मृदा में अस्थिर कार्बनिक कार्बन का आकलन अनुक्रमिक धूनी ऊष्मायन प्रक्रियाओं का उपयोग
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
प्रबंधन प्रथाओं और पर्यावरण परिवर्तन मिट्टी पोषक तत्व और कार्बन साइकिल बदल सकते हैं। मिट्टी अस्थिर कार्बनिक कार्बन, एक आसानी से विच्छेद सी पूल, अत्यधिक अशांति के प्रति संवेदनशील है। यह भी मिट्टी सूक्ष्मजीवों के लिए प्राथमिक सब्सट्रेट, जो पोषक तत्व सायकलिंग के लिए मौलिक है। इन विशेषताओं के कारण, अस्थिर कार्बनिक कार्बन (एलओसी) मिट्टी के स्वास्थ्य के लिए एक संकेतक के पैरामीटर के रूप में पहचान की गई है। नियंत्रण रेखा के कारोबार दर बढ़ाता भी मिट्टी के पोषक तत्व सायकलिंग प्रक्रियाओं में परिवर्तन को समझने में मदद करता है। एक अनुक्रमिक धूनी ऊष्मायन विधि मिट्टी नियंत्रण रेखा और संभावित सी कारोबार दर अनुमान लगाने के लिए विकसित किया गया है। विधि मिट्टी के नमूने fumigating और धूनी ऊष्मायन चक्र की एक श्रृंखला पर एक दिन में 10 ऊष्मायन अवधि के दौरान सीओ 2 सी respired बढ़ाता की आवश्यकता है। अस्थिर कार्बनिक सी और संभावित सी कारोबार दर तो एक नकारात्मक घातीय मॉडल के साथ जमा हुए सीओ 2 से extrapolated रहे हैं। इस विधि के संचालन के लिए प्रक्रियाओं का वर्णन कर रहे हैंघ।
Introduction
कार्बन (सी) और पोषक तत्व सायकलिंग और मिट्टी परिवर्तन करने के लिए अपनी संवेदनशीलता में अपनी महत्वपूर्ण भूमिकाओं के कारण, मिट्टी एलओसी मिट्टी कार्बनिक पदार्थ की गुणवत्ता का सूचक के रूप में मापने के लिए एक महत्वपूर्ण पैरामीटर है। वन और एक बड़ी हद तक agroecosystems पोषक तत्वों का एक स्रोत के रूप में मिट्टी कार्बनिक पदार्थ में पोषक तत्वों की खनिज पर निर्भर करते हैं। प्रबंधन गतिविधियों पूल के आकार और मिट्टी कार्बनिक सी के कारोबार दर को बदल सकते हैं, पोषक तत्वों की आपूर्ति 1 में परिवर्तन के परिणामस्वरूप। मृदा जैविक सी अड़ियल सी, जो कई हजार वर्षों के कारोबार दर है, और नियंत्रण रेखा, जो कुछ साल 2,3,4 के लिए कुछ ही हफ्तों से कारोबार दर है के दो प्राथमिक अंशों के होते हैं। मिट्टी अस्थिर सी ऐसी माइक्रोबियल बायोमास सी, कम आणविक भार यौगिकों (अमीनो एसिड, सरल कार्बोहाइड्रेट) संयंत्र rhizodeposition से, और अपघटन byproducts और leachates संयंत्र कूड़े 1,4,5 से के रूप में आसानी विच्छेद substrates के होते हैं। क्योंकि मिट्टी अस्थिर सी आसानी से विच्छेद है, यह हैअत्यधिक प्रबंधन के तरीकों और प्राकृतिक घटना है कि परेशान या मिट्टी 6 में परिवर्तन के प्रति संवेदनशील। मिट्टी अस्थिर सी कार्बनिक पदार्थ 7 के अपघटन में मिट्टी सूक्ष्मजीवों के लिए प्राथमिक ऊर्जा स्रोत के रूप में कार्य करता है। इस तरह, नियंत्रण रेखा के प्रभावों एक बड़ा डिग्री से मिट्टी कार्बनिक सी 8 के स्थिर रूपों करता है के लिए पोषक तत्व साइकिल चालन के रूप। मिट्टी सूक्ष्मजीवों भी परपोषी श्वसन का बहुमत है कि अड़ियल मिट्टी कार्बनिक पदार्थ नियंत्रण रेखा 9,10,11 की भड़काना प्रभाव द्वारा सुविधा के अपघटन के दौरान होता है के लिए जिम्मेदार हैं। यह श्वसन वैश्विक सी चक्र में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, क्योंकि मिट्टी कार्बनिक सी लगभग दोगुनी है कि वायुमंडलीय सी 11 का है।
स्थलीय पारिस्थितिक तंत्र में इसके महत्व का एक परिणाम के रूप में, कई तरीकों मिट्टी एलओसी अनुमान लगाने के लिए विकसित किया गया है। भौतिक, रासायनिक, और जैव रासायनिक: इन विधियों तीन सामान्य वर्गीकरण में चित्रित किया जा सकता है। Densitometric जुदाई तरीकों शारीरिक मेथ हैंओडीएस कि भारी या हल्के भागों में या मोटे और ठीक कण जैविक सी 12,13,14,15 में मिट्टी कार्बनिक सी को अलग से मिलकर बनता है। जुदाई तरीकों प्रदर्शन करने के लिए अपेक्षाकृत आसान कर रहे हैं, लेकिन वे अक्सर नहीं करते अनुरूप परिणाम का उत्पादन क्योंकि इन अंशों मिट्टी के प्रकार खनिज संरचना, संयंत्र सामग्री का आकार और घनत्व, और मिट्टी कुल स्थिरता 13,15 साथ बदलती हैं। जुदाई तरीकों भी नियंत्रण रेखा से 15 के बारे में केवल मात्रात्मक जानकारी का उत्पादन।
