, J., Lugato, E. Soil carbon storage informed by particulate and mineral-associated organic matter. Nature Geoscience. 12 (12), 989-994 (2019).
  21. Hatton, P. -J., et al. Transfer of litter-derived N to soil mineral-organic associations: Evidence from decadal 15N tracer experiments. Organic Geochemistry. 42 (12), 1489-1501 (2012).
  22. Lajtha, K., et al. Changes to particulate versus mineral-associated soil carbon after 50 years of litter manipulation in forest and prairie experimental ecosystems. Biogeochemistry. 119 (1-3), 341-360 (2014).
  23. Yeasmin, S., Singh, B., Johnston, C. T., Sparks, D. L. Organic carbon characteristics in density fractions of soils with contrasting mineralogies. Geochimica et Cosmochimica Acta. 218, 215-236 (2017).
  24. Wagai, R., Kajiura, M., Asano, M., Hiradate, S. Nature of soil organo-mineral assemblage examined by sequential density fractionation with and without sonication: Is allophanic soil different. Geoderma. 241-242, 295-305 (2015).
  25. Volk, M., Bassin, S., Lehmann, M. F., Johnson, M. G., Andersen, C. P. 13C isotopic signature and C concentration of soil density fractions illustrate reduced C allocation to subalpine grassland soil under high atmospheric N deposition. Soil Biology and Biochemistry. 125, 178-184 (2018).
  26. Yonekura, Y., et al. Soil organic matter dynamics in density and particle-size fractions following destruction of tropical rainforest and the subsequent establishment of Imperata grassland in Indonesian Borneo using stable carbon isotopes. Plant and Soil. 372 (1-2), 683-699 (2013).
  27. Virto, I., Moni, C., Swanston, C., Chenu, C. Turnover of intra- and extra-aggregate organic matter at the silt-size scale. Geoderma. 156 (1-2), 1-10 (2010).
  28. Poeplau, C., et al. Reproducibility of a soil organic carbon fractionation method to derive RothC carbon pools. European Journal of Soil Science. 64 (6), 735-746 (2013).
  29. Cerli, C., Celi, L., Kalbitz, K., Guggenberger, G., Kaiser, K. Separation of light and heavy organic matter fractions in soil - Testing for proper density cut-off and dispersion level. Geoderma. 170, 403-416 (2012).
  30. Kaiser, K., Guggenberger, G. Distribution of hydrous aluminium and iron over density fractions depends on organic matter load and ultrasonic dispersion. Geoderma. 140 (1-2), 140-146 (2007).
  31. Helbling, E., Pierson, D., Lajtha, K. Sources of soil carbon loss during soil density fractionation: Laboratory loss or seasonally variable soluble pools. Geoderma. 382, 114776 (2021).
  32. Nelson, D. W., Sommers, L. E. Total carbon, organic carbon, and organic matter. Methods of Soil Analysis: Part 3 Chemical Methods. Sparks, D. L., Page, A. L., Helmke, P. A., Loeppert, R. H. , Soil Science Society of America, Inc., American Society of Agronomy, Inc. 539-579 (2015).
  33. Pierson, D., et al. Mineral stabilization of soil carbon is suppressed by live roots, outweighing influences from litter quality or quantity. Biogeochemistry. 154 (3), 433-449 (2021).
  34. Kramer, M. G., Lajtha, K., Thomas, G., Sollins, P. Contamination effects on soil density fractions from high N or C content sodium polytungstate. Biogeochemistry. 92 (1-2), 177-181 (2009).
  35. Throop, H. L., Lajtha, K., Kramer, M. Density fractionation and 13C reveal changes in soil carbon following woody encroachment in a desert ecosystem. Biogeochemistry. 112 (1-3), 409-422 (2013).
  36. Amelung, W., Zech, W. Minimisation of organic matter disruption during particle-size fractionation of grassland epipedons. Geoderma. 92 (1-2), 73-85 (1999).
  37. Kaiser, M., Asefaw Berhe, A. How does sonication affect the mineral and organic constituents of soil aggregates?-A review. Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 177 (4), 479-495 (2014).

Tags

החודש בג'וב גיליון 190 שבר צפיפות פחמן אורגני בקרקע חומר אורגני בקרקע זמן מחזור
ניצול שבירת צפיפות הקרקע להפרדת בריכות פחמן נפרדות בקרקע
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Pierson, D., Lajtha, K.,… More

Pierson, D., Lajtha, K., Peter-Contesse, H., Mayedo, A. Utilizing Soil Density Fractionation to Separate Distinct Soil Carbon Pools. J. Vis. Exp. (190), e64759, doi:10.3791/64759 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter