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Utilizzo del frazionamento della densità del suolo per separare i pool di carbonio del suolo distinti

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

Il frazionamento della densità del suolo separa la materia organica del suolo in pool distinti con diversi meccanismi di stabilizzazione, sostanze chimiche e tempi di rotazione. Le soluzioni di politungstato di sodio con densità specifiche consentono la separazione del particolato libero e della materia organica associata ai minerali, dando luogo a frazioni di materia organica adatte a descrivere la risposta del suolo alla gestione e ai cambiamenti climatici.

Abstract

La materia organica del suolo (SOM) è una miscela complicata di diversi composti che spaziano da componenti vegetali liberi e parzialmente degradati a composti più microbicamente alterati contenuti negli aggregati del suolo a sottoprodotti microbici altamente trasformati con forti associazioni con minerali del suolo reattivi. Gli scienziati del suolo hanno lottato per trovare modi per separare il suolo in frazioni facilmente misurabili e utili per la modellazione del carbonio (C) del suolo. Il frazionamento del suolo in base alla densità è sempre più utilizzato, è facile da eseguire e produce pool C in base al grado di associazione tra il SOM e diversi minerali; pertanto, il frazionamento della densità del suolo può aiutare a caratterizzare il SOM e identificare i meccanismi di stabilizzazione SOM. Tuttavia, i protocolli di frazionamento della densità del suolo riportati variano in modo significativo, rendendo difficile confrontare i risultati di diversi studi ed ecosistemi. Qui, descriviamo una robusta procedura di frazionamento della densità che separa il particolato e la materia organica associata ai minerali e spieghiamo i vantaggi e gli svantaggi della separazione del suolo in due, tre o più frazioni di densità. Tali frazioni spesso differiscono nella loro composizione chimica e minerale, nel tempo di rotazione e nel grado di elaborazione microbica, nonché nel grado di stabilizzazione minerale.

Introduction

Il suolo è il più grande deposito di carbonio terrestre (C), contenente verso l'alto di 1.500 Pg di C nella parte superiore di 1 m e quasi il doppio di tale quantità a livelli più profondi a livello globale, il che significa che il suolo contiene più C della biomassa vegetale e l'atmosfera combinata1. La materia organica del suolo (SOM) trattiene l'acqua e i nutrienti del suolo ed è essenziale per la produttività delle piante e la funzione dell'ecosistema terrestre. Nonostante il riconoscimento globale dell'importanza di adeguati stock di SOM per la salute del suolo e la produttività agricola, gli stock di carbonio del suolo sono stati sostanzialmente impoveriti a causa della gestione non sostenibile delle foreste e dell'agricoltura, dei cambiamenti del paesaggio e del riscaldamento climatico 2,3. Il crescente interesse per il ripristino della salute del suolo e per l'utilizzo della ritenzione di C del suolo come attore chiave nelle soluzioni climatiche naturali ha portato a sforzi per comprendere i fattori che controllano il sequestro e la stabilizzazione del C del suolo in diversi ambienti 4,5.

La materia organica del suolo (SOM) è una miscela complicata di diversi composti che spaziano da componenti vegetali liberi e parzialmente degradati a composti più microbicamente alterati contenuti negli aggregati del suolo (definiti qui come un materiale formato dalla combinazione di unità o elementi separati) a sottoprodotti microbici altamente trasformati con forti associazioni con minerali del suolo reattivi6 . Nei casi in cui non è pratico identificare l'intera serie di singoli composti nel SOM, i ricercatori spesso si concentrano sull'identificazione di un numero minore di pool funzionali di C che esistono come realtà fisiche e che variano in base ai tassi di turnover, alla composizione chimica generale e al grado di stabilizzazione con i componenti minerali del suolo1, 7. Affinché i pool possano essere interpretati e modellati criticamente, è essenziale che i pool separati siano di numero ridotto, siano direttamente misurabili piuttosto che solo teorici e presentino chiare differenze nella composizione e nella reattività8.

Molte tecniche diverse, sia chimiche che fisiche, sono state impiegate per isolare pool significativi di suolo C, e queste sono ben riassunte da von Lützow et al.9 e Poeplau et al.10. Le tecniche di estrazione chimica mirano a isolare pool specifici, come C associato a Fe e Al11 scarsamente cristallino o cristallino. I solventi organici sono stati usati per estrarre composti specifici come i lipidi12, e l'idrolisi o l'ossidazione della SOM sono state utilizzate come misura di un pool labile di C13,14. Tuttavia, nessuno di questi metodi di estrazione classifica tutti i pool di C in frazioni misurabili o modellabili. Il frazionamento fisico del suolo classifica tutto il suolo C in piscine in base alle dimensioni e presuppone che la decomposizione dei detriti vegetali si traduca in frammentazione e particelle sempre più piccole. Sebbene le dimensioni da sole non possano separare i detriti vegetali liberi dai SOM15 associati ai minerali, quantificare questi due pool è fondamentale per la comprensione della stabilizzazione C del suolo a causa delle comuni differenze spaziali, fisiche e biogeochimiche nella formazione e nel turnover16.

