Elektrostatyczna metoda usuwania cząstek organicznych z gleby

Summary

Usunięcie ostatnio zdeponowanego i niekompletnie rozłożonego materiału roślinnego z próbek gleby zmniejsza wpływ tymczasowych sezonowych danych na pomiary węgla organicznego w glebie. Przyciąganie do powierzchni naładowanej elektrostatycznie może być wykorzystane do szybkiego usunięcia znacznej ilości cząstek materii organicznej.

Abstract

Szacunki węgla organicznego w glebie zależą od metod przetwarzania gleby, w tym usuwania nierozłożonego materiału roślinnego. Nieodpowiednie oddzielenie korzeni i materiału roślinnego od gleby może skutkować bardzo zmiennymi pomiarami węgla. Metody usuwania materiału roślinnego są często ograniczone do największych, najbardziej widocznych materiałów roślinnych. W tym manuskrypcie opisujemy, w jaki sposób można wykorzystać przyciąganie elektrostatyczne do usunięcia materiału roślinnego z próbki gleby. Naładowana elektrostatycznie powierzchnia przechodząca w pobliżu suchej gleby w naturalny sposób przyciąga zarówno nierozłożone, jak i częściowo rozłożone cząstki roślinne, a także niewielką ilość gleby mineralnej i zagregowanej. Próbkę gleby rozprowadza się cienką warstwą na płaskiej powierzchni lub sicie glebowym. Plastikowa lub szklana szalka Petriego jest ładowana elektrostatycznie przez pocieranie pianką polistyrenową lub nylonową lub bawełnianą szmatką. Naładowane naczynie jest wielokrotnie przesuwane po glebie. Naczynie jest następnie szczotkowane do czysta i ponownie ładowane. Ponowne rozsiewanie gleby i powtarzanie procedury ostatecznie skutkuje zmniejszeniem wydajności cząstek stałych. Proces ten usuwa około 1 do 5% próbki gleby i około 2 do 3 razy więcej węgla organicznego. Podobnie jak w przypadku innych metod usuwania cząstek stałych, punkt końcowy jest arbitralny i nie wszystkie wolne cząstki są usuwane. Proces trwa około 5 minut i nie wymaga procesu chemicznego, jak w przypadku metod flotacji gęstościowej. Przyciąganie elektrostatyczne konsekwentnie usuwa materiał o wyższym niż przeciętne stężeniu C i stosunku C:N, a większość materiału można wizualnie zidentyfikować pod mikroskopem jako materiał roślinny lub faunistyczny.

Introduction

Dokładne szacunki węgla organicznego w glebie (SOC) są ważne w ocenie zmian wynikających z zarządzania rolnictwem lub środowiska. Cząstki materii organicznej (POM) pełnią ważne funkcje w ekologii i fizyce gleby, ale często są krótkotrwałe i różnią się w zależności od kilku czynników, w tym pory roku, warunków wilgotności, napowietrzania, technik pobierania próbek, niedawnego zarządzania glebą, cyklu życia roślinności i innych¹. Te czasowo niestabilne źródła mogą zaburzyć szacunki długoterminowych trendów w stabilnym i naprawdę sekwestrowanym węglu organicznym w glebie².

Pomimo tego, że jest dobrze zdefiniowany, powszechny i ważny, POM nie jest łatwo oddzielony od gleby, ani nie jest łatwy do ilościowego zmierzenia. Cząstki materii organicznej zostały zmierzone jako te, które unoszą się w cieczach (frakcja lekka, zwykle 1,4-2,2 g ^cm-3) lub jako te, które można oddzielić według wielkości (np. > 53-250 μm lub > 250 μm), lub kombinacja dwóch^3,4,5. Zarówno techniki oparte na rozmiarze, jak i na gęstości mogą wpływać na ilościowe i chemiczne wyniki pomiaru POM⁴. Dokładna kontrola wzrokowa gleby, która została rozdrobniona przy użyciu rutynowych metod, często ujawnia długie, wąskie struktury, takie jak korzenie i strzępy liści lub łodyg, które przeszły przez sito. Wykazano, że proste ręczne usuwanie tych struktur znacznie zmniejsza pomiary całkowitego SOC^2,6, ale metoda ta jest w szczególności uzależniona od staranności i ostrości wzroku operatora. Separacja POM od próbki gleby jako frakcji lekkiej podczas flotacji w gęstej cieczy⁷ nie wychwytuje całego POM, a nadmierne wstrząsy podczas procesu flotacji mogą w rzeczywistości zmniejszyć ilość frakcji lekkiej odzyskanej z próbki⁸. Flotacja wymaga wielu etapów i wystawia glebę na działanie roztworów chemicznych, które mogą zmienić charakterystykę chemiczną lub rozpuścić i usunąć składniki, które mogą być interesujące⁴.

