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Utilización del fraccionamiento de la densidad del suelo para separar distintas reservas de carbono del suelo

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

El fraccionamiento de la densidad del suelo separa la materia orgánica del suelo en distintos grupos con diferentes mecanismos de estabilización, química y tiempos de renovación. Las soluciones de politungstato de sodio con densidades específicas permiten la separación de la materia orgánica particulada libre y la materia orgánica asociada a minerales, lo que resulta en fracciones de materia orgánica adecuadas para describir la respuesta del suelo a la gestión y el cambio climático.

Abstract

La materia orgánica del suelo (SOM) es una mezcla complicada de diferentes compuestos que abarcan desde componentes vegetales libres y parcialmente degradados hasta compuestos más alterados microbianamente que se encuentran en los agregados del suelo y subproductos microbianos altamente procesados con fuertes asociaciones con minerales reactivos del suelo. Los científicos del suelo han luchado para encontrar formas de separar el suelo en fracciones que sean fácilmente medibles y útiles para el modelado del carbono del suelo (C). El fraccionamiento del suelo en función de la densidad se utiliza cada vez más, y es fácil de realizar y produce grupos C en función del grado de asociación entre el SOM y diferentes minerales; por lo tanto, el fraccionamiento de la densidad del suelo puede ayudar a caracterizar el SOM e identificar los mecanismos de estabilización de SOM. Sin embargo, los protocolos de fraccionamiento de densidad del suelo reportados varían significativamente, lo que hace que los resultados de diferentes estudios y ecosistemas sean difíciles de comparar. Aquí, describimos un procedimiento robusto de fraccionamiento de densidad que separa las partículas y la materia orgánica asociada a minerales y explicamos los beneficios y desventajas de separar el suelo en dos, tres o más fracciones de densidad. Tales fracciones a menudo difieren en su composición química y mineral, tiempo de rotación y grado de procesamiento microbiano, así como el grado de estabilización mineral.

Introduction

El suelo es la mayor reserva de carbono terrestre (C), que contiene más de 1.500 Pg de C en el 1 m superior y casi el doble de esa cantidad en niveles más profundos a nivel mundial, lo que significa que el suelo contiene más C que la biomasa vegetal y la atmósfera combinadas1. La materia orgánica del suelo (SOM) retiene el agua y los nutrientes del suelo y es esencial para la productividad de las plantas y la función del ecosistema terrestre. A pesar del reconocimiento mundial de la importancia de las existencias adecuadas de SOM para la salud del suelo y la productividad agrícola, las existencias de C del suelo se han agotado sustancialmente debido a la gestión forestal y agrícola insostenible, el cambio del paisaje y el calentamiento climático 2,3. El creciente interés en restaurar la salud del suelo y en utilizar la retención de C del suelo como un actor clave en las soluciones climáticas naturales ha llevado a esfuerzos para comprender los factores que controlan el secuestro y la estabilización del C del suelo en diversos ambientes 4,5.

La materia orgánica del suelo (SOM) es una mezcla complicada de diferentes compuestos que abarcan desde componentes vegetales libres y parcialmente degradados hasta compuestos más alterados microbianamente contenidos en los agregados del suelo (definidos aquí como un material formado por la combinación de unidades o elementos separados) hasta subproductos microbianos altamente procesados con fuertes asociaciones con minerales reactivos del suelo6 . En los casos en que no es práctico identificar el conjunto completo de compuestos individuales en el SOM, los investigadores a menudo se centran en identificar un número menor de grupos funcionales de C que existen como realidades físicas y que varían según las tasas de recambio, la composición química general y el grado de estabilización con los componentes minerales del suelo1, 7. Para que los pools sean interpretados y modelados críticamente, es esencial que los pools separados sean pequeños en número, sean directamente medibles en lugar de solo teóricos, y exhiban claras diferencias en composición y reactividad8.

Se han empleado muchas técnicas diferentes, tanto químicas como físicas, para aislar piscinas significativas de suelo C, y estas están bien resumidas por von Lützow et al.9 y Poeplau et al.10. Las técnicas de extracción química tienen como objetivo aislar piscinas específicas, como C asociado con Fe y Al11 poco cristalino o cristalino. Los disolventes orgánicos se han utilizado para extraer compuestos específicos como los lípidos12, y la hidrólisis o la oxidación de SOM se ha utilizado como medida de un grupo lábil de C13,14. Sin embargo, ninguno de estos métodos de extracción clasifica todos los grupos de C en fracciones medibles o modelables. El fraccionamiento físico del suelo clasifica todo el suelo C en piscinas basadas en el tamaño y asume que la descomposición de los desechos vegetales resulta en fragmentación y partículas cada vez más pequeñas. Aunque el tamaño por sí solo no puede separar los desechos vegetales libres de la SOM15 asociada a minerales, cuantificar estas dos piscinas es fundamental para la comprensión de la estabilización C del suelo debido a las diferencias espaciales, físicas y biogeoquímicas comunes en la formación y el recambio16.