Il frazionamento del suolo C basato sulla densità è sempre più utilizzato, ed è facile da eseguire e identifica diversi pool di C in base al grado di associazione con diversi minerali17,18,19; pertanto, il frazionamento della densità del suolo può aiutare a chiarire i diversi meccanismi di stabilizzazione C del suolo. Il requisito primario per il frazionamento del suolo è la capacità di disperdere completamente le particelle organiche e minerali. Una volta dispersa, la materia organica degradata che è relativamente priva di minerali galleggia in soluzioni più leggere di ~ 1,85 g / cm 3, mentre i minerali rientrano tipicamente nell'intervallo 2-4,5 g / cm 3, sebbene gli ossidi di ferro possano avere densità fino a 5,3 g / cm3. La frazione di particolato leggero o libero tende ad avere un tempo di ricambio più breve (a meno che non vi sia una contaminazione significativa da carbone) e ha dimostrato di essere altamente sensibile alla coltivazione e ad altri disturbi. La frazione pesante (>1,85 g/cm3) o associata ai minerali ha spesso un tempo di turnover più lungo a causa della resistenza alla decomposizione microbicamente mediata ottenuta quando le molecole organiche si legano con superfici minerali reattive. Tuttavia, la frazione pesante può saturarsi (cioè raggiungere un limite superiore per la capacità di complessazione minerale), mentre la frazione leggera può teoricamente accumularsi quasi indefinitamente. Pertanto, comprendere la distribuzione fisica della materia organica in pool di materia organica associata ai minerali rispetto al particolato aiuta a chiarire quali ecosistemi possono essere gestiti per un sequestro efficiente del carbonio e come i diversi sistemi risponderanno ai cambiamenti climatici e ai modelli mutevoli di disturbo antropogenico20.

Mentre l'uso del frazionamento della densità utilizzando soluzioni di politungstato di sodio a diverse densità è aumentato notevolmente nell'ultimo decennio, le tecniche e i protocolli variano in modo significativo, rendendo difficile confrontare i risultati di diversi studi e diversi ecosistemi. Sebbene una densità di 1,85 g/cm 3 abbia dimostrato di recuperare la maggior quantità di frazione luminosa libera con un'inclusione minima di materia organica associata ai minerali (MAOM)17, molti studi hanno utilizzato densità comprese tra 1,65 e 2,0 g/cm3. Mentre la maggior parte degli studi ha frazionato i terreni in due sole piscine (una frazione leggera e una frazione pesante, di seguito LF e HF), altri studi hanno utilizzato densità multiple per raffinare ulteriormente la frazione pesante in piscine che differiscono per i minerali a cui sono associati, il rapporto relativo tra minerali e rivestimento organico o il grado di aggregazione (ad esempio, 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). Inoltre, sono state suggerite procedure di frazionamento più complesse che combinano sia la separazione delle dimensioni che della densità, risultando in un numero maggiore di pool (ad esempio, Yonekura et al.26, Virto et al.27, Moni et al.15, Poeplau et al.10) ma anche in un maggiore margine di errore, sia nella metodologia che in relazione alle dimensioni del pool. Inoltre, gli autori hanno anche utilizzato la sonicazione a varie intensità e tempi nel tentativo di disperdere aggregati e MAOM dalle superfici minerali28,29,30.

Qui, descriviamo una robusta procedura di frazionamento della densità che identifica, in primo luogo, due pool unici di carbonio del suolo (LF e HF, o POM e MAOM), e offriamo sia le tecniche che gli argomenti per separare ulteriormente il pool HF in frazioni aggiuntive che differiscono in base alla loro mineralogia, grado di rivestimento organico o aggregazione. Le frazioni qui identificate hanno dimostrato di differire in termini di composizione chimica, tempo di turnover, grado di elaborazione microbica e grado di stabilizzazione minerale18,19.

La seguente procedura separa il terreno sfuso in materia organica particolata (POM) e materia organica associata ai minerali (MAOM) mescolando una quantità nota di terreno in una soluzione con una densità specifica. L'efficacia della procedura è misurata dal recupero combinato della massa del suolo e del carbonio rispetto alla massa iniziale del campione di suolo e al contenuto di C. Una soluzione densa si ottiene sciogliendo il politungstato di sodio (SPT) in acqua deionizzata. Il terreno viene inizialmente miscelato con la densa soluzione di SPT e agitato per mescolare e disperdere accuratamente gli aggregati del suolo. La centrifugazione viene quindi utilizzata per separare i materiali del terreno che galleggiano (frazione leggera) o affondano (frazione pesante) nella soluzione. Le fasi di miscelazione, isolamento, recupero e lavaggio vengono ripetute più volte per garantire la separazione delle frazioni leggere e pesanti, insieme alla rimozione di SPT dal materiale. Infine, le frazioni del terreno vengono essiccate, pesate e analizzate per il contenuto di C. Il materiale frazionato può essere utilizzato per procedure e analisi successive.

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Protocol

1. Fabbricazione di soluzioni madre di politungstato di sodio (SPT)

ATTENZIONE: SPT è irritante ed è dannoso se ingerito o inalato. È tossico per gli organismi acquatici; evitare il suo rilascio nell'ambiente.