Alternatywne metody usuwania POM zostały użyte w celu uniknięcia lub zwiększenia użycia gęstych roztworów wodnych. Kirkby, et al.⁶ porównali usuwanie lekkich frakcji przy użyciu dwóch procedur flotacji z metodą przesiewania na sucho⁹. Przesiewanie odbywało się poprzez przepuszczanie lekkiego strumienia powietrza przez cienką warstwę gleby, aby delikatnie odciągnąć światło od ciężkiej frakcji. Przesiewanie na sucho przebiegało podobnie do obu metod flotacji w odniesieniu do zawartości C, N, P i S; Autorzy sugerują jednak, że przesiewanie na sucho dawało "nieco czystsze" gleby⁶. POM został również oddzielony od gleby za pomocą przyciągania elektrostatycznego^10,11, w którym cząstki organiczne są izolowane poprzez przepuszczenie naładowanej elektrostatycznie powierzchni nad glebą. Metoda przyciągania elektrostatycznego z powodzeniem pozwoliła odzyskać POM, określane jako warstwy cząstek organicznych, z wysuszonych, przesianych (> 0,315 mm) gleb z powtarzalnością statystyczną porównywalną z innymi metodami frakcjonowania wielkości i gęstości¹⁰.

Tutaj pokazujemy, jak można wykorzystać przyciąganie elektrostatyczne do usuwania POM o rozmiarach od widzialnych do mikroskopijnych. W przeciwieństwie do innych opisanych metod, przyciąganie elektrostatyczne drobnej gleby usuwa również niewielką część gleby mineralnej i zagregowanej, która jest widocznie podobna do pozostałej gleby. Biorąc pod uwagę nasze dotychczasowe wyniki, można rozsądnie założyć, że usunięcie niewielkiej części gleby niebędącej POM nie będzie miało znaczącego wpływu na dalsze analizy; Założenie to należy jednak zweryfikować w odniesieniu do konkretnego gruntu, jeżeli duża część całej próbki gleby jest usuwana elektrostatycznie. Podane tu metody i przykłady przeprowadzono na glebach lessowych mułowo-gliniastych pochodzących ze środowiska półpustynnego.

Ta metoda może nie być odpowiednia dla wszystkich rodzajów gleby, ale ma tę zaletę, że jest szybka i skuteczna w usuwaniu cząstek organicznych, które są zbyt małe, aby można je było usunąć ręcznie lub za pomocą strumienia powietrza. Szybkość procesu jest ważna w zmniejszaniu zmęczenia, zapewnianiu spójności i zachęcaniu do większej replikacji w celu uzyskania większej dokładności wniosków. Ponadto zdolność do usuwania bardzo małych cząstek stałych jest ważna w unikaniu uprzedzeń w kierunku gleb o większych, a nie małych rozmiarach cząstek.