El fraccionamiento del suelo C basado en la densidad se utiliza cada vez más, y es fácil de realizar e identifica diferentes grupos de C en función del grado de asociación con diferentes minerales17,18,19; por lo tanto, el fraccionamiento de la densidad del suelo puede ayudar a dilucidar diferentes mecanismos de estabilización del C del suelo. El requisito principal para que el suelo sea fraccionado es la capacidad de dispersar completamente las partículas orgánicas y minerales. Una vez dispersa, la materia orgánica degradada que está relativamente libre de minerales flota en soluciones más ligeras que ~ 1.85 g / cm 3, mientras que los minerales generalmente caen en el rango de 2-4.5 g / cm 3, aunque los óxidos de hierro pueden tener densidades de hasta 5.3 g / cm3. La fracción de partículas ligeras o libres tiende a tener un tiempo de rotación más corto (a menos que haya una contaminación significativa por carbón vegetal) y se ha demostrado que es altamente sensible al cultivo y otras perturbaciones. La fracción pesada (>1,85 g/cm3) o asociada a minerales a menudo tiene un tiempo de renovación más largo debido a la resistencia a la descomposición mediada microbianamente obtenida cuando las moléculas orgánicas se unen con superficies minerales reactivas. Sin embargo, la fracción pesada puede saturarse (es decir, alcanzar un límite superior para la capacidad de complejación mineral), mientras que la fracción ligera teóricamente puede acumularse casi indefinidamente. Por lo tanto, comprender la distribución física de la materia orgánica en las reservas de materia orgánica asociada a minerales frente a las partículas orgánicas ayuda a dilucidar qué ecosistemas pueden ser manejados para un secuestro eficiente de carbono y cómo los diferentes sistemas responderán al cambio climático y a los patrones cambiantes de perturbación antropogénica20.

Si bien el uso del fraccionamiento por densidad utilizando soluciones de politungstato de sodio a diferentes densidades ha aumentado enormemente en la última década, las técnicas y protocolos varían significativamente, lo que hace que los resultados de diferentes estudios y diferentes ecosistemas sean difíciles de comparar. Aunque se ha demostrado que una densidad de 1,85 g/cm3 recupera la mayor cantidad de fracción de luz libre con una mínima inclusión de materia orgánica asociada a minerales (MAOM)17, muchos estudios han utilizado densidades que van desde 1,65-2,0 g/cm3. Si bien la mayoría de los estudios han fraccionado los suelos en solo dos piscinas (una fracción ligera y una fracción pesada, en adelante LF y HF), otros estudios han utilizado múltiples densidades para refinar aún más la fracción pesada en piscinas que difieren por los minerales con los que están asociados, la proporción relativa de minerales a recubrimiento orgánico o el grado de agregación (por ejemplo, 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). Además, se han sugerido procedimientos de fraccionamiento más complejos que combinan la separación de tamaño y densidad, lo que resulta en un mayor número de piscinas (por ejemplo, Yonekura et al.26, Virto et al.27, Moni et al.15, Poeplau et al.10) pero también más margen de error, tanto en la metodología como en relación con el tamaño de la piscina. Además, los autores también han utilizado la sonicación a diversas intensidades y tiempos en un esfuerzo por dispersar agregados y MAOM de superficies minerales28,29,30.

Aquí, describimos un procedimiento robusto de fraccionamiento de densidad que identifica, primero, dos grupos únicos de carbono del suelo (LF y HF, o POM y MAOM), y ofrecemos tanto las técnicas como los argumentos para separar aún más el grupo de HF en fracciones adicionales que difieren en función de su mineralogía, grado de recubrimiento orgánico o agregación. Las fracciones aquí identificadas han demostrado diferir en términos de su composición química, tiempo de renovación, grado de procesamiento microbiano y grado de estabilización mineral18,19.

El siguiente procedimiento separa el suelo a granel en materia orgánica particulada (POM) y materia orgánica asociada a minerales (MAOM) mezclando una cantidad conocida de suelo en una solución con una densidad específica. La eficacia del procedimiento se mide por la recuperación combinada de la masa del suelo y el carbono en relación con la masa inicial de la muestra del suelo y el contenido de C. Una solución densa se logra disolviendo politungstato de sodio (SPT) en agua desionizada. El suelo se mezcla inicialmente con la solución densa de SPT y se agita para mezclar y dispersar completamente los agregados del suelo. La centrifugación se utiliza para separar los materiales del suelo que flotan (fracción ligera) o se hunden (fracción pesada) en la solución. Los pasos de mezcla, aislamiento, recuperación y lavado se repiten varias veces para garantizar la separación de las fracciones ligeras y pesadas, junto con la eliminación de SPT del material. Finalmente, las fracciones del suelo se secan, pesan y analizan para determinar el contenido de C. El material fraccionado puede utilizarse para procedimientos y análisis posteriores.

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Protocol

1. Fabricación de soluciones madre de politungstato de sodio (SPT)

PRECAUCIÓN: El SPT es un irritante y es dañino si se ingiere o inhala. Es tóxico para los organismos acuáticos; evitar su liberación al medio ambiente.