  1. Per ottenere 1 L di soluzione di SPT con una densità di 1,85 g/cm3, sciogliere 1.051 g di SPT cristallizzato in circa 600 ml di acqua distillata deionizzata (DDI). Agitare la soluzione fino a completa dissoluzione dell'SPT, circa per 15 minuti, quindi portare il volume della soluzione a 1 L con DDI.
    NOTA: Il recupero del carbonio utilizzando una densità di soluzione <1,85 g/cm3 può sotto-reclutare carbonio della frazione leggera derivato dal particolato organico17,18, travisando così la quantità di carbonio nel campione. Pertanto,si suggerisce una densità di soluzione SPT di 1,85 g / cm3 8,17 al fine di essere più inclusiva del carbonio associato al particolato organico per un tipico campione di terreno (cioè la maggior parte dei terreni argillosi di sabbia, limo e argilla con contenuto di C <10 %).
  2. Per ottenere 1 L di soluzione di SPT con una densità di 2,40 g/cm3, sciogliere 1.803 g di SPT solido in circa 500 mL di acqua DDI. Agitare la soluzione fino a completa dissoluzione dell'SPT, quindi portare il volume della soluzione a 1 L con DDI.
    NOTA: Oltre al potenziale utilizzo per il frazionamento del suolo, è spesso necessaria una soluzione con una densità superiore a 1,85 g/cm 3 per la regolazione della soluzione SPT nelle fasi successive del protocollo (vedere punto3.2). Se rimane una soluzione supplementare di 2,40 g/cm 3, la soluzione può essere diluita a 1,85 g/cm3 con acqua deionizzata e utilizzata per il frazionamento del suolo.
  3. Prima dell'utilizzo nel frazionamento, analizzare l'SPT per il contenuto C e N. Eseguire questa analisi utilizzando un analizzatore elementare solido o liquido (metodi di esempio: ISO 10694:1995, ISO 20236:2018).
    1. Eseguire una diluizione 1:100 della soluzione dal punto 1.1 per gli analizzatori elementari liquidi per ridurre il deterioramento degli scrubber elementari e dei catalizzatori. La tolleranza per la contaminazione da C e N nella soluzione SPT dipenderà dal campione e dai successivi usi delle frazioni del suolo. Tipicamente, una soluzione SPT con un contenuto di C e N <1 ppm e <0,1 ppm, rispettivamente, è considerata adatta per l'uso, poiché soluzioni come questa presentano una capacità minima di alterare i pool C e N molto più grandi del suolo.

2. Dissoluzione del suolo in SPT

  1. Aggiungere 50 g di terreno essiccato all'aria e setacciato a 2 mm in una provetta da centrifuga conica in polipropilene da 250 ml. Registrare la massa ad almeno quattro cifre significative. Non utilizzare terreno essiccato in forno in quanto ciò potrebbe aumentare il carbonio solubile a causa della lisi cellulare indotta dal calore31.
    NOTA: è possibile utilizzare terreno umido di campo31, ma sono necessari ulteriori aggiustamenti nelle fasi successive per mantenere la densità target della soluzione SPT. Si consiglia di setacciare il materiale del terreno a 2 mm per rimuovere materiale di grandi dimensioni che potrebbe distorcere i risultati del frazionamento, come rocce e detriti legnosi.
    1. Regolare la massa del suolo per garantire che venga recuperata una massa adeguata di ciascuna frazione per evitare errori significativi nella quantificazione. Il motivo più comune per la regolazione della massa è il basso contenuto di POM (ad esempio, <2% della massa totale del suolo). Per tali terreni, fornire ulteriore massa di terreno per quantificare con precisione il recupero POM. Nel complesso, è accettabile regolare la massa del suolo per ogni singolo campione, poiché la modifica della massa del campione non altererà la proporzione tra POM e MAOM. Tuttavia, è spesso utile utilizzare una massa consistente per aiutare il bilanciamento della centrifuga.
    2. Trattare i terreni ricchi di carbonati per rimuovere i carbonati inorganici prima del frazionamento32.
  2. Aggiungere 50 mL di SPT densità 1,85 g/cm3 alla provetta della centrifuga e riposizionare saldamente il coperchio. Come per le quantità di terreno, regolare il volume SPT secondo necessità. Nei terreni superficiali ricchi di POM (ad esempio, molti suoli forestali temperati), utilizzare un rapporto maggiore tra suolo e SPT (ad esempio, 30 g di terreno per 60 ml di SPT) per ottenere un'adeguata separazione dei materiali della frazione leggera e pesante.
  3. Agitare vigorosamente il tubo a mano per ~ 60 s per rompere gli aggregati non stabili in acqua. Si desidera la forte collisione degli aggregati del terreno con le pareti laterali del tubo della centrifuga, il che significa che il semplice vortice della soluzione potrebbe essere insufficiente.
  4. Fissare il tubo a uno scuotitore a piattaforma. Spesso, posizionare il tubo sul lato aiuta la dispersione del suolo aumentando la forza di oscillazione della soluzione e riducendo l'altezza dello strato di terreno. Fare attenzione che il tubo sia ben sigillato e agitare per 2 ore a 40-120 giri / min. Rimuovere periodicamente il tubo dall'agitatore e agitare vigorosamente a mano per aumentare l'agitazione del materiale aggregato più denso.

