Summary
土壌密度分別は、土壌有機物を安定化メカニズム、化学的性質、および回転時間が異なる異なるプールに分離します。特定の密度を有するポリタングステン酸ナトリウム溶液は、遊離粒子状有機物と鉱物関連有機物の分離を可能にし、管理および気候変動に対する土壌応答を記述するのに適した有機物画分をもたらす。
Abstract
土壌有機物(SOM)は、遊離の部分的に分解された植物成分から、土壌凝集体に保持されているより微生物的に変化した化合物、反応性土壌ミネラルと強い関連を持つ高度に処理された微生物副産物まで、さまざまな化合物の複雑な混合物です。土壌科学者は、土壌を簡単に測定でき、土壌炭素(C)モデリングに役立つ画分に土壌を分離する方法を見つけるのに苦労してきました。密度に基づいて土壌を分画することがますます使用されており、SOMと異なる鉱物との関連性の程度に基づいて実行が容易でCプールが得られます。したがって、土壌密度分別は、SOMの特性評価とSOM安定化メカニズムの特定に役立ちます。ただし、報告されている土壌密度分別プロトコルは大きく異なり、さまざまな研究や生態系の結果を比較することは困難です。ここでは、粒子状有機物と鉱物関連有機物を分離する堅牢な密度分別手順について説明し、土壌を2つ、3つ、またはそれ以上の密度画分に分離することの利点と欠点について説明します。そのような画分は、それらの化学的およびミネラル組成、代謝回転時間、ならびに微生物処理の程度、ならびにミネラル安定化の程度においてしばしば異なる。
Introduction
土壌は陸生炭素(C)の最大の貯蔵庫であり、上部1mに1,500Pg以上のCを含み、世界のより深いレベルではそのほぼ2倍の量であるため、土壌には植物バイオマスと大気を合わせたよりも多くのCが含まれていることを意味します1。土壌有機物(SOM)は、水と土壌栄養素を保持し、植物の生産性と陸域生態系の機能に不可欠です。土壌の健康と農業生産性にとって適切なSOMストックの重要性が世界的に認識されているにもかかわらず、持続不可能な森林と農業の管理、景観の変化、気候温暖化により、土壌Cストックが大幅に枯渇しています2,3。土壌の健康を回復し、自然気候ソリューションの主要なプレーヤーとして土壌Cの保持を使用することへの関心の高まりは、多様な環境における土壌Cの隔離と安定化を制御する要因を理解するための努力につながりました4,5。
土壌有機物(SOM)は、遊離の部分的に分解された植物成分から、土壌凝集体に保持されるより微生物的に変化した化合物(ここでは、別々のユニットまたはアイテムの組み合わせによって形成される材料として定義)から、反応性土壌ミネラルと強い関連を持つ高度に処理された微生物副産物までの範囲に及ぶさまざまな化合物の複雑な混合物です6.SOM内の個々の化合物の完全なスイートを特定することが現実的でない場合、研究者はしばしば、物理的現実として存在し、回転率、一般的な化学組成、および土壌のミネラル成分による安定化の程度によって異なるCの少数の機能プールを特定することに焦点を当てます1、7.プールを批判的に解釈しモデル化するためには、分離されたプールの数が少なく、理論的なものではなく直接測定可能であり、組成と反応性に明確な違いを示すことが不可欠です8。
土壌Cの意味のあるプールを分離するために、化学的および物理的の両方の多くの異なる技術が採用されており、これらはvon Lützow et al.9およびPoeplau et al.10によってよく要約されています。化学的抽出技術は、結晶性の低いFeおよびAl11のいずれかに関連するCなどの特定のプールを単離することを目的としています。有機溶媒は、脂質12などの特定の化合物を抽出するために使用されており、SOMの加水分解または酸化のいずれかがC13,14の不安定なプールの尺度として使用されてきた。ただし、これらの抽出方法のいずれも、Cのすべてのプールを測定可能またはモデル化可能な画分に分類しません。土壌の物理的分別は、すべての土壌Cをサイズに基づいてプールに分類し、植物の破片の分解が断片化とますます小さな粒子をもたらすと仮定します。サイズだけでは、鉱物関連のSOM15から遊離植物の残骸を分離することはできませんが、これら2つのプールを定量化することは、形成と代謝回転における共通の空間的、物理的、および生物地球化学的違いによる土壌C安定化を理解するために重要です16。