  1. Para hacer 1 L de solución SPT con una densidad de 1.85 g / cm3, disuelva 1,051 g de SPT cristalizado en aproximadamente 600 ml de agua destilada desionizada (DDI). Revuelva la solución hasta que el SPT se haya disuelto completamente, aproximadamente durante 15 min, y luego lleve el volumen de la solución a 1 L con DDI.
    NOTA: La recuperación de carbono utilizando una densidad de solución <1.85 g/cm3 puede subreclutar carbono de fracción ligera derivado de partículas orgánicas17,18, tergiversando así la cantidad de carbono en la muestra. Por lo tanto,se sugiere una densidad de solución SPT de 1.85 g / cm3 8,17 para incluir más el carbono asociado con la materia orgánica particulada para una muestra de suelo típica (es decir, la mayoría de las margas de arena, limo y arcilla con contenido de C <10%).
  2. Para hacer 1 L de solución SPT con una densidad de 2.40 g/cm3, disolver 1,803 g de SPT sólido en aproximadamente 500 mL de agua DDI. Revuelva la solución hasta que el SPT se haya disuelto completamente y luego lleve el volumen de la solución a 1 L con DDI.
    NOTA: Más allá del uso potencial para el fraccionamiento del suelo, a menudo se requiere una solución con una densidad superior a 1,85 g/cm 3 para el ajuste de la solución SPT en pasos posteriores del protocolo (ver paso3.2). Si queda una solución adicional de 2,40 g/cm3, la solución puede diluirse a 1,85 g/cm3 con agua desionizada y utilizarse para el fraccionamiento del suelo.
  3. Antes de usarlo en fraccionamiento, analice el SPT para el contenido de C y N. Realice este análisis utilizando un analizador elemental sólido o líquido (métodos de ejemplo: ISO 10694:1995, ISO 20236:2018).
    1. Realice una dilución 1:100 de la solución del paso 1.1 para los analizadores elementales líquidos para reducir el deterioro de los depuradores elementales y catalizadores. La tolerancia a la contaminación por C y N en la solución SPT dependerá de la muestra y de los usos posteriores de las fracciones del suelo. Típicamente, una solución SPT con un contenido de C y N <1 ppm y <0.1 ppm, respectivamente, se considera adecuada para su uso, ya que soluciones como esta presentan una capacidad mínima para alterar las piscinas C y N del suelo mucho más grandes.

2. Disolución del suelo en SPT

  1. Agregue 50 g de tierra que se seca al aire y tamiza a 2 mm a un tubo centrífugo cónico de polipropileno de 250 ml. Registre la masa en al menos cuatro cifras significativas. No utilice tierra seca al horno ya que esto puede aumentar el carbono soluble debido a la lisis celular inducida por el calor31.
    NOTA: Se puede utilizar suelo húmedo de campo31, pero se requiere un ajuste adicional en los pasos posteriores para mantener la densidad objetivo de la solución SPT. Se recomienda tamizar el material del suelo a 2 mm para eliminar el material grande que puede sesgar los resultados del fraccionamiento, como rocas y desechos leñosos.
    1. Ajustar la masa del suelo para asegurar que se recupere una masa adecuada de cada fracción para evitar errores significativos en la cuantificación. La razón más común para el ajuste de masa es el bajo contenido de POM (por ejemplo, <2% de la masa total del suelo). Para tales suelos, proporcione masa de suelo adicional para cuantificar con precisión la recuperación de POM. En general, es aceptable ajustar la masa del suelo para cada muestra individual, ya que cambiar la masa de la muestra no alterará la proporción de POM a MAOM. Sin embargo, a menudo es útil utilizar una masa consistente para ayudar al equilibrio de la centrífuga.
    2. Tratar suelos ricos en carbonatos para eliminar los carbonatos inorgánicos antes del fraccionamiento32.
  2. Agregue 50 ml de SPT de densidad3 de 1.85 g/cm al tubo de centrífuga y vuelva a colocar la tapa herméticamente. Al igual que con las cantidades de suelo, ajuste el volumen de SPT según sea necesario. En suelos superficiales ricos en POM (por ejemplo, muchos suelos de bosques templados), use una mayor proporción de suelo a SPT (por ejemplo, 30 g de suelo a 60 ml de SPT) para lograr una separación adecuada de los materiales de fracción ligera y pesada.
  3. Agite el tubo vigorosamente a mano durante ~60 s para romper los agregados no estables al agua. Se desea la colisión contundente de los agregados del suelo con las paredes laterales del tubo de centrífuga, lo que significa que simplemente vortexing la solución puede ser insuficiente.
  4. Asegure el tubo a un agitador de plataforma. A menudo, colocar el tubo de lado ayuda en la dispersión del suelo al aumentar la fuerza de chapoteo de la solución y reducir la altura de pie de la capa de suelo. Tenga cuidado de que el tubo esté bien sellado y agite durante 2 h a 40-120 rpm. Retire periódicamente el tubo del agitador y agite vigorosamente con la mano para aumentar la agitación del material agregado más denso.