3. Esecuzione di un frazionamento grossolano del suolo

  1. Rimuovere il tubo dall'agitatore. Equalizzare le masse dei tubi della centrifuga aggiungendo con attenzione un'ulteriore soluzione SPT per raggiungere una massa costante attraverso il set di tubi da centrifugare, assicurandosi di agitare vigorosamente a mano per 30 s dopo aver aggiunto la soluzione SPT. Centrifugare per 10 minuti a 3.000 x g in una centrifuga a secchio oscillante.
  2. Prima di aspirare il campione, testare la densità del surnatante prelevando 5 mL della soluzione con una pipetta e controllando la massa su una bilancia. Regolare la densità SPT in base alle esigenze per ottenere la densità desiderata. Agitare e centrifugare nuovamente se è stata eseguita una regolazione della densità della soluzione.
  3. Collegare un pallone da 1 L a una pompa per vuoto. Posizionare un filtro in fibra di vetro da 110 mm (dimensione dei pori di 0,7 μm) in un imbuto Buchner in porcellana di diametro interno (ID) di 12 cm. Sigillare accuratamente l'imbuto utilizzando una guarnizione conica in gomma sul pallone dell'arma laterale.
    NOTA: I filtri in fibra di vetro devono essere prelavati in un forno di essiccazione a 150 °C e risciacquati con DDI prima dell'uso.
  4. Impostare un pallone aggiuntivo da 1 litro per braccio laterale collegato all'aspirapolvere. Posizionare un tappo di gomma nella parte superiore del pallone con una lunghezza sporgente di ~ 0,5 m di tubo attaccato per l'aspirazione.
    NOTA: Può essere utile fissare una punta di plastica (ad esempio una punta di pipetta monouso da 5 ml, con l'estremità tagliata ad angolo) all'estremità del tubo di aspirazione per migliorare il controllo dell'aspirazione durante l'aspirazione (vedere Figura 1).
  5. Aspirare delicatamente il materiale surnatante e sospeso che si è depositato nello strato superiore della soluzione lungo i lati del tubo della centrifuga, facendo attenzione a non toccare la punta del tubo di aspirazione sulla superficie del terreno pellettato sottostante.
    NOTA: Se qualsiasi materiale pellet del terreno (frazione pesante) viene erroneamente aspirato insieme al materiale sospeso (frazione leggera), la procedura di frazionamento deve essere ripetuta. Se non notato, tale errore si tradurrà in una massa di frazione leggera più pesante del previsto con un contenuto di C inferiore al previsto, che può essere evidente attraverso l'analisi dei dati di campioni con proprietà del suolo simili.
    1. Per pulire il tubo di aspirazione tra i campioni, immergere rapidamente la punta del tubo (ad esempio, immergere per 0,1 s) in acqua DDI e aspirare ~ 5 ml di acqua DDI attraverso la linea con la pompa per vuoto accesa. Ripetere l'operazione fino a quando tutto il materiale è stato lavato dal tubo a vuoto.
    2. Rimuovere il tappo di gomma e l'attacco del tubo di aspirazione dal pallone laterale e versare il contenuto nella parte superiore dell'imbuto Buchner con la pompa per vuoto inserita.
    3. Risciacquare il matraccio con acqua DDI, agitare e versare il contenuto del matraccio nell'imbuto Buchner. Ripetere l'operazione fino a rimuovere tutti i residui aderenti ai lati del matraccio.
  6. Aggiungere 50 ml di SPT alla provetta della centrifuga e agitare vigorosamente a mano per 60 s (o utilizzare una tavola vibrante se il terreno non si disperde rapidamente), avendo cura di rompere il pellet duro sul fondo del tubo in modo che tutto il residuo sia sospeso. Centrifugare per 10 minuti a 3.000 x g.
  7. Ripetere il passaggio 3.5. Versare il contenuto del matraccio nello stesso imbuto di Buchner utilizzato al punto 3.5.2.
  8. Aggiungere 50 ml di SPT alla provetta della centrifuga e agitare vigorosamente a mano, assicurandosi di rompere il pellet duro sul fondo del tubo. Centrifugare per 10 minuti a 3.000 x g.
  9. Ripetere il passaggio 3.5. Versare il contenuto del matraccio nello stesso imbuto di Buchner utilizzato al punto 3.5.2.

4. Separazioni di densità aggiuntive utilizzando SPT ad alta densità

NOTA: se si esegue più di una frazione di densità aggiuntiva, i frazionamenti successivi devono essere eseguiti in ordine di densità crescente. Qui vengono mostrati i passaggi per l'isolamento utilizzando SPT di densità 1,85-2,4 g/cm 3 e >2,4 g/cm3.

  1. Aggiungere 50 mL di 2,4 g/cm 3 SPT alla provetta da centrifuga contenente il materiale del terriccio >1,85 g/cm 3 della fase3. Agitare vigorosamente a mano (>60 s), assicurandosi di rompere il pellet duro sul fondo del tubo. Centrifugare per 10 minuti a 3.000 x g.
  2. Prima di aspirare il campione, testare la densità del surnatante prelevando 5 mL della soluzione con una pipetta e controllando la massa su una bilancia. Regolare la densità SPT in base alle esigenze per ottenere la densità desiderata. Agitare e centrifugare nuovamente se è stata eseguita una regolazione della densità della soluzione.
  3. Ripetere la fase 3 utilizzando una soluzione di SPT 2,4 g/cm 3 al posto della soluzione SPT 1,85 g/cm3 utilizzata in precedenza. Alla fine della fase 3, il materiale isolato nell'imbuto di Buchner avrà una densità compresa tra 1,85-2,4 g/cm 3, mentre il materiale rimanente nel tubo della centrifuga avrà una densità >2,4 g/cm3.

5. Lavaggio dell'SPT dai campioni di frazione pesante e leggera

NOTA: Le seguenti fasi di lavaggio devono essere eseguite per tutto il materiale frazionato. Se la soluzione SPT non viene completamente risciacquata dal materiale, i pesi della frazione corrispondente saranno imprecisi.

  1. Aggiungere 50 ml di acqua DDI al tubo della centrifuga con il materiale della frazione pesante e agitare vigorosamente a mano (60 s), assicurandosi di rompere il pellet duro sul fondo del tubo. Centrifugare per 10 minuti a 3.000 x g.
  2. Aspirare come al punto 3.5. A questo punto, tutto il materiale della frazione leggera dovrebbe essere stato rimosso. Smaltire l'aspirato trasparente in un secchio di scarico invece di aggiungerlo all'imbuto del filtro.
  3. Ripetere i passaggi 5.1-5.2 due volte. Prima di aspirare definitivamente la soluzione nel tubo, utilizzare una pipetta di trasferimento per prelevare 25 mL di surnatante e controllare la densità dividendo il peso della soluzione per il volume per assicurarsi che l'SPT sia stato adeguatamente rimosso dal campione. Se la densità è <1,01 g/ml, procedere al passaggio successivo. Se la densità è pari o superiore a 1,01 g/ml, eseguire ulteriori lavaggi con acqua come sopra fino a quando la densità è inferiore a 1,01 g/ml.
  4. Per garantire la completa rimozione dell'SPT dalla frazione leggera, riempire ogni imbuto Buchner con acqua DDI e filtrare il contenuto attraverso filtri in fibra di vetro. Una volta che l'acqua è filtrata completamente, ripeti questa operazione altre due volte. Se il terreno è ricco di materia organica, la filtrazione può richiedere fino a 48 ore.