密度に基づく土壌Cの分画はますます使用されており、実行が容易であり、異なる鉱物との関連度に基づいてCの異なるプールを識別する17,18,19;したがって、土壌密度分画は、異なる土壌C安定化メカニズムの解明に役立ちます。分別される土壌の主な要件は、有機物と鉱物粒子を完全に分散させる能力です。分散すると、ミネラルを比較的含まない分解有機物は~1.85 g / cm 3より軽い溶液に浮遊しますが、ミネラルは通常2〜4.5 g / cm 3の範囲になりますが、酸化鉄の密度は最大5.3 g / cm3です。軽いまたは遊離粒子画分は、ターンオーバー時間が短くなる傾向があり(木炭による重大な汚染がない限り)、栽培やその他の障害に非常に敏感であることが示されています。重い(>1.85 g / cm3)またはミネラル関連画分は、有機分子が反応性鉱物表面と結合するときに得られる微生物媒介分解に対する耐性のために、ターンオーバー時間が長くなることがよくあります。しかしながら、重質画分は飽和する(すなわち、ミネラル錯化能力の上限に達する)可能性があるが、軽質画分は理論的にはほぼ無期限に蓄積することができる。したがって、鉱物関連有機物と粒子状有機物のプール内の有機物の物理的分布を理解することは、効率的な炭素隔離のためにどの生態系を管理できるか、そしてさまざまなシステムが気候変動と人為的撹乱の変化パターンにどのように反応するかを解明するのに役立ちます20。
過去10年間で、さまざまな密度のポリタングステン酸ナトリウム溶液を使用した密度分画の使用が大幅に増加しましたが、技術とプロトコルは大きく異なり、さまざまな研究やさまざまな生態系の結果を比較するのは困難です。1.85 g / cm 3の密度は、ミネラル関連有機物(MAOM)17の包含を最小限に抑えて最大量の自由光画分を回収することが示されていますが、多くの研究では1.65〜2.0 g / cm3の範囲の密度を使用しています。ほとんどの研究では、土壌を2つのプール(軽フラクションとヘビーフラクション、以下LFとHF)に分画していますが、他の研究では、複数の密度を使用して、関連するミネラル、ミネラルと有機コーティングの相対比率、または凝集の程度(たとえば、 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)。さらに、サイズと密度の両方の分離を組み合わせたより複雑な分画手順が提案されており、その結果、プールの数が多くなりますが(例:Yonekura et al.26、Virto et al.27、Moni et al.15、Poeplau et al.10)、方法論とプールサイズの両方においてエラーの余地も大きくなります。さらに、著者らはまた、鉱物表面から凝集体およびMAOMを分散させるために、様々な強度および時間で超音波処理を使用した28,29,30。
ここでは、最初に土壌炭素の2つのユニークなプール(LFとHF、またはPOMとMAOM)を特定する堅牢な密度分別手順について説明し、HFプールをさらに鉱物学、有機コーティングの程度、または凝集に基づいて異なる追加の画分に分離するための技術と議論の両方を提供します。ここで同定された画分は、それらの化学組成、回転時間、微生物処理の程度、およびミネラル安定化の程度において異なることが示されている18,19。
次の手順では、特定の密度の溶液に既知量の土壌を混合することにより、バルク土壌を粒子状有機物(POM)と鉱物関連有機物(MAOM)に分離します。手順の有効性は、初期土壌サンプル質量およびC含有量に対する土壌質量および炭素の複合回収によって測定される。ポリタングステン酸ナトリウム(SPT)を脱イオン水に溶解することにより、高密度溶液が得られます。土壌は最初に高密度SPT溶液と混合され、攪拌されて土壌凝集体を完全に混合および分散させる。次に、遠心分離を使用して、溶液中に浮遊(軽フラクション)または沈む(重いフラクション)のいずれかの土壌材料を分離します。混合、分離、回収、および洗浄のステップが複数回繰り返され、材料からのSPTの除去とともに、軽質画分と重質画分の分離が保証されます。最後に、土壌画分を乾燥させ、秤量し、C含有量について分析します。分画された材料は、後続の手順および分析に使用できます。