Protocol

1. Przygotowanie gleby

1. Zbierz próbki gleby na żądaną głębokość. Dokładnie wysuszyć glebę w temperaturze 40 °C lub zgodnie ze standardowymi protokołami laboratoryjnymi.
2. Przesiać glebę przez sita o odpowiedniej wielkości, aby uzyskać około 10-25 g przesianej gleby. W wielu badaniach stosuje się sito o średnicy 1 lub 2 mm. Ilość gleby zależy od masy wymaganej do dalszych analiz i będzie miała wpływ na to, ile razy konieczne będzie powtórzenie etapu usuwania elektroelektrostatyków.
3. Umieść ziemię w czystej, suchej metalowej lub szklanej patelni z płaskim dnem, która jest wystarczająco duża, aby można było rozprowadzić ziemię cienko (o średnicy co najmniej 20 cm). Delikatnie potrząśnij patelnią poziomo, aby równomiernie rozprowadzić glebę w jak najcieńszej warstwie.

2. Naładować powierzchnię elektrostatyczną

1. Chwyć jedną ręką szklaną lub polistyrenową szalkę Petriego o średnicy 100 mm i energicznie przetrzyj zewnętrzną powierzchnię czystym kawałkiem nylonowej szmatki, bawełnianej szmatki lub styropianu kilka razy. Wykonaj ładowanie powierzchni z dala od próbki, aby zapobiec wprowadzeniu fragmentów tkaniny do próbki.
2. Sprawdź powierzchnię szalki Petriego, aby upewnić się, że jest czysta.

3. Usuń cząstki materii organicznej

1. Opuść naładowaną powierzchnię na wysokość od 0,5 cm do 2 cm nad glebą i przesuń ją poziomo, aby zebrać jak najwięcej cząstek stałych. Przyciąganie do powierzchni można zauważyć wizualnie i dźwiękowo.
2. Gdy szalka Petriego nie przyciąga już dodatkowych cząstek, należy odsunąć szalkę od próbki.

4. Oczyść powierzchnię elektrostatyczną

1. Przytrzymaj naładowaną powierzchnię nad naczyniem zbiorczym i za pomocą cienkiej szczotki przenieś elektrostatycznie przyciągnięty materiał z powierzchni szalki Petriego do naczynia zbiorczego. Dobrze sprawdza się szczotka do włosów wielbłąda.

5. Powtarzaj, aż wydajność cząstek zmniejszy się

1. Powtarzaj kroki od 2 do 4, aż liczba zbieranych cząstek materii organicznej zmniejszy się. Rozprowadź próbkę gleby poprzez poziome potrząsanie miski glebowej w celu odsłonięcia nowego materiału na powierzchni i kontynuowania zbierania elektrostatycznego.
   UWAGA: Punkt końcowy jest arbitralny i zależy od oceny badacza. Kontrola naładowanej powierzchni po wystawieniu na działanie gleby daje wizualne wskazanie, czy znaczna ilość cząstek organicznych jest nadal usuwana z gleby. Produktami końcowymi są gleby o obniżonej zawartości cząstek stałych oraz skoncentrowany POM zawierający niewielką ilość gleby usuwanej elektrostatycznie.

Results

Przedstawione tutaj wyniki są oparte na analizie gleb mułowo-gliniastych z terenów rolniczych na północno-zachodnim wybrzeżu Pacyfiku (Tabela 1). Gleby zebrano na głębokość 0-20 cm lub 0-30 cm, wysuszono w temperaturze 40 °C, przepuszczono przez sito o średnicy 2 mm i poddano obróbce za pomocą powierzchni polistyrenowej napełnionej nylonową szmatką.

Ilość gleby elektrostatycznie usuniętej z próbki była różna. Us...

Discussion

Metoda przyciągania elektrostatycznego okazała się skuteczna w usuwaniu POM z gleb mułowo-gliniastych. Opisana tutaj metoda różni się nieco od metody Kaisera i ^wsp.10 , w której zastosowano kombinację szkła i bawełny. Potraktowaliśmy wszystko, z wyjątkiem najdrobniejszej frakcji gleby i użyliśmy polistyrenu, a nie szkła ze względu na różnicę tryboelektryczną, która dla polistyrenu/nylonu wynosi 100 nC/J, w porównaniu ze szkłem/bawełną przy 20 nC/J¹². Szkło i pianka polistyr...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
z włosia
, szklana lub plastikowa
pianka polistyrenowa, bawełniana lub nylonowa tkanina
sita
do gleby