कई रासायनिक विधियों नियंत्रण रेखा के आकलन के लिए उपलब्ध हैं। जैविक कार्बन के जलीय निष्कर्षण प्रदर्शन करने के लिए अपेक्षाकृत आसान है, और विधियों अक्सर आसानी से प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य परिणाम प्रदान करते हैं। हालांकि, इन एक्सट्रेक्शन सूक्ष्मजीवों 15 के लिए उपलब्ध substrates के पूरे स्पेक्ट्रम शामिल नहीं है। मिट्टी कार्बनिक सी का रासायनिक विभाजन के लिए कई तरीकों ऑक्सीकरण विकसित किया गया है। ऑक्सीकरण तरीकों मात्रा और अस्थिर कार्बनिक सी की गुणवत्ता निस्र्पक का फायदा हैहालांकि कुछ तरीकों खतरनाक रसायनों के साथ काम करने की आवश्यकता है और परिणाम 15 के reproducibility में तरीकों के बीच परिवर्तनशीलता है। एसिड हाइड्रोलिसिस निष्कर्षण विधि रासायनिक विभाजन प्रक्रिया है कि मात्रा और नियंत्रण रेखा की गुणवत्ता के उपाय कर सकते हैं का एक प्रकार है, लेकिन इस विधि के परिणाम अपने जैविक गुणों 13,15 की व्याख्या की सुविधा नहीं है।
मिट्टी नियंत्रण रेखा की व्याख्या के लिए जैव रासायनिक तरीकों विकसित किया गया है। अस्थिर कार्बनिक सी के रूप में सीओ 2 श्वसन assays में सूक्ष्मजीवों द्वारा जारी मापा जा सकता है। ये assays सच mineralizable कार्बनिक पदार्थ का अनुमान प्रदान करते हैं लेकिन आम तौर पर केवल सबसे अस्थिर यौगिकों assays के दौरान 15 mineralized हैं। मिट्टी माइक्रोबियल बायोमास सी धूनी ऊष्मायन 16 और धूनी-निष्कर्षण 17 से मापा नियंत्रण रेखा के बारे में अनुमान विकसित करने के लिए इस्तेमाल किया गया है। हालांकि, इन प्रक्रियाओं माइक्रोबियल बायोमास के बजाय लो में सी का अनुमान प्रदानसी दोनों धूनी प्रक्रियाओं गैर fumigated मिट्टी से मूल्यों माइक्रोबियल बायोमास सी निर्धारित करने के लिए की घटाव में शामिल हैं, लेकिन यह सुझाव दिया गया है कि मूल्यों गैर fumigated मिट्टी के घटाव के बिना प्राप्त माइक्रोबियल बायोमास 18 के अलावा सी के अस्थिर कार्बनिक अंशों का एक उपाय प्रदान ।
नियंत्रण रेखा को मापने के लिए अनुक्रमिक धूनी ऊष्मायन (एसएफआइ) प्रक्रिया 13 एक जैव रासायनिक विधि मिट्टी माइक्रोबियल बायोमास सी माप के लिए धूनी ऊष्मायन प्रक्रिया 16 से अनुकूलित है। एसएफआइ विधि कुछ फायदे नियंत्रण रेखा का आकलन करने के अन्य तरीकों के सापेक्ष है। विधि के लिए एक वैचारिक आधार है कि नियंत्रण रेखा microbially सड़ सकने सी है कि माइक्रोबियल विकास को नियंत्रित करता है और कहा कि नियंत्रण रेखा के शारीरिक रूप से सुलभ और रासायनिक मिट्टी सूक्ष्मजीवों द्वारा सड़ सकने है। क्षेत्र की स्थिति के तहत, माइक्रोबियल विकास आम तौर पर कार्बन की उपलब्धता, पोषक तत्वों की उपलब्धता, उपलब्ध ताकना अंतरिक्ष, और / या शिकार द्वारा सीमित है। इन कारकों में लगभग elimi हैंधूनी द्वारा nated, माइक्रोबियल विकास के लिए बेरोक परिस्थितियों का निर्माण। कोई पोषक तत्वों की विधि ऊष्मायन अवधि के दौरान हटा रहे हैं। कई धूनी और ऊष्मायन चक्र के दौरान, माइक्रोबियल विकास सी मात्रा और गुणवत्ता (lability) 13 द्वारा सीमित हो जाता है। संचित सीओ 2 respired ऊष्मायन चक्र के दौरान एक सरल नकारात्मक घातीय मॉडल 11,13,19 के साथ नियंत्रण रेखा एक्सट्रपलेशन करने के लिए इस्तेमाल किया जाता है। संभावित सी कारोबार दर भी घातीय मॉडल की ढलान से प्राप्त किया जा सकता है, तो एसएफआइ विधि एक साथ सांद्रता और नियंत्रण रेखा से 11 के संभावित कारोबार दर का आकलन करने के अधिकांश अन्य नियंत्रण रेखा के तरीकों पर लाभ दिया है। अन्य तरीकों के लिए, नियंत्रण रेखा के संभावित कारोबार दरों के बारे में जानकारी ही अगर इस तरह के 14 सी के रूप में ट्रेसर 13 उपयोग किया जाता है का पता लगाया जा सकता है। एसएफआइ विधि इस प्रकार दोनों नियंत्रण रेखा और अपनी क्षमता का कारोबार दरों की माप प्राप्त करने के लिए एक अपेक्षाकृत सरल और सस्ती तकनीक है।
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…
Declarações
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 |
Referências
- 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).