6. Raccolta del materiale della frazione pesante

  1. Raschiare con cura il terreno dal tubo della centrifuga in un becher o barattolo di vetro pulito ed etichettato. Versare abbastanza acqua DDI nel tubo per allentare il terreno rimanente; Sostituire il tappo e agitare, quindi aggiungere il liquame al contenitore di vetro. Risciacquare tutto lo sporco rimanente dal tubo della centrifuga e trasferirlo nel contenitore di vetro usando acqua deionizzata.
  2. Porre il contenitore di vetro in un forno di essiccazione impostato tra 40-60 °C. Asciugare fino a raggiungere un peso a secco costante, tipicamente per 24-72 h.

7. Raccolta del materiale della frazione leggera

  1. Spegnere la pompa per vuoto e rimuovere l'imbuto dal pallone del braccio laterale. Tenendo l'imbuto orizzontalmente su un becher o un barattolo di vetro etichettato, sciacquare delicatamente le particelle dal filtro utilizzando una bottiglia di lavaggio con acqua DDI.
    NOTA: Potrebbe essere necessario raschiare delicatamente il filtro con una spatola e sciacquare entrambi i lati del filtro per rimuovere tutti i residui.
  2. Posizionare il contenitore di vetro nel forno di essiccazione impostato tra 40-60 °C. Asciugare fino a raggiungere un peso a secco costante, tipicamente per 24-72 h.

8. Pesatura della massa secca del materiale frazionato

  1. Raschiare delicatamente tutto il materiale essiccato da ciascun contenitore in una barca di plastica. Registrare la massa fino alla quarta cifra decimale. Introdurre il campione in un flaconcino o in una sacca etichettata.
  2. Ripetere l'operazione per tutti i campioni essiccati.

9. Raccolta e analisi dei dati per il carbonio organico totale

  1. Seguire le procedure di analisi in accordo con lo strumento da utilizzare per l'analisi del contenuto di C elementare (ad esempio, ISO 10694:1995).
    NOTA: La macinazione del materiale della frazione essiccata in una polvere fine è una pratica comune per garantire l'omogeneità del campione frazionato prima dell'analisi elementare.
  2. Assicurarsi che la massa cumulativa di tutte le frazioni sia pari ad almeno ~ 90% della massa originale del campione di terreno. Se le perdite di materiale sono >10%, si raccomandano ulteriori frazionamenti replicati.
  3. Quantificare il recupero cumulativo di carbonio organico del suolo (SOC) nelle frazioni. Le perdite di SOC potrebbero non essere perfettamente correlate con la perdita di massa dovuta alla perdita sproporzionata di materiale frazionario e alla perdita di carbonio organico disciolto. Tuttavia, le perdite di SOC dovrebbero anche essere pari al <10% del SOC iniziale nel campione di terreno.

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Representative Results

Il frazionamento della densità del suolo è ideale per studiare come i suoli differiscono nel loro contenuto di particolato e materia organica associata ai minerali. La separazione del SOC in questi due pool distinti fornisce una via per chiarire i cambiamenti nel contenuto di C del suolo e le dinamiche di stabilizzazione che altrimenti potrebbero non essere chiari quando si osservano le tendenze del contenuto di C del suolo sfuso. L'ulteriore separazione del materiale pesante (densità >1,85 g/cm3) fornisce ulteriori informazioni sui cambiamenti e le tendenze nella stabilizzazione C del suolo, ma aumenta la complessità della procedura e l'interpretazione associata ed è associata a costi aggiuntivi. Tuttavia, il frazionamento del suolo in tre o più pool di densità può chiarire tendenze complesse e differenze chimiche nei pool C del suolo. Come con qualsiasi procedura di frazionamento del suolo, la separazione di questi pool C del suolo è imperfetta e la potenziale influenza di tali errori e le ipotesi del metodo dovrebbero essere riconosciute quando si riferiscono i risultati. Infine, i professionisti dovrebbero essere consapevoli della varietà di metodi di frazionamento del suolo esistenti e dei loro punti di forza e di debolezza unici (vedi recensioni e confronti forniti da von Lützow et al.9 e Poeplau et al.10). Molti di questi metodi di frazionamento del suolo non si escludono a vicenda e possono essere opportunamente combinati per migliorare o convalidare le analisi della dinamica C del suolo.

La scelta del numero di frazioni di densità da utilizzare è il primo passo critico prima di iniziare la procedura di frazionamento. Mentre più pool possono sempre essere combinati matematicamente per produrre una singola luce e una singola frazione pesante per confrontare i risultati con altri studi, frazionare la frazione pesante in più di un pool aggiunge tempo e costi significativi. Pierson et al.33 hanno quantificato il cambiamento del SOC in tre pool di densità a seguito di uno studio di manipolazione detritica a lungo termine. Combinando le due piscine più pesanti (Figura 2), gli effetti dei trattamenti detritici erano distinti tra le frazioni leggere (<1,85 g/cm 3) e pesanti (>1,85 g/cm3), soprattutto in relazione agli effetti osservati dal contenuto di SOC alla rinfusa. Eseguendo il frazionamento della densità aggiuntiva a 2,40 g/cm 3 (Figura 3), è stato ulteriormente determinato che gli effetti del trattamento sul MAOM erano prevalentemente limitati al materiale ad alta densità (>2,4 g/cm3). Infine, il contenuto di C:N riportato del suolo sfuso rispetto alle piscine frazionate di densità (Figura 4) presenta una chiara dimostrazione dell'efficacia del metodo di frazionamento della densità per separare il materiale particolato vegetale dalla materia minerale con un contenuto di C:N relativamente basso.