3. Realización de un fraccionamiento de suelo grueso

  1. Retire el tubo del agitador. Iguale las masas del tubo de centrífuga agregando cuidadosamente una solución SPT adicional para alcanzar una masa consistente en todo el conjunto de tubos a centrifugar, asegurándose de agitar vigorosamente a mano durante 30 s después de agregar la solución SPT. Centrífuga durante 10 min a 3.000 x g en una centrífuga de cucharón oscilante.
  2. Antes de aspirar la muestra, pruebe la densidad del sobrenadante extrayendo 5 ml de la solución con una pipeta y verificando la masa en una balanza. Ajuste la densidad SPT según sea necesario para lograr la densidad deseada. Agitar y centrifugar de nuevo si se ha realizado un ajuste de la densidad de la solución.
  3. Acople un matraz de brazo lateral de 1 L a una bomba de vacío. Coloque un filtro de fibra de vidrio de 110 mm (tamaño de poro de 0,7 μm) en un embudo Buchner de porcelana de 12 cm de diámetro interno (ID). Selle el embudo cuidadosamente con una junta de goma cónica en el matraz del brazo.
    NOTA: Los filtros de fibra de vidrio deben lavarse previamente en un horno de secado a 150 °C y enjuagarse con DDI antes de su uso.
  4. Coloque un matraz adicional de brazo lateral de 1 L conectado a la aspiradora. Coloque un tapón de goma en la parte superior del matraz con una longitud sobresaliente de ~0,5 m de tubo conectado para la aspiración.
    NOTA: Puede ser útil colocar una punta de plástico (como una punta de pipeta desechable de 5 ml, con el extremo recortado en ángulo) al extremo del tubo de aspiración para mejorar el control de la succión durante la aspiración (véase la figura 1).
  5. Aspire suavemente el sobrenadante y el material suspendido que se ha asentado en la capa superior de la solución a lo largo de los lados del tubo de centrífuga, teniendo cuidado de no tocar la punta del tubo de aspiración con la superficie del suelo granulado debajo.
    NOTA: Si cualquier material de pellet de suelo (fracción pesada) se aspira por error junto con el material suspendido (fracción ligera), se debe repetir el procedimiento de fraccionamiento. Si no se nota, tal error dará como resultado una masa de fracción ligera más pesada de lo esperado con un contenido de C inferior al esperado, que puede ser evidente a través del análisis de datos de muestras con propiedades de suelo similares.
    1. Para limpiar el tubo de aspiración entre muestras, sumerja la punta del tubo rápidamente (por ejemplo, sumerja durante 0,1 s) en agua DDI y extraiga ~ 5 ml de agua DDI a través de la línea con la bomba de vacío encendida. Repita hasta que todo el material se haya lavado del tubo de vacío.
    2. Retire el tapón de goma y el accesorio del tubo de aspiración del matraz del brazo lateral y vierta el contenido en la parte superior del embudo Buchner con la bomba de vacío encendida.
    3. Enjuague el matraz con agua DDI, agite y vierta el contenido del matraz en el embudo Buchner. Repita hasta que se elimine todo el residuo adherido a los lados del matraz.
  6. Agregue 50 ml de SPT al tubo de centrífuga y agite vigorosamente a mano durante 60 s (o use una mesa agitadora si el suelo no se dispersa rápidamente), asegurándose de romper el pellet duro en el fondo del tubo para que todo el residuo se vuelva a suspender. Centrifugadora durante 10 min a 3.000 x g.
  7. Repita el paso 3.5. Vierta el contenido del matraz en el mismo embudo Buchner utilizado en el paso 3.5.2.
  8. Agregue 50 ml de SPT al tubo de centrífuga y agite vigorosamente con la mano, asegurándose de romper el pellet duro en el fondo del tubo. Centrifugadora durante 10 min a 3.000 x g.
  9. Repita el paso 3.5. Vierta el contenido del matraz en el mismo embudo Buchner utilizado en el paso 3.5.2.

4. Separación(es) de densidad adicional(es) utilizando SPT de mayor densidad

NOTA: Si se realiza más de una fracción de densidad adicional, los fraccionamientos posteriores deben realizarse en orden creciente de densidad. Aquí, se muestran los pasos para aislar usando SPT de densidad 1.85-2.4 g / cm 3 y > 2.4 g / cm3.

  1. Añadir 50 ml de 2,4 g/cm 3 SPT al tubo de centrífuga que contiene el material de suelo de >1,85 g/cm 3 del paso3. Agitar vigorosamente a mano (>60 s), asegurándose de romper la bolita dura en el fondo del tubo. Centrifugadora durante 10 min a 3.000 x g.
  2. Antes de aspirar la muestra, pruebe la densidad del sobrenadante extrayendo 5 ml de la solución con una pipeta y verificando la masa en una balanza. Ajuste la densidad SPT según sea necesario para lograr la densidad deseada. Agitar y centrifugar de nuevo si se ha realizado un ajuste de la densidad de la solución.
  3. Repita el paso 3 utilizando una solución SPT de 2,4 g/cm 3 en lugar de la solución de SPT de 1,85 g/cm3 utilizada anteriormente. Al final del paso 3, el material aislado en el embudo de Buchner tendrá una densidad entre 1,85-2,4 g/cm3, mientras que el material restante en el tubo de centrífuga tendrá una densidad >2,4 g/cm3.

5. Lavado del SPT de las muestras de fracción pesada y ligera

NOTA: Se deben realizar los siguientes pasos de lavado para todo el material fraccionado. Si la solución SPT no se enjuaga completamente del material, los pesos de fracción correspondientes serán inexactos.

  1. Agregue 50 ml de agua DDI al tubo de centrífuga con el material de fracción pesada y agite vigorosamente a mano (60 s), asegurándose de romper el pellet duro en el fondo del tubo. Centrifugadora durante 10 min a 3.000 x g.
  2. Aspirar como en el paso 3.5. En este punto, todo el material de fracción ligera debería haberse eliminado. Deseche el aspirado transparente en un cubo de basura en lugar de agregarlo al embudo del filtro.
  3. Repita los pasos 5.1-5.2 dos veces. Antes de aspirar finalmente la solución en el tubo, utilice una pipeta de transferencia para extraer 25 ml del sobrenadante y compruebe la densidad dividiendo el peso de la solución por el volumen para asegurarse de que el SPT se ha eliminado adecuadamente de la muestra. Si la densidad es <1.01 g/mL, continúe con el siguiente paso. Si la densidad es de 1.01 g/mL o mayor, realice lavados con agua adicionales como se indicó anteriormente hasta que la densidad sea inferior a 1.01 g/mL.
  4. Para garantizar la eliminación completa del SPT de la fracción de luz, llene cada embudo Buchner con agua DDI y filtre el contenido a través de filtros de fibra de vidrio. Una vez que el agua se haya filtrado por completo, repita esto dos veces más. Si el suelo es alto en materia orgánica, la filtración puede tardar hasta 48 h.

