Bedömning av labila organiskt kol i jorden med Sekventiell Bränning inkubation procedurer
Summary
Labile organic carbon (LOC) and the potential carbon turnover rate are sensitive indicators of changes in soil nutrient cycling processes. Details are provided for a method based on fumigating and incubating soil in a series of cycles and using the CO2 accumulated during the incubation periods to estimate these parameters.
Abstract
Förvaltningspraxis och miljöförändringar kan förändra markens näringsämnen och kolets kretslopp. Jord labilt organiskt kol, en lätt sönderdelbar C pool, är mycket känsliga för störningar. Det är också den främsta underlaget för jordmikroorganismerna, som är grundläggande för närings cykling. På grund av dessa egenskaper har labila organiskt kol (LOC) identifierats som en indikator parameter för jordhälsa. Kvantifiera omsättningshastighet på LOC också stöd för att förstå förändringar i marken näringscykelprocesser. En sekventiell gasning inkubation metod har utvecklats för att uppskatta mark LOC och potentiella C omsättningshastighet. Metoden kräver fumigating jordprover och kvantifiering CO 2 -C respireras under en 10 dagars inkubationsperiod över en serie av gasning-inkubationstider cykler. Labila organiska C och potentiella C omsättningshastighet sedan extrapoleras från ackumulerade CO2 med en negativ exponentiell modell. Villkoren för genomförandet av denna metod är att beskrivad.
Introduction
På grund av dess viktiga roller i kol (C) och näringsämnen cykling och dess känslighet för markförändringar, är marken LOC en viktig parameter för att mäta som en indikator på markens organiska material kvalitet. Skogar och agroecosystems till stor del beror på mineraliseringen av näringsämnen i markens organiska material som en källa av näringsämnen. Förvaltningen kan ändra poolen storlek och omsättningshastighet på markens organiska C, vilket resulterar i förändringar i näringstillförsel en. Markens organiska C består av två primära fraktioner av motsträviga C, som har omsättningshastigheter av flera tusen år, och LOC, som har omsättningshastigheter från några veckor till några år 2,3,4. Jord labil C består av lättnedbrytbara substrat såsom mikrobiell biomassa C, med låg molekylvikt föreningar (aminosyror, enkla kolhydrater) från växt rhizodeposition, och nedbrytningsprodukter och lakvatten från anläggningen kull 1,4,5. Eftersom jord labilt C är lätt nedbrytbar, är detmycket känsliga för förvaltningspraxis och naturfenomen som stör eller förändrar jord 6. Jord labil C fungerar som primär energikälla för jord mikroorganismer i nedbrytningen av organiskt material 7. Som sådan, LOC effekter närings cykling i högre utsträckning än stabila former av markens organiska C8. Jord mikroorganismer är också ansvariga för de flesta av heterotrofa andning som sker under nedbrytning av motsträviga organiskt material i marken underlättas genom priming effekt LOC 9,10,11. Denna andning spelar en väsentlig roll i den globala C cykler eftersom organiskt C är ungefär dubbelt så hög som i atmosfären C 11.
Som en följd av dess betydelse i landekosystem, har flera metoder utvecklats för att uppskatta mark LOC. Dessa metoder kan avgränsas i tre allmänna klassificeringar: fysiska, kemiska och biokemiska. Densitometriska separationsmetoder är fysiska methODS som består av att separera organiskt C i tunga eller lätta fraktioner eller till grovt och fint partikulärt organiskt C 12,13,14,15. Separationsmetoder är relativt lätta att utföra, men de gör inte ofta producera konsekventa resultat eftersom dessa fraktioner varierar med jordart mineralsammansättning, växtmaterial storlek och täthet, och jord samlade konsekvens 13,15. Separationsmetoder producerar också bara kvantitativ information om LOC 15.