Dopo 50 anni di manipolazioni detritiche, Lajtha et al.22 hanno utilizzato sei frazionamenti sequenziali della densità per esaminare da vicino le influenze detritiche sulla stabilizzazione e la destabilizzazione del SOC (Figura 5). Isolando sette pool SOC, gli autori sono stati in grado di osservare una maggiore sfumatura nella risposta POM e MAOM dopo i trattamenti di aggiunta e rimozione dei rifiuti. Le piscine con densità <2,20 g/cm3 sono risultate più sensibili al trattamento, in accordo con l'aspettativa di lunga data di una relazione positiva tra l'apporto di rifiuti e l'accumulo di SOC. Tuttavia, la risposta delle piscine SOC con densità >2,20 g/cm3 è stata meno pronunciata e, in particolare, per il trattamento di rimozione della lettiera, è stata identificata una relazione negativa opposta tra gli input e il SOC (cioè, gli input sono stati ridotti, ma il contenuto SOC della frazione è aumentato). Eseguendo successive analisi di 14C, sono stati accertati i contributi e le perdite degli input C più recenti per ciascun pool, fornendo una visione meccanicistica del controllo detritico dei percorsi di formazione e destabilizzazione per MAOM.

La combinazione dell'analisi isotopica con il frazionamento sequenziale della densità fornisce ulteriori strade per studiare la complessità della dinamica SOM. Tuttavia, i ricercatori dovrebbero fare attenzione a considerare l'influenza della mineralogia sui risultati del frazionamento della densità. La struttura e la reattività minerale uniche causano differenze intrinseche nella distribuzione della densità delle particelle tra i minerali. Ad esempio, Sollins et al.18 hanno esaminato le caratteristiche isotopiche e chimiche di piscine a densità multipla in quattro terreni boschivi con materiali e morfologie parentali disparati (Figura 6). La mineralogia contrastante tra i quattro suoli ha contribuito pesantemente alle differenze osservate in 13 C, 14C e 15N per ogni frazione di densità. Senza la considerazione della mineralogia, tali risultati possono essere interpretati erroneamente rispetto alla formazione del SOC e alle dinamiche di stabilizzazione. Infine, tornando alla praticità di eseguire separazioni di densità aggiuntive, Sollins et al.18 hanno ottenuto poche informazioni aggiuntive dall'analisi di sei pool di densità rispetto a soli tre (Figura 6).

Helbling et al.31 hanno determinato l'effetto della stagionalità sul contenuto di frazione leggera dei terreni boschivi, nonché l'effetto del trattamento di essiccazione del suolo sulla perdita di C nel pool solubile (Figura 7). Da questo lavoro sono emersi due risultati significativi. In primo luogo, mentre l'essiccazione in forno del terreno ha prodotto una perdita di C organico disciolto significativamente maggiore rispetto alla soluzione SPT, la quantità di C persa è stata insignificante. In secondo luogo, non sembra esserci alcuna stagionalità per il pool della frazione leggera C, il che significa che i tempi di raccolta del campione di terreno non hanno influenzato i risultati del frazionamento. Tuttavia, ci si può aspettare che i risultati differiscano tra suoli e ambienti, date le differenze negli stock di POM e nei tassi di decomposizione.