6. Recogida del material de fracción pesada

  1. Raspa cuidadosamente la tierra del tubo de la centrífuga en un vaso o frasco de vidrio limpio y etiquetado. Vierta suficiente agua DDI en el tubo para aflojar el suelo restante; Vuelva a colocar la tapa y agitar, y luego agregue la suspensión al recipiente de vidrio. Enjuague toda la tierra restante del tubo de centrífuga y transfiérala al recipiente de vidrio con agua desionizada.
  2. Coloque el recipiente de vidrio en un horno de secado a una temperatura de entre 40 y 60 °C. Secar hasta alcanzar un peso seco constante, típicamente durante 24-72 h.

7. Recogida del material de fracción ligera

  1. Apague la bomba de vacío y retire el embudo del matraz del brazo. Sosteniendo el embudo horizontalmente sobre un vaso o frasco de vidrio etiquetado, enjuague suavemente las partículas del filtro con una botella de lavado de agua DDI.
    NOTA: Puede ser necesario raspar suavemente el filtro con una espátula y enjuagar ambos lados del filtro para eliminar todos los residuos.
  2. Colocar el recipiente de vidrio en el horno de secado entre 40-60 °C. Secar hasta alcanzar un peso seco constante, típicamente durante 24-72 h.

8. Pesaje de la masa seca del material fraccionado

  1. Raspa suavemente todo el material seco de cada recipiente en un bote de pesaje de plástico. Registre la masa hasta el cuarto decimal. Coloque la muestra en un vial o bolsa de almacenamiento etiquetado.
  2. Repita para todas las muestras secas.

9. Recopilación y análisis de datos para el carbono orgánico total

  1. Seguir los procedimientos de análisis de acuerdo con el instrumento que se utilizará para el análisis del contenido de C elemental (por ejemplo, ISO 10694:1995).
    NOTA: Moler el material de fracción seca en un polvo fino es una práctica común para garantizar la homogeneidad de la muestra fraccionada antes del análisis elemental.
  2. Asegúrese de que la masa acumulada de todas las fracciones sea igual a al menos ~ 90% de la masa de la muestra de suelo original. Si las pérdidas de material son >10%, se recomiendan fraccionamientos adicionales de replicación.
  3. Cuantificar la recuperación acumulada de carbono orgánico del suelo (SOC) en las fracciones. Las pérdidas de SOC pueden no correlacionarse perfectamente con la pérdida de masa debido a la pérdida desproporcionada de material de fracción y la pérdida de carbono orgánico disuelto. Sin embargo, las pérdidas de SOC también deben ser del <10 % del SOC inicial en la muestra de suelo.

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Representative Results

El fraccionamiento de la densidad del suelo es ideal para investigar cómo los suelos difieren en su contenido de partículas y materia orgánica asociada a minerales. La separación del SOC en estos dos grupos distintos proporciona una vía para dilucidar los cambios en el contenido de C del suelo y la dinámica de estabilización que de otro modo podrían no estar claros al observar tendencias en el contenido de C del suelo a granel. La separación adicional del material pesado (densidad >1.85 g / cm3) proporciona información adicional sobre los cambios y tendencias en la estabilización del C del suelo, pero aumenta la complejidad del procedimiento y la interpretación asociada y se asocia con costos adicionales. No obstante, el fraccionamiento del suelo en tres o más grupos de densidad puede dilucidar tendencias complejas y diferencias químicas en los grupos C del suelo. Al igual que con cualquier procedimiento de fraccionamiento del suelo, la separación de estos grupos C del suelo es imperfecta, y la influencia potencial de tales errores y los supuestos del método deben reconocerse al informar los resultados. Finalmente, los profesionales deben ser conscientes de la variedad de métodos de fraccionamiento del suelo que existen y sus fortalezas y debilidades únicas (ver revisiones y comparaciones proporcionadas por von Lützow et al.9 y Poeplau et al.10). Muchos de estos métodos de fraccionamiento del suelo no son mutuamente excluyentes y pueden combinarse adecuadamente para mejorar o validar los análisis de la dinámica C del suelo.

Elegir el número de fracciones de densidad que se utilizarán es el primer paso crítico antes de comenzar el procedimiento de fraccionamiento. Si bien siempre se pueden combinar matemáticamente múltiples grupos para producir una sola fracción ligera y una fracción pesada para comparar los resultados con otros estudios, fraccionar la fracción pesada en más de un grupo agrega tiempo y gastos significativos. Pierson et al.33 cuantificaron el cambio en SOC en tres grupos de densidad después de un estudio de manipulación detrítica a largo plazo. Al combinar los dos grupos más pesados (Figura 2), los efectos de los tratamientos detríticos fueron distintos entre las fracciones ligeras (<1,85 g/cm 3) y pesadas (>1,85 g/cm3), especialmente en relación con los efectos observados por el contenido de SOC a granel. Al realizar el fraccionamiento de densidad adicional a 2,40 g/cm3 (Figura 3), se pudo determinar además que los efectos del tratamiento sobre la MAOM se limitaron predominantemente al material de mayor densidad (>2,4 g/cm3). Finalmente, el contenido de C:N reportado del suelo a granel en relación con las piscinas fraccionadas de densidad (Figura 4) presenta una clara demostración de la efectividad del método de fraccionamiento por densidad para separar el material particulado de origen vegetal de la materia mineral con un contenido relativamente bajo de C:N.

