Электростатический метод удаления твердых органических частиц из почвы

Краткое содержание

Удаление недавно осажденного и неполностью разложившегося растительного материала из образцов почвы снижает влияние временных сезонных поступлений на измерения органического углерода в почве. Притяжение к электростатически заряженной поверхности может быть использовано для быстрого удаления значительного количества твердых органических частиц.

Аннотация

Оценки почвенного органического углерода зависят от методов обработки почвы, включая удаление неразложенного растительного материала. Недостаточное отделение корней и растительного материала от почвы может привести к сильно изменчивым измерениям углерода. Методы удаления растительного материала часто ограничиваются самыми крупными, наиболее заметными растительными материалами. В этой рукописи мы описываем, как электростатическое притяжение может быть использовано для удаления растительного материала из образца почвы. Электростатически заряженная поверхность, прошедшая близко к сухой почве, естественным образом притягивает как неразложенные, так и частично разложившуюся частицы растений, а также небольшое количество минеральной и агрегированной почвы. Образец почвы распределяют тонким слоем по ровной поверхности или почвенным ситом. Пластиковая или стеклянная чашка Петри электростатически заряжается трением пенополистирола или нейлоновой или хлопчатобумажной тканью. Заряженное блюдо многократно пропускается по почве. Затем блюдо очищают щеткой и подзаряжают. Повторное распределение почвы и повторение процедуры в конечном итоге приводит к снижению выхода твердых частиц. Процесс удаляет от 1 до 5% образца почвы и примерно в 2-3 раза больше доли органического углерода. Как и другие методы удаления твердых частиц, конечная точка является произвольной, и не все свободные частицы удаляются. Процесс занимает около 5 минут и не требует химического процесса, как это делают методы флотации плотности. Электростатическое притяжение последовательно удаляет материал с концентрацией C выше среднего и соотношением C:N, и большая часть материала может быть визуально идентифицирована как растительный или фаунистический материал под микроскопом.

Введение

Точные оценки почвенного органического углерода (SOC) важны для оценки изменений, вызванных управлением сельским хозяйством или окружающей средой. Твердые частицы органического вещества (POM) имеют важные функции в экологии и физике почвы, но они часто недолговечны и варьируются в зависимости от нескольких факторов, включая сезон, условия влажности, аэрацию, методы сбора проб, недавнее управление почвой, жизненный цикл растительности и другие^1. Эти временно нестабильные источники могут сбить с толку оценки долгосрочных тенденций стабильного и действительно изолированного почвенного органического углерода^2.

Несмотря на то, что POM является четко определенным, общим и важным, его нелегко отделить от почвы и не легко измерить количественно. Органические твердые частицы были измерены как то, что плавает в жидкостях (легкая фракция, обычно 1,4-2,2 г^см-3),или как то, что может быть разделено по размеру (например, > 53-250 мкм или > 250 мкм), или как комбинация двух^3,4,5. Как методы, основанные на размерах, так и на плотности, могут влиять на количественные и химические результаты измерения POM^4. Тщательный визуальный осмотр почвы, которая была фракционирована по размеру с использованием обычных методов, часто выявляет длинные, узкие структуры, такие как корни и щепки листьев или стеблей, которые прошли через экран. Было показано, что простое удаление этих структур вручную существенно сокращает измерения общего SOC^2,6, но метод особенно подвержен усердию и остроте зрения оператора. Отделение POM от образца почвы, так как легкая фракция во время флотации в плотной жидкости⁷ не захватывает все POM, а чрезмерное встряхивание во время процесса флотации может фактически уменьшить количество легкой фракции, извлеченной из образца^8. Флотация требует многих этапов и подвергает почву воздействию химических растворов, которые могут изменять химические характеристики или растворять и удалять компоненты, которые могут представлять интерес^4.

Альтернативные методы удаления POM были использованы, чтобы избежать или увеличить использование плотных водных растворов. Kirkby et al.⁶ сравнили удаление легкой фракции с использованием двух процедур флотации с методом сухого просеивания/взбивания^9. Высыживание выполнялось путем пропускания легкого потока воздуха через тонкий слой почвы, чтобы мягко отогнать свет от тяжелой фракции. Сухое просеивание/взвинчивание выполнялось аналогично двум методам флотации в отношении содержания C, N, P и S; однако авторы предполагают, что сухое просеивание/всевывод производит «немного более чистые» почвы^6. POM также был отделен от почвы с помощью электростатического притяжения^10,11, в котором органические частицы выделяются путем прохождения электростатически заряженной поверхности над почвой. Методом электростатического притяжения успешно извлекали ПОМ, называемые курсовыми органическими частицами, из высушенных, просеянные (> 0,315 мм) грунты со статистической повторяемостью, сопоставимой с другими методами фракционирования размеров и плотности^10.