Figure 1
Figura 1: Apparato di aspirazione della frazione leggera. Schema dell'apparato del vuoto per l'aspirazione della frazione leggera. *Il parafilm può essere utilizzato per fissare e sigillare la giunzione tra la punta del pipet e il tubo a vuoto. **Il taglio angolare della punta del pipet può essere utile per aumentare le dimensioni dell'apertura della punta, nonché per applicare un'aspirazione ravvicinata alle pareti laterali del tubo della centrifuga. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 2
Figura 2: Confronto del contenuto di carbonio per terreni sfusi, leggeri e pesanti. Il suolo è stato raccolto dai terreni Detrital Input and Removal Treatment (DIRT) nella foresta sperimentale di H.J. Andrews dopo 20 anni di trattamento (n = 3). Il C associato al minerale per i trattamenti di rimozione delle radici (NR, NI) è stato significativamente aumentato, in contrasto con gli effetti osservati sul contenuto di C alla rinfusa. Inoltre, i risultati frazionati mostrano che l'aumento della massa C dal trattamento del doppio legno (DW) è derivato da un aumento della frazione leggera C. Le barre di errore rappresentano l'errore standard. Questa cifra è stata modificata da Pierson et al.33. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 3
Figura 3: Confronto tra i pool di frazioni intermedie e pesanti. Il suolo è stato raccolto dai terreni Detrital Input and Removal Treatment (DIRT) nella foresta sperimentale di H.J. Andrews dopo 20 anni di trattamento (n = 3). I risultati dimostrano i risultati dell'isolamento di una frazione intermedia (1,85-2,40 g / cm 3) e di una frazione più pesante (>2,40 g / cm3). Il contenuto della frazione intermedia C ha mostrato una maggiore variabilità e nessun effetto del trattamento è stato significativo. Le barre di errore rappresentano l'errore standard. Questa cifra è stata modificata da Pierson et al.33. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 4
Figura 4: Rapporti carbonio/azoto per terreni sfusi, leggeri e pesanti. Il suolo è stato raccolto dai terreni Detrital Input and Removal Treatment (DIRT) nella foresta sperimentale di H.J. Andrews dopo 20 anni di trattamento (n = 3). Dato l'elevato contenuto di C:N del tessuto vegetale rispetto ai minerali del suolo, la differenza osservata nel contenuto di C:N tra le frazioni leggere e pesanti dimostra chiaramente la capacità del frazionamento della densità del suolo di separare il particolato organico dal suolo sfuso. Le barre di errore rappresentano l'errore standard. Questa cifra è stata modificata da Pierson et al.33. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 5
Figura 5: Frazionamento sequenziale della densità del suolo dopo 50 anni di manipolazioni detritiche (n = 4). La separazione del suolo in sette frazioni di densità ha fornito informazioni sulla natura del carico C sui minerali del suolo. Il trattamento della doppia lettiera, che ha aumentato il terreno C, ha portato al carico di C di materiale minerale nella frazione 2,00-2,40 g/cm3 , come dimostrato dalla variazione delle concentrazioni della frazione C rispetto al controllo. Le perdite di suolo C dal trattamento senza lettiera sono state maggiori nelle frazioni di suolo con densità comprese tra 1,85-2,20 g / cm3. Le barre di errore rappresentano l'errore standard. Questa cifra è stata modificata da Lajtha et al.22. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 6
Figura 6: Effetti della mineralogia sui pool di densità del suolo. Terreni con morfologia unica sono stati raccolti da quattro siti boschivi. L'analisi isotopica dimostra come la mineralogia del suolo possa influenzare le proprietà biogeochimiche nei pool di densità del suolo. Inoltre, in questo caso, l'analisi di tre pool di densità, invece di sei o più, ha catturato in gran parte le tendenze all'interno e tra le diverse firme isotopiche. Questa cifra è stata modificata da Sollins et al.18. I dati e i grafici originali sono mostrati nella colonna con più di sei pool; I dati sono stati ricalcolati e visualizzati per dimostrare i risultati solo per tre pool. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 7
Figura 7: Effetti della raccolta e della preparazione dei campioni sul frazionamento della densità del suolo. Helbling et al.31 hanno scoperto che il terreno essiccato in forno spesso produce maggiore carbonio organico disciolto rispetto al terreno essiccato all'aria, umido e lisciviato. Nelle stagioni di raccolta dei campioni, la proporzione di massa frazionaria leggera e pesante non era significativamente diversa. Questa cifra è stata modificata da Helbling et al.31. Le barre di errore rappresentano l'errore standard. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

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Discussion

In tutto il protocollo di frazionamento della densità del suolo, ci sono alcune procedure specifiche che devono essere monitorate attentamente per contribuire a ridurre gli errori nella separazione e nell'analisi delle frazioni del suolo. Un passo fondamentale nella procedura di frazionamento della densità del suolo è verificare ripetutamente la densità della soluzione SPT. L'umidità nel campione di terreno spesso diluisce la soluzione SPT, riducendo così la densità dell'SPT. Pertanto, il ricercatore deve sempre assicurarsi che la completa separazione delle soluzioni leggere e pesanti sia stata raggiunta dopo la centrifugazione. Se le frazioni non si separano adeguatamente, è necessario aggiungere più della soluzione SPT o ridurre la massa del terreno. I terreni sabbiosi si separano rapidamente, mentre i terreni finemente strutturati, come gli Oxisols in particolare, possono rimanere torbidi per lungo tempo durante la centrifugazione a causa di un elevato carico sospeso di particelle fini. Quando le soluzioni appaiono torbide dopo la centrifugazione, il tempo o la velocità di centrifugazione devono essere aumentati. In alternativa, una stima della perdita di C dal sedimento sospeso può essere determinata analizzando il contenuto di C della soluzione aspirata.

La determinazione della qualità del politungstato di sodio (SPT) da acquistare dipende dalle analisi che verranno eseguite dopo il frazionamento. Kramer et al.34 hanno scoperto che l'SPT commerciale può essere arricchito in ammonio alto 15N e, quindi, può alterare significativamente la firma 15N delle frazioni del suolo. Pertanto, dovrebbe essere utilizzato un SPT di grado di purezza elevata (ad esempio, SPT-0) per garantire una contaminazione minima da C e N per gli studi in cui verranno misurate le firme isotopiche dei suoli. Tuttavia, SPT con un grado di purezza che è un gradino più basso (ad esempio, SPT-1) spesso ha un arricchimento minimo di N e C ed è meno costoso, fornendo così un'opzione più economica quando gli isotopi non saranno misurati.

Per evitare errori significativi, bisogna fare attenzione a rimuovere tutta la frazione leggera dalla soluzione, che spesso si attacca alle pareti laterali dei tubi della centrifuga durante l'aspirazione e all'imbuto durante le successive fasi di filtrazione. La frazione leggera in eccesso che rimane nel materiale della frazione pesante si tradurrà in una bassa stima della frazione leggera C e contemporaneamente sovrastima il contenuto C della frazione pesante. Un attento esame dei dati finali può aiutare a identificare tali errori quando si fraziona una serie di campioni con proprietà del suolo simili.

La perdita di carbonio organico disciolto (DOC) in soluzione è tipicamente piccola, di solito <5% del suolo totale C, e non può essere evitata (Figura 7)31. Tuttavia, le perdite di DOC possono essere molto maggiori quando si frazionano terreni con piscine C altamente solubili, come quelle che si trovano in alcuni ambienti desertici35. In tali casi, dovrebbe essere quantificato anche il pool DOC estraibile dall'acqua. Tipicamente, gli errori derivanti dalla perdita di massa del suolo, in particolare della frazione leggera, sono di gran lunga maggiori degli errori causati dalla perdita di DOC.