Flera kemiska metoder finns tillgängliga för LOC uppskattning. Vattenextraktion av organiskt kol är förhållandevis lätt att utföra, och de metoder som ofta ger lätt reproducerbara resultat. Men dessa extraktioner inte engagera hela spektrumet av tillgängliga substrat för mikroorganismer 15. Flera oxidation metoder för kemisk fraktionering av organiskt C har utvecklats. Oxidationsmetoder har fördelen att karakterisera kvantiteten och kvaliteten av labilt organiskt C, Även om vissa metoder kräver arbete med farliga kemikalier och det finns variation bland de metoder som reproducerbarhet av resultat 15. Den sura hydrolysen extraktion metod är en annan typ av kemisk fraktioneringsprocedur som kan mäta den kvantitet och kvalitet på LOC, men resultaten av denna metod inte att underlätta tolkningen av sina biologiska egenskaper 13,15.
Biokemiska metoder för tolkning av jord LOC har utvecklats. Labil organisk C kan mätas som CO 2 frigörs av mikroorganismer i respirations analyser. Dessa analyser ger uppskattningar av sann mineralizable organiskt material, men vanligtvis endast de mest labila föreningar är mineraliserad under analyserna 15. Jord mikrobiell biomassa C mätt med gasning-inkubation 16 och gasning-extraktion 17 har använts för att utveckla slutsatser om LOC. Men dessa förfaranden ger uppskattningar av C i mikrobiell biomassa i stället för LOC. Både gasning förfaranden inkluderar subtraktion av värden från icke-desinficeras jord för att bestämma mikrobiell biomassa C, men det har föreslagits att värden erhållas utan subtraktion av icke-desinficeras jord ger ett mått på labila organiska fraktioner av C förutom mikrobiell biomassa 18 .
Förfarande Den sekventiella gasning-inkubation (SFI) 13 för mätning av LOC är en biokemisk metod anpassad från gasning inkubation förfarande 16 för markmikrobiella biomassan C mätning. SFI-metoden har vissa fördelar i förhållande till andra metoder för att uppskatta LOC. En begreppsmässig grund för metoden är att LOC är mikrobiellt nedbrytbar C som styr mikrobiell tillväxt och att LOC är fysiskt åtkomliga och kemiskt nedbrytbar av jord mikroorganismer. Under fältförhållanden är mikrobiell tillväxt normalt begränsas av kol tillgänglighet, näringstillgång, tillgänglig porutrymmet, och / eller predation. Dessa faktorer är nästan Elimiutsetts av gasning, skapa obehindrat förutsättningar för mikrobiell tillväxt. Inga näringsämnen tas bort under inkubationstiden för metoden. Under loppet av flera gasning och inkubation cykler blir mikrobiell tillväxt begränsas av C kvantitet och kvalitet (labilitet) 13. Den ackumulerade CO2 respiration under inkubation cykler används för att extrapolera LOC med en enkel negativ exponentiell modell 11,13,19. Den potentiella C omsättningshastigheten kan också härledas från lutningen av den exponentiella modellen, så SFI-metoden har den fördelen framför de flesta andra LOC metoder för att samtidigt uppskatta koncentrationerna och potentiell omsättningshastighet på LOC 11. För andra metoder, kan information om eventuella omsättningshastigheter LOC endast fastställas om spårämnen såsom 14 C användes 13. SFI metod är således en relativt enkel och billig teknik för att erhålla mätningar av både LOC och dess potentiella omsättningshastigheter.
Protocol
Representative Results
Discussion
The SFI method is an effective protocol for detecting differences in soil LOC and potential C turnover rates over a range of management practices (such as fertilization, tillage, vegetation control, and harvest practices) and soil conditions. Soil LOC content and C turnover rate can be used to understand alterations of nutrient cycles. The SFI method also provides measurement of microbial biomass C from the first fumigation-incubation event. The ability to measure soil LOC, C turnover, and microbial biomass C concurrentl…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors gratefully acknowledge Michelle Gonzales, Kenny Kidd, Brad Osbon, and all other personnel that conducted the laboratory procedures for these data. The authors are thankful for assistance from Andrew Scott in developing software coding to conduct model-fitting procedures. The authors also appreciate the funding from the U.S. Department of Agriculture National Institute of Food and Agriculture, Sustainable Agriculture and Research & Education, Sun Grant South Central region, and the National Council of Air and Stream Improvement that made possible the studies from which representative results provided in this paper were drawn.