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Protocol
1.ポリタングステン酸ナトリウム(SPT)の原液を作る
注意: SPTは刺激物であり、飲み込んだり吸入したりすると有害です。それは水生生物に有毒です。環境への放出を避けてください。
- 密度1.85 g/cm3のSPT溶液1 Lを作るには、結晶化SPT1,051 gを約600 mLの脱イオン蒸留(DDI)水に溶解します。SPTが完全に溶解するまで溶液を約15分間攪拌し、次にDDIで溶液容量を1 Lにします。
注:溶液密度<1.85 g / cm3を使用した炭素回収は、粒子状有機物17,18に由来する軽質分率炭素を募集し、サンプル中の炭素量を誤って表す可能性があります。したがって、典型的な土壌サンプル(すなわち、C含有量<10%)のほとんどの砂、シルト、および粘土ロームの粒子状有機物に関連する炭素をより包括的にするために、1.85 g / cm3のSPT溶液密度が提案されます8,17。 - 密度2.40 g/cm3のSPT溶液1 Lを作るには、固体SPT1,803 gを約500 mLのDDI水に溶解します。SPTが完全に溶解するまで溶液を攪拌し、DDIで溶液容量を1 Lにします。
注:土壌分画の潜在的な用途を超えて、プロトコルの後のステップでSPT溶液を調整するために、密度が1.85 g / cm 3を超える溶液が必要になることがよくあります(ステップ3.2を参照)。余分な2.40 g / cm 3溶液が残っている場合は、溶液を脱イオン水で1.85 g / cm3に希釈し、土壌分別に使用できます。 - 分画に使用する前に、CおよびN含有量についてSPTを分析します。固体または液体の元素分析装置を使用してこの分析を実行します(方法例:ISO 10694:1995、ISO 20236:2018)。
- 液体元素分析装置に対してステップ1.1の溶液を1:100希釈して、元素スクラバーと触媒の劣化を減らします。SPT溶液中のCおよびN汚染に対する耐性は、サンプルおよびその後の土壌画分の使用に依存する。典型的には、CおよびN含有量<それぞれ1ppmおよび<0.1ppmのSPT溶液は、このような溶液がはるかに大きな土壌CおよびNプールを変更するための最小容量を提示するため、使用に適していると考えられる。
2. SPT中の土壌の溶解
- 風乾し、2 mmにふるいにかけた土壌50 gを250 mLの円錐形ポリプロピレン遠心チューブに加えます。質量を少なくとも4つの有効数字に記録します。オーブン乾燥土壌は、熱誘起細胞溶解31により可溶性炭素を増加させる可能性があるため使用しないでください。
注:圃場湿潤土壌31を使用することができるが、SPT溶液の目標密度を維持するために、後のステップでさらなる調整が必要である。岩や木質の破片など、分別結果を歪める可能性のある大きな材料を除去するために、土壌材料を2mmにふるいにかけることをお勧めします。- 定量化の重大な誤差を避けるために、各画分の適切な質量が回収されるように土壌質量を調整します。質量調整の最も一般的な理由は、POM含有量が低いことです(たとえば、総土壌質量の<2%)。このような土壌については、POM回収率を正確に定量化するために、追加の土壌質量を提供します。全体として、サンプル質量を変更してもPOMとMAOMの比率は変更されないため、個々のサンプルごとに土壌質量を調整することは許容されます。ただし、遠心分離機のバランスをとるために、一貫した質量を使用することがしばしば有用です。
- 分別前に炭酸塩が豊富な土壌を処理して無機炭酸塩を除去します32。
- 50 mLの1.85 g / cm3 密度SPTを遠沈管に加え、蓋をしっかりと元に戻します。土壌量と同様に、必要に応じてSPT量を調整します。POMが豊富な表層土壌(例えば、多くの温帯森林土壌)では、土壌とSPTの比率を大きく(例えば、30 gの土壌と60 mLのSPT)使用して、軽質画分と重質画分の材料を適切に分離します。
- チューブを手で~60秒間激しく振って、水に安定しない凝集体を分解します。土壌凝集体と遠沈管の側壁との力強い衝突が望まれ、単に溶液をボルテックスするだけでは不十分である可能性がある。