Después de 50 años de manipulaciones detríticas, Lajtha et al.22 utilizaron seis fraccionamientos secuenciales de densidad para examinar de cerca las influencias detríticas en la estabilización y desestabilización del SOC (Figura 5). Al aislar siete grupos SOC, los autores pudieron observar un mayor matiz en la respuesta POM y MAOM después de los tratamientos de adición y eliminación de basura. Las piscinas con densidades <2,20 g/cm3 fueron más sensibles al tratamiento, de acuerdo con la expectativa de larga data de una relación positiva entre la entrada de basura y la acumulación de SOC. Sin embargo, la respuesta de los grupos SOC con densidades >2,20 g/cm3 fue menos pronunciada, y específicamente para el tratamiento de eliminación de basura, se identificó una relación negativa opuesta entre las entradas y el SOC (es decir, las entradas se redujeron, pero el contenido de SOC de la fracción aumentó). Al realizar análisis posteriores de 14C, se determinaron las contribuciones y pérdidas de las entradas de C más recientes para cada grupo, proporcionando una visión mecanicista del control detrítico de las vías de formación y desestabilización para MAOM.

La combinación del análisis isotópico con el fraccionamiento secuencial de la densidad proporciona vías adicionales para investigar las complejidades de la dinámica SOM. Sin embargo, los investigadores deben tener cuidado de considerar la influencia de la mineralogía en los resultados del fraccionamiento de densidad. La estructura mineral única y la reactividad causan diferencias inherentes en las distribuciones de densidad de partículas entre minerales. Como ejemplo, Sollins et al.18 examinaron las características isotópicas y químicas de piscinas de densidad múltiple en cuatro suelos boscosos con materiales parentales y morfologías dispares (Figura 6). La mineralogía contrastante entre los cuatro suelos contribuyó en gran medida a las diferencias observadas en 13 C, 14C y 15N para cada fracción de densidad. Sin la consideración de la mineralogía, tales resultados pueden malinterpretarse con respecto a la formación de SOC y la dinámica de estabilización. Finalmente, volviendo a la practicidad de realizar separaciones de densidad adicionales, Sollins et al.18 obtuvieron poca información adicional del análisis de seis grupos de densidad en lugar de solo tres (Figura 6).

Helbling et al.31 determinaron el efecto de la estacionalidad sobre el contenido de fracción ligera de los suelos forestales, así como el efecto del tratamiento de secado del suelo sobre la pérdida de C en la piscina soluble (Figura 7). Dos resultados significativos surgieron de este trabajo. En primer lugar, mientras que el secado en horno del suelo produjo una pérdida de C orgánico disuelto significativamente mayor en la solución de SPT, la cantidad de C perdido fue insignificante. En segundo lugar, no parecía haber ninguna estacionalidad en el grupo de fracción ligera C, lo que significa que el momento de recolección de muestras de suelo no influyó en los resultados del fraccionamiento. Sin embargo, se puede esperar que los resultados difieran entre suelos y ambientes dadas las diferencias en las existencias de POM y las tasas de descomposición.