Здесь мы демонстрируем, как электростатическое притяжение может быть использовано для удаления POM размеров от видимых до микроскопических. В отличие от других методов, электростатическое притяжение мелкой почвы также удаляет небольшую часть минеральной и агрегированной почвы, которая заметно похожа на оставшуюся почву. Учитывая наши результаты на сегодняшний день, разумно предположить, что удаление небольшой части почвы, не включаемой в POM, не окажет существенного влияния на анализы ниже по течению; однако это предположение должно быть проверено для конкретного грунта, если большие части общего образца почвы удаляются электростатическим путем. Методы и примеры, приведенные здесь, были выполнены на иловых суглинистых лёссовых почвах из полузасушливой среды.

Этот метод может не подходить для всех типов почв, но имеет преимущества в том, что он быстро и эффективно удаляет твердые частицы, слишком мелкие для удаления вручную или воздушным током. Скорость процесса важна для снижения усталости, обеспечения согласованности и поощрения большей репликации для большей точности выводов. Кроме того, способность удалять очень мелкие частицы важна для предотвращения смещения в сторону почв с большими, а не малыми размерами частиц.

Протокол

1. Подготовка почвы

1. Соберите образцы почвы на нужную глубину. Тщательно высушите почву при 40 °C или в соответствии со стандартными лабораторными протоколами.
2. Просейте почву через почвенные сита соответствующего размера, чтобы получить примерно 10-25 г просеянную почву. Во многих исследованиях используется сито 1 или 2 мм. Количество почвы основано на массе, необходимой для последующего анализа, и будет влиять на количество раз, когда этап электростатического удаления необходимо будет повторить.
3. Поместите почву в чистую, сухую металлическую или стеклянную сковороду с плоским дном, которая достаточно велика, чтобы почва была тонкой (не менее 20 см в диаметре). Аккуратно встряхните сковороду горизонтально, чтобы равномерно распределить почву как можно более тонким слоем.

2. Заряд электростатической поверхности

1. Держите стеклянную или полистирольную чашку Петри диаметром 100 мм сверху или снизу в одной руке и энергично протрите внешнюю поверхность чистым куском нейлоновой ткани, хлопчатобумажной ткани или пенополистирола несколько раз. Выполните поверхностную зарядку вдали от образца, чтобы предотвратить попадание фрагментов ткани в образец.
2. Осмотрите поверхность чашки Петри, чтобы убедиться, что она чистая.

3. Удаление твердых частиц органического вещества

1. Опунььте заряженную поверхность с точностью до 0,5 см до 2 см над почвой и переместите ее горизонтально, чтобы собрать как можно больше твердых частиц. Притяжение к поверхности можно отметить визуально и звуково.
2. Когда чашка Петри больше не притягивает дополнительные частицы, отодвините чашку от образца.

4. Очистка электростатической поверхности

1. Держите заряженную поверхность над чашкой для сбора и используйте тонкую щетку, чтобы перенести электростатически притянутый материал с поверхности чашки Петри в чашку для сбора. Верблюйечья расческа работает хорошо.

5. Повторять до тех пор, пока выход твердых частиц не уменьшится

1. Повторяйте шаги со 2 по 4 до тех пор, пока количество улавливаемых частиц органического вещества не уменьшится. Перераспределить образец почвы путем горизонтального встряхивания почвенного поддона, чтобы обнажить новый материал на поверхности и продолжить электростатический сбор.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Конечная точка является произвольной и зависит от суждения исследователя. Осмотр заряженной поверхности после воздействия на почву дает визуальное представление о том, удаляется ли из почвы значительное количество органических частиц. Конечными продуктами являются почва с пониженным содержанием твердых частиц и концентрированная ПОМ, содержащая небольшое количество электростатически удаленной почвы.

Результаты

Представленные здесь результаты основаны на анализе иловых суглинистых почв сельскохозяйственных участков на северо-западе Тихого океана(таблица 1). Почвы собирали на глубину 0-20 см или 0-30 см, сушили при 40 °C, пропускали через сито 2 мм и обрабатывали с помощью полистирольной поверхности, заряженной нейлоновой тканью.

Количество грунта, электростатически удаленного из образца, варьировалось. Было удалено от ...

Обсуждение

Метод электростатического притяжения был эффективен при удалении POM из иловых суглинистых почв. Метод, описанный здесь, немного отличается от Kaiser et al.^10, в котором использовалась комбинация стекла / хлопка. Мы обработали все, кроме тончайшей фракции почвы, и использовали полистирол, а не стекло из-за трибоэлектрической разницы, которая для полистирола / нейлона составляет 100 нС / Дж по сравнению со стеклом / хлопком при 20 нС / Дж^12. Стекло и пенополистирол доказали ...

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье

Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
верблюжьей шерсти
стеклянный или пластиковый
пенополистирол, хлопчатобумажная или нейлоновая ткань
сита
почвы