Materials
| Soil auger sampling kit | JMC | PN039 | Several other manufacturers of punch augers are available |
| Parafilm | Curwood | PM999 | |
| Aluminum weighing boats | Fisherbrand | 08-732-103 | |
| General purpose drying oven | Fisher Scientific | 15-103-0511 | Many other manufacturers of general purpose laboratory ovens are available |
| 10.5 L vacuum desiccator | Corning | 3121-250 | |
| Glass scintillation vial | Wheaton | 968560 | |
| Glass threaded vials, 41 mL | Fisherbrand | 03-339-21N | |
| Chloroform, stabilized with amylenes | Sigma-Aldrich | 67-66-3 | |
| Boiling chips | Fisher Scientific | S25201 | |
| Glass rod | Fisherbrand | S63449 | |
| Size 10 rubber stopper | Fisherbrand | 14-130P | Rubber stoppers can be purchased as solid and drilled in center to install glass rod or bought with a hole to insert glass rod |
| Wide-mouth PPCO bottle, 0.5 L | ThermoScientific | 3121050016 | |
| Sodium hydroxide, reagent grade | Sigma-Aldrich | S5881 | |
| Barium chloride | Sigma-Aldrich | 202738 | |
| Phenolphthalein indicator | Fisher Scientific | S25466 | |
| Hydrochloric acid solution, 0.1 N | Fisher Scientific | SA54-4 |
References
- Blair, G., et al. Soil carbon fractions based on their degree of oxidation, and the development of a carbon management index for agricultural systems. Aust. J. Agric. Res. 46, 1459-1466 (1995).
- Schimel, D. S., et al. Soil organic matter dynamics in paired rangeland and cropland toposequences in North Dakota. Geoderma. 36, 201-214 (1985).
- Parton, W. J., et al. Analysis of factors controlling soil organic matter levels in great-plains grasslands. Soil Sci. Soc. Am. J. 51, 1173-1179 (1987).
- Wu, H., et al. Labile organic C and N mineralization of soil aggregate size classes in semiarid grasslands as affected by grazing management. Biol. Fertil. Soils. 48, 305-313 (2011).
- Jones, D. L., et al. Plant and mycorrhizal regulation of rhizodeposition. New Phytol. 163, 459-480 (2004).
- Harrison, K. G., et al. The effect of changing land use of soil radiocarbon. Science. 262, 725-726 (1993).
- Jinbo, Z., et al. Land use effects on the distribution of labile organic carbon fractions through soil profiles. Soil Sci Soc. Am. J. 70, 660-667 (2006).
- Whalen, J. K., et al. Carbon and nitrogen mineralization from light- and heavy-fraction additions to soil. Soil Biol Biochem. 32, 1345-1352 (2000).
- Gregorich, E. G., et al. Towards a minimum data set to assess soil organic matter quality in agricultural soils. Can. J. Soil Sci. 74, 367-385 (1994).
- Hamer, U., et al. Priming effects in different soil types induced by fructose, alanine, oxalic acid and catechol additions. Soil Biol. Biochem. 37, 445-454 (2005).
- Feng, W., et al. Shifting sources of soil labile organic carbon after termination of plant carbon inputs in a subtropical moist forest of southwest China. Ecol. Res. 26, 437-444 (2011).
- Tisdall, J. M., Carter, M. R., Stewart, B. A. Formation of soil aggregates and accumulation of soil organic matter. Structure and Organic Matter Storage in Agricultural Soils. , 57-96 (1996).
- Zou, X. M., et al. Estimating soil labile organic carbon and potential turnover rates using a sequential fumigation-incubation procedure. Soil Biol. Biochem. 37, 1923-1928 (2005).
- Cambardella, C. A., Elliott, E. T. Particulate soil organic matter changes across a grassland cultivation sequence. Soil Sci. Soc. Am. J. 56, 777-783 (1992).
- Strosser, E. Methods for determination of labile soil organic matter: an overview. J. Agrobiol. 27, 49-60 (2010).
- Jenkinson, D. A., Powlson, D. S. The effects of biocidal treatment on metabolism in soil V: a method for measuring soil biomass. Soil Biol. Biochem. 8, 209-213 (1976).