- チューブをプラットフォームシェーカーに固定します。多くの場合、チューブを横に配置すると、溶液のスロッシング力が増加し、土壌層の立位高さが低下するため、土壌の分散に役立ちます。チューブがしっかりと密閉されているように注意し、40〜120 rpmで2時間振とうします。定期的にシェーカーからチューブを取り外し、手で激しく振って、より密度の高い凝集材料の攪拌を増やします。
3.粗い土壌分別を行う
- シェーカーからチューブを取り外します。SPT溶液を慎重に追加して遠心分離管の質量を均等にし、遠心分離するチューブのセット全体で一貫した質量に到達し、SPT溶液を追加した後、30秒間手で激しく振とうします。スイングバケット遠心分離機で3,000 x g で10分間遠心分離します。
- サンプルを吸引する前に、ピペットで5 mLの溶液を引き出し、天秤で質量を確認して、上清の密度をテストします。必要に応じてSPT密度を調整して、目的の密度を実現します。溶液密度調整が行われた場合は、もう一度振とうして遠心分離します。
- 1Lのサイドアームフラスコを真空ポンプに取り付けます。110 mmのガラス繊維フィルター(0.7 μmの孔径)を12 cmの磁器ブフナー漏斗に入れます。円錐形のゴム製ガスケットを使用して漏斗をサイドアームフラスコに慎重に密封します。
注意: ガラス繊維フィルターは、150°Cの乾燥オーブンで事前に洗浄し、使用前にDDIですすいでください。 - 真空に取り付けられた追加の1Lサイドアームフラスコを1つセットアップします。フラスコの上部にゴム栓を置き、吸引用に~0.5mの突き出た長さのチューブを取り付けます。
注意: 吸引中の吸引の制御を改善するために、プラスチックチップ(端が斜めにクリップオフされた5mLの使い捨てピペットチップなど)を吸引チューブの端に取り付けると便利な場合があります( 図1を参照)。 - 遠心管の側面に沿って溶液の最上層に沈殿した上澄み液と懸濁物質を穏やかに吸引し、吸引管の先端を下のペレット状の土壌表面に触れないように注意します。
注意: 土壌ペレット材料(重い画分)が懸濁(軽い分画)材料と一緒に誤って吸引された場合は、分画手順を繰り返す必要があります。気づかない場合、そのような誤差は、予想よりも重い軽分率の質量をもたらし、C含有量は予想よりも低く、これは同様の土壌特性を持つサンプルのデータ分析によって明らかになる可能性があります。- サンプル間の吸引チューブを洗浄するには、チューブの先端をDDI水にすばやく(たとえば、0.1秒間沈めます)、真空ポンプをオンにしてラインに~5 mLのDDI水を吸い込みます。すべての材料が真空管から洗い流されるまで繰り返します。
- サイドアームフラスコからゴム栓と吸引チューブアタッチメントを取り外し、真空ポンプをオンにして内容物をブフナー漏斗の上部に注ぎます。
- フラスコをDDI水ですすぎ、渦巻き、フラスコの内容物をブフナー漏斗に注ぎます。フラスコの側面に付着した残留物がすべて除去されるまで繰り返します。
- 50 mLのSPTを遠沈管に加え、手で60秒間激しく振とうし(土壌が急速に分散しない場合はシェーカーテーブルを使用)、チューブの底にある硬いペレットを分解して、すべての残留物が再懸濁されるようにします。3,000 x gで10分間遠心分離します。
- 手順 3.5 を繰り返します。フラスコの内容物をステップ3.5.2で使用したのと同じブフナー漏斗に注ぎます。
- 遠心分離管に50 mLのSPTを加え、手で激しく振って、チューブの底にある硬いペレットを確実に砕きます。3,000 x gで10分間遠心分離します。
- 手順 3.5 を繰り返します。フラスコの内容物をステップ3.5.2で使用したのと同じブフナー漏斗に注ぎます。
4. 高密度SPTを用いた密度分離の追加
注:複数の追加の密度分画を実行する場合は、後続の分画を密度の高い順に実行する必要があります。ここでは、1.85-2.4 g / cm 3および>2.4 g / cm3密度SPTを使用して単離する手順を示します。
- ステップ3の>1.85 g / cm 3土壌材料を含む遠沈管に50 mLの2.4 g / cm3 SPTを追加します。手で激しく振って(>60秒)、チューブの底にある硬いペレットを必ず砕きます。3,000 x gで10分間遠心分離します。