Figure 1
Figura 1: Aparato de aspiración de fracción ligera. Esquema del aparato de vacío para la aspiración de la fracción ligera. *El parafilm se puede utilizar para asegurar y sellar la unión entre la punta de la pipeta y el tubo de vacío. **Cortar la punta de la pipeta en ángulo puede ser útil para aumentar el tamaño de la abertura de la punta, así como para aplicar una succión cercana a las paredes laterales del tubo de centrífuga. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Comparación del contenido de carbono para suelos a granel, ligeros y de fracción pesada. El suelo se recolectó de las parcelas de Tratamiento de Insumo y Remoción Detrítica (DIRT) en el Bosque Experimental H.J. Andrews después de 20 años de tratamiento (n = 3). El C asociado a minerales para los tratamientos de eliminación de raíces (NR, NI) aumentó significativamente, en contraste con los efectos observados sobre el contenido de C a granel. Además, los resultados fraccionados muestran que el aumento en C a granel del tratamiento de madera doble (DW) se derivó de un aumento en la fracción ligera C. Las barras de error representan el error estándar. Esta cifra ha sido modificada de Pierson et al.33. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Comparación de los grupos de fracciones intermedias y pesadas. El suelo se recolectó de las parcelas de Tratamiento de Insumo y Remoción Detrítica (DIRT) en el Bosque Experimental H.J. Andrews después de 20 años de tratamiento (n = 3). Los resultados demuestran los hallazgos del aislamiento de una fracción intermedia (1,85-2,40 g/cm3) y una fracción más pesada (>2,40 g/cm3). El contenido de la fracción C intermedia mostró una mayor variabilidad, y ningún efecto del tratamiento fue significativo. Las barras de error representan el error estándar. Esta cifra ha sido modificada de Pierson et al.33. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: Proporciones de carbono a nitrógeno para suelos a granel, ligeros y de fracción pesada. El suelo se recolectó de las parcelas de Tratamiento de Insumo y Remoción Detrítica (DIRT) en el Bosque Experimental H.J. Andrews después de 20 años de tratamiento (n = 3). Dado el alto contenido de C:N del tejido vegetal en relación con los minerales del suelo, la diferencia observada en el contenido de C:N entre las fracciones ligera y pesada demuestra claramente la capacidad del fraccionamiento de la densidad del suelo para separar las partículas orgánicas del suelo a granel. Las barras de error representan el error estándar. Esta cifra ha sido modificada de Pierson et al.33. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5: Fraccionamiento secuencial de la densidad del suelo después de 50 años de manipulaciones detríticas (n = 4). La separación del suelo en siete fracciones de densidad proporcionó información sobre la naturaleza de la carga de C en los minerales del suelo. El tratamiento de doble hojarasca, que aumentó el C del suelo, condujo a la carga C de material mineral en la fracción 2.00-2.40 g / cm3 , como lo demuestra el cambio en las concentraciones de la fracción C en relación con el control. Las pérdidas de suelo C por el tratamiento sin hojarasca fueron mayores en las fracciones del suelo con densidades entre 1,85-2,20 g/cm3. Las barras de error representan el error estándar. Esta cifra ha sido modificada de Lajtha et al.22. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 6
Figura 6: Efectos de la mineralogía en las piscinas de densidad del suelo. Se recolectaron suelos con morfología única de cuatro sitios boscosos. El análisis isotópico demuestra cómo la mineralogía del suelo puede influir en las propiedades biogeoquímicas a través de los grupos de densidad del suelo. Además, en este caso, el análisis de tres grupos de densidad, en lugar de seis o más, capturó en gran medida las tendencias dentro y entre las diferentes firmas isotópicas. Esta cifra ha sido modificada de Sollins et al.18. Los datos y gráficos originales se muestran en la columna con más de seis grupos; Los datos se volvieron a calcular y se mostraron para demostrar los resultados de solo tres grupos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 7
Figura 7: Efectos de la recolección y preparación de muestras en el fraccionamiento de la densidad del suelo. Helbling et al.31 encontraron que el suelo secado al horno a menudo produce mayor carbono orgánico disuelto en relación con el suelo secado al aire, húmedo en el campo y lixiviado. A lo largo de las temporadas de recolección de muestras, la proporción de masa de fracción ligera a pesada no fue significativamente diferente. Esta figura ha sido modificada de Helbling et al.31. Las barras de error representan el error estándar. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

A lo largo del protocolo de fraccionamiento de la densidad del suelo, hay algunos procedimientos específicos que deben ser monitoreados de cerca para ayudar a reducir el error en la separación y el análisis de las fracciones del suelo. Un paso crítico en el procedimiento de fraccionamiento de la densidad del suelo es verificar repetidamente la densidad de la solución SPT. La humedad en la muestra de suelo a menudo diluirá la solución SPT, reduciendo así la densidad del SPT. Por lo tanto, el investigador siempre debe asegurarse de que se haya logrado una separación completa de las soluciones ligeras y pesadas después de la centrifugación. Si las fracciones no se separan adecuadamente, se debe agregar más de la solución SPT o se debe reducir la masa del suelo. Los suelos arenosos se separan rápidamente, mientras que los suelos de textura fina, como los oxisoles en particular, pueden permanecer turbios durante mucho tiempo durante la centrifugación debido a una alta carga suspendida de partículas finas. Cuando las soluciones aparecen turbias después de la centrifugación, se debe aumentar el tiempo o la velocidad de centrifugación. Como alternativa, se puede determinar una estimación de la pérdida de C del sedimento suspendido analizando el contenido de C de la solución aspirada.

La determinación de la calidad del politungstato de sodio (SPT) a comprar depende de los análisis que se realizarán después del fraccionamiento. Kramer et al.34 encontraron que el SPT comercial puede enriquecerse con alto contenido de amonio de 15 N y, por lo tanto, puede alterar significativamente la firma de 15N delas fracciones del suelo. Por lo tanto, se debe usar un SPT de grado de alta pureza (por ejemplo, SPT-0) para garantizar una contaminación mínima de C y N para estudios en los que se medirán las firmas isotópicas de los suelos. Sin embargo, SPT con un grado de pureza que es un paso más bajo (por ejemplo, SPT-1) a menudo tiene un enriquecimiento mínimo de N y C y es menos costoso, lo que proporciona una opción más económica cuando no se miden los isótopos.

Para evitar errores significativos, se debe tener cuidado de eliminar toda la fracción de luz de la solución, que a menudo se adhiere a las paredes laterales de los tubos de centrífuga durante la aspiración y al embudo durante los pasos de filtración posteriores. El exceso de fracción ligera restante en el material de fracción pesada dará como resultado una estimación baja de la fracción ligera C mientras que simultáneamente sobreestima el contenido de C de la fracción pesada. Un examen detallado de los datos finales puede ayudar a identificar tales errores al fraccionar una serie de muestras con propiedades similares al suelo.

La pérdida de carbono orgánico disuelto (DOC) a la solución es típicamente pequeña, generalmente <5% del C total del suelo, y no se puede evitar (Figura 7)31. Sin embargo, las pérdidas de DOC pueden ser mucho mayores cuando se fraccionan suelos con piscinas de C altamente solubles, como las que se encuentran en algunos ambientes desérticos35. En tales casos, también se debe cuantificar la piscina DOC extraíble en agua. Por lo general, los errores derivados de la pérdida de masa del suelo, especialmente de la fracción ligera, son mucho mayores que los errores causados por la pérdida de DOC.