- Vance, E. D., et al. An extraction method for measuring soil microbial biomass C. Soil Biol. Biochem. 19, 703-707 (1987).
- De-Polli, H., et al. Chloroform fumigation-extraction labile C pool (microbial biomass C "plus") shows high correlation to microbial biomass C in Argentinian and Brazilian soils. Cienc. Suelo. 25, 15-22 (2007).
- Olson, J. S. Energy storage and the balance of producers and decomposers in ecological systems. Ecology. 44, 322-331 (1963).
- Pennock, D., Carter, M. R., Gregorich, E. G., et al. Chapter 1, Unit 1, Soil sampling designs. Soil Sampling and Methods of Analysis. , (2008).
- Luizao, R. C. C., et al. Seasonal variation of soil microbial biomass: the effects of clearfelling a tropical rainforest and establishment of pasture in the central Amazon. Soil Biol. Biochem. 24, 805-813 (1992).
- Horwath, W. R., Paul, E. A., Weaver, R. W., et al. Microbial biomass. Methods of soil analysis part 2: microbiological and biochemical properties. , 753-773 (1994).
- Jenkinson, D. S., Ladd, J. N., Paul, E. A., Ladd, J. N. Microbial biomass in soil: measurement and turnover. Soil Biochemistry. , 415-471 (1981).
- Blazier, M. A., Gungor, E. B. O., et al. Poultry litter fertilization impacts on soil, plant, and water characteristics in loblolly pine (Pinus taeda L.) plantations and silvopastures in the mid-South USA. Principles, application, and assessment in soil science. , 43-74 (2011).
- Blazier, M. A., et al. Straw harvesting, fertilization, and fertilizer type alter soil biophysical properties in a loblolly pine plantation in the mid-South USA. Biol. Fertil. Soils. 45, 145-153 (2008).
- Blazier, M. A., et al. Loblolly pine age and density affects switchgrass growth and soil carbon in an agroforestry system. For. Sci. 58, 485-496 (2012).
- Blazier, M. A., et al. Nitrogen and carbon of switchgrass, loblolly pine, and cottonwood biofuel production systems in the Southeast United States. For. Sci. 61, 522-534 (2015).
- Zhang, M., et al. Decomposition differences of labile carbon from litter to soil in a tropical rain forest and rubber plantation of Xishuagbanna, southwest China. Eur. J. Soil Biol. 55, 55-61 (2013).
- Nelson, D. W., Sommers, L. E., Sparks, D., et al. Total carbon, organic carbon, and organic matter. Methods of soil analysis. Part 3: chemical methods. , 961-1090 (1996).
- Huang, L., et al. Correlation among soil microorganisms, soil enzyme activities, and removal rates of pollutants in three constructed wetlands purifying micro-polluted river water. Soil Biol. Biochem. 70, 221-228 (2012).
- Kong, L., et al. Enzyme and root activities in surface-flow constructed wetlands. Chemosphere. 76, 601-608 (2009).
- Cui, L., et al. Evaluation of nutrient removal efficiency and microbial enzyme activity in a baffled subsurface-flow constructed wetland system. Bioresour. Technol. 146, 656-662 (2013).
- Jenkinson, D. S., Wilson, J. R. Determination of microbial biomass carbon and nitrogen in soil. Advances in nitrogen cycling in agricultural ecosystems. , 368-386 (1988).
- Sparling, G. P., et al. Interference from plant roots in the estimation of soil microbial ATP, C, N, and P. Soil Biol. Biochem. 17, 275-278 (1985).
- Christie, P., Beatte, J. A. M. Significance of sample size in measurement of soil microbial biomass by the chloroform fumigation-incubation method. Soil Biol. Biochem. 19, 149-152 (1987).
- McLaughlin, K. K., Hobbie, S. E. Comparison of labile soil organic matter fractionation techniques. Soil Sci. Soc. Am. J. 68, 1616-1625 (2004).
- Xia, X., et al. Variation of soil labile organic carbon pools along an elevational gradient in the Wuyi Mountains, China. J. Resour. Ecol. 1, 368-374 (2010).