L'adsorbimento del politungstato nel campione del suolo è una possibilità chimica e la misura in cui tali scambi chimici si verificano è attualmente sconosciuta. Inoltre, ci si aspetta che l'affinità di legame del politungstato vari tra terreni con proprietà chimiche diverse. Attualmente, la correlazione tra perdita di massa del suolo e perdita di SOC alla fine della procedura fornisce una forma semplice e logisticamente fattibile di garanzia che qualsiasi guadagno di massa dallo scambio di politungstato è trascurabile per la quantificazione del SOC nel materiale frazionato. Se la massa cumulativa della frazione del suolo è maggiore della massa iniziale del campione, o se le perdite di massa sono nettamente inferiori alle perdite SOC, allora i campioni possono assorbire il politungstato. È necessario prima eseguire ulteriori passaggi di lavaggio per tentare di risolvere tale problema. Se l'assorbimento di politungstato nel materiale frazionato persiste, può essere necessaria un'ulteriore analisi elementare per verificare e correggere un aumento del contenuto di tungsteno del materiale frazionato. In particolare, tali problemi che comportano l'incapacità di risciacquare il politungstato dal materiale del suolo sono rari.

Sebbene il frazionamento della densità separi idealmente il particolato libero (POM) dalla materia organica associata ai minerali (MAOM), la presenza di aggregati stabili all'acqua complica l'interpretazione dei risultati del frazionamento della densità. Il limo e l'argilla possono formare forti associazioni e legarsi alla materia organica, e il biota del suolo, le radici e le ife fungine possono formare macroaggregati che aiutano a proteggere i composti organici dalla decomposizione microbica. Questa materia organica protetta da aggregati, spesso indicata come materia organica occlusa, non è MAOM ma sarà recuperata nella frazione pesante (cioè >1,85 g / cm3). L'inclusione di POM occluso è probabilmente più impattante sui risultati e sull'interpretazione delle frazioni di densità intermedia. Mentre le frazioni a una densità superiore a ~ 2,40 g / cm 3 possono contenere minerali poveri di sostanze organiche prive di materiale organico occluso e si presume che il materiale con una densità inferiore a 1,85 g / cm3 sia materia organica priva di minerali, le frazioni intermedie possono essere miscele di minerali pesanti ricchi di organico, aggregati e minerali leggeri poveri di organico. Ad oggi, non è emerso alcun consenso comune o metodo pervasivo per l'interpretazione delle differenze di C riscontrate nel materiale della frazione intermedia. Quando riportiamo tali informazioni, suggeriamo di riconoscere la potenziale influenza della materia organica occlusa e della mineralogia sui risultati.

Varie tecniche chimiche e fisiche sono state impiegate per disperdere aggregati per facilitare il rilascio di POM occluso, con l'energia ultrasonica che rappresenta il metodo più comunemente usato. Sfortunatamente, non esiste un livello di energia di sonicazione che possa causare una dispersione completa su tutti gli aggregati, poiché la forza dell'aggregato e i meccanismi di legame variano ampiamente sia tra i tipi di suolo che tra le classi di dimensioni degli aggregati36. Amelung e Zech36 hanno scoperto che i microaggregati (20-250 μm) richiedevano più energia ultrasonica per disperdersi rispetto ai macroaggregati più grandi, ma hanno anche scoperto che il particolato organico veniva interrotto a queste energie più elevate. Inoltre, la sonicazione sequenziale con intensità crescente continua a produrre materia organica occlusa libera37, suggerendo ancora una volta che non esiste un singolo pool di materia organica occlusa e che, a livelli di sonicazione più elevati, gran parte del materiale della frazione leggera separata potrebbe essere un artefatto colloidale. Kaiser e Guggenberger30 hanno anche dimostrato il potenziale della sonicazione per alterare la distribuzione della densità delle miscele della materia organica della frazione leggera con diversi minerali. Mentre l'incorporazione di tecniche di dispersione ad ultrasuoni durante o dopo il frazionamento della densità del suolo offre opportunità uniche per disperdere e isolare le piscine SOM, questi studi giustificano la considerazione dell'efficacia della dispersione e della distruzione del POM e delle strutture minerali.

Il metodo alternativo più diffuso per separare il suolo C in piscine facilmente misurabili è il frazionamento dimensionale. Il frazionamento dimensionale è rapido e a basso costo rispetto al frazionamento della densità e può fornire informazioni simili sulla dinamica SOM data la correlazione tra contenuto di argilla e MAOM. In effetti, Poeplau et al.10 non hanno trovato differenze significative nei tassi di turnover SOM per i pool C separati per frazionamento di dimensioni e densità su tre diversi terreni. Tuttavia, il particolato organico (POM) con una dimensione equivalente o inferiore all'argilla è comune, il che significa che i metodi di frazionamento dimensionale da soli non sono in grado di separare accuratamente il POM dal MAOM. L'incorporazione di POM in frazioni di dimensioni fini può, quindi, portare a errori nell'analisi chimica elementare e organica in alcuni terreni con una quantità significativa di particolato fine15. Se esiste la necessità di quantificare il contenuto di C del materiale minerale ad una specifica dimensione delle particelle (ad esempio, sabbia, limo, argilla), i due metodi possono essere combinati eseguendo un frazionamento a densità singola seguito dal frazionamento dimensionale del materiale della frazione pesante.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgments

Per questo lavoro, il supporto è stato fornito dalla National Science Foundation Grants DEB-1257032 a K.L. e DEB-1440409 al programma di ricerca ecologica a lungo termine di 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

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