La adsorción de politungstato a la muestra de suelo es una posibilidad química, y actualmente se desconoce hasta qué punto se producen tales intercambios químicos. Además, se espera que la afinidad de unión del politungstato varíe entre suelos con diferentes propiedades químicas. Actualmente, la correlación entre la pérdida de masa del suelo y la pérdida de SOC al final del procedimiento proporciona una forma sencilla y logísticamente viable de garantizar que cualquier ganancia de masa del intercambio de politungstato es insignificante para la cuantificación del SOC en el material fraccionado. Si la masa acumulada de la fracción del suelo es mayor que la masa de la muestra inicial, o si las pérdidas de masa son marcadamente menores que las pérdidas SOC, entonces las muestras pueden absorber el politungstato. Primero se deben realizar pasos de lavado adicionales para intentar resolver dicho problema. Si la absorción de politungstato en el material fraccionado persiste, puede ser necesario un análisis elemental adicional para verificar y corregir un aumento en el contenido de tungsteno del material fraccionado. En particular, tales problemas que involucran la incapacidad de enjuagar el politungstato del material del suelo son poco comunes.

Aunque el fraccionamiento por densidad separa idealmente la materia particulada libre (POM) de la materia orgánica asociada a minerales (MAOM), la presencia de agregados estables al agua complica la interpretación de los resultados del fraccionamiento de densidad. El limo y la arcilla pueden formar fuertes asociaciones y unirse con la materia orgánica, y la biota del suelo, las raíces y las hifas fúngicas pueden formar macroagregados que ayudan a proteger los compuestos orgánicos de la descomposición microbiana. Esta materia orgánica protegida por agregados, a menudo denominada materia orgánica ocluida, no es MAOM, sino que se recuperará en la fracción pesada (es decir, >1.85 g / cm3). Es probable que la inclusión de POM ocluida sea más impactante en los resultados y la interpretación de las fracciones de densidad intermedia. Mientras que las fracciones a una densidad superior a ~ 2.40 g / cm 3 es probable que contengan minerales pobres en materia orgánica desprovistos de material orgánico ocluido y se supone que el material con una densidad inferior a 1.85 g / cm3 es materia orgánica libre de minerales, las fracciones intermedias pueden ser mezclas de minerales pesados ricos en materia orgánica, agregados y minerales ligeros pobres en materia orgánica. Hasta la fecha, no ha surgido un consenso común o un método generalizado para la interpretación de las diferencias en C encontradas en el material de fracción intermedia. Al reportar dicha información, sugerimos reconocer la influencia potencial de la materia orgánica ocluida y la mineralogía en los resultados.

Se han empleado diversas técnicas químicas y físicas para dispersar agregados para facilitar la liberación de POM ocluidos, con energía ultrasónica que representa el método más utilizado. Desafortunadamente, no existe un nivel de energía de sonicación que pueda causar una dispersión completa en todos los agregados, ya que la resistencia del agregado y los mecanismos de unión varían ampliamente tanto en los tipos de suelo como en las clases de tamaño agregado36. Amelung y Zech36 encontraron que los microagregados (20-250 μm) requerían más energía ultrasónica para dispersarse que los macroagregados más grandes, pero también encontraron que la materia orgánica particulada se interrumpía a estas energías más altas. Además, la sonicación secuencial con intensidad creciente continúa produciendo materia orgánica ocluida libre37, lo que nuevamente sugiere que no hay un solo grupo de materia orgánica ocluida y que, a niveles de sonicación más altos, gran parte del material de fracción de luz separada podría ser un artefacto coloidal. Kaiser y Guggenberger30 también demostraron el potencial de la sonicación para alterar la distribución de la densidad de las mezclas de materia orgánica de fracción ligera con diferentes minerales. Si bien la incorporación de técnicas de dispersión ultrasónica durante o después del fraccionamiento de la densidad del suelo brinda oportunidades únicas para dispersar y aislar piscinas SOM, estos estudios justifican la consideración de la eficacia de dispersión y la destrucción de las estructuras POM y minerales.

El método alternativo más frecuente para separar el suelo C en grupos fácilmente medibles es el fraccionamiento de tamaño. El fraccionamiento de tamaño es rápido y de bajo costo en relación con el fraccionamiento de densidad y puede proporcionar información similar sobre la dinámica de SOM dada la correlación entre el contenido de arcilla y MAOM. De hecho, Poeplau et al.10 no encontraron diferencias significativas en las tasas de rotación de SOM para las piscinas C separadas por fraccionamiento de tamaño y densidad en tres suelos diferentes. Sin embargo, la materia orgánica particulada (POM) con un tamaño equivalente o menor que la arcilla es común, lo que significa que los métodos de fraccionamiento de tamaño por sí solos no son capaces de separar con precisión POM de MAOM. La incorporación de POM en fracciones de tamaño fino puede, por lo tanto, conducir a errores en el análisis químico elemental y orgánico en ciertos suelos con una cantidad significativa de material particulado fino15. Si existe la necesidad de cuantificar el contenido de C del material mineral en un tamaño de partícula específico (por ejemplo, arena, limo, arcilla), los dos métodos pueden combinarse realizando un fraccionamiento de densidad única seguido del fraccionamiento de tamaño del material de fracción pesada.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Para este trabajo, el apoyo fue proporcionado por National Science Foundation Grants DEB-1257032 a K.L. y DEB-1440409 al programa de Investigación Ecológica a Largo Plazo de 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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Utilización del fraccionamiento de la densidad del suelo para separar distintas reservas de carbono del suelo
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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).

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