- サンプルを吸引する前に、ピペットで5 mLの溶液を引き出し、天秤で質量を確認して、上清の密度をテストします。必要に応じてSPT密度を調整して、目的の密度を実現します。溶液密度調整が行われた場合は、もう一度振とうして遠心分離します。
- 前に使用した1.85 g / cm 3 SPT溶液の代わりに、2.4 g / cm3 SPT溶液を使用して手順3を繰り返します。ステップ3の終わりに、ブフナー漏斗で分離された材料の密度は1.85〜2.4 g / cm 3になり、遠心分離管に残っている材料の密度は>2.4 g / cm3になります。
5.重質および軽質画分サンプルからのSPTの洗浄
注意: 分別されたすべての材料に対して、次の洗浄手順を実行する必要があります。SPT溶液が材料から完全に洗い流されていない場合、対応する分数の重みは不正確になります。
- 重質画分材料を入れた50 mLのDDI水を遠沈管に加え、手で激しく振って(60秒)、チューブの底にある硬いペレットを砕くようにします。3,000 x gで10分間遠心分離します。
- ステップ3.5のように吸引します。この時点で、すべての軽質分画材料が除去されているはずです。透明な吸引剤は、フィルター漏斗に追加するのではなく、廃棄物バケツに廃棄してください。
- 手順5.1〜5.2を2回繰り返します。最終的にチューブ内の溶液を吸引する前に、トランスファーピペットを使用して25 mLの上清を引き出し、溶液の重量を体積で割って密度を確認し、SPTがサンプルから適切に除去されていることを確認します。密度が<1.01 g/mLの場合は、次の手順に進みます。密度が1.01 g / mL以上の場合は、密度が1.01 g / mL未満になるまで、上記のように追加の水洗浄を実行します。
- 軽質画分からSPTを完全に除去するには、各ブフナー漏斗にDDI水を満たし、ガラス繊維フィルターで内容物をろ過します。水が完全にろ過されたら、これをさらに2回繰り返します。土壌の有機物が多い場合、ろ過には最大48時間かかる場合があります。
6.重質分率材料の収集
- 遠心分離管から汚れを慎重にこすり落とし、清潔でラベルの付いたガラスビーカーまたはジャーに入れます。残りの土壌を緩めるのに十分なDDI水をチューブに注ぎます。キャップを元に戻して振ってから、スラリーをガラス容器に加えます。遠沈管から残っている汚れをすべて洗い流し、脱イオン水を使用してガラス容器に移します。
- ガラス容器を40〜60°Cに設定された乾燥オーブンに入れます。 一定の乾燥重量に達するまで、通常は24〜72時間乾燥させます。
7.軽質分率材料の収集
- 真空ポンプの電源を切り、サイドアームフラスコから漏斗を取り外します。漏斗をラベルの付いたガラスビーカーまたはジャーの上に水平に保持し、DDI水洗浄ボトルを使用してフィルターから粒子をそっと洗い流します。
注意: スパチュラを使用してフィルターをそっとこすり、フィルターの両側をすすぎ、すべての残留物を取り除く必要がある場合があります。 - ガラス容器を40〜60°Cに設定された乾燥オーブンに入れます。 一定の乾燥重量に達するまで、通常は24〜72時間乾燥させます。
8.分別された材料の乾燥質量を計量する
- 各容器から乾燥した材料をすべてプラスチック製の計量ボートにそっとこすり落とします。小数点以下4桁までの質量を記録します。サンプルをラベル付きの保存バイアルまたはバッグに入れます。
- すべての乾燥サンプルについて繰り返します。
9. 全有機炭素のデータ収集と分析
- 元素C含有量の分析に使用する機器(ISO 10694:1995など)に従って分析手順に従ってください。
注:乾燥した画分材料を微粉末に粉砕することは、元素分析の前に分画されたサンプルの均一性を確保するための一般的な方法です。 - すべてのフラクションの累積質量が、元の土壌サンプル質量の少なくとも~90%に等しいことを確認してください。材料の損失が>10%の場合は、追加の反復分画をお勧めします。
- フラクション中の土壌有機炭素(SOC)の累積回収率を定量化します。SOCの損失は、フラクション材料の不均衡な損失および溶存有機炭素の損失による質量損失と完全に相関しない場合があります。それでも、SOCの損失も土壌サンプルの初期SOCの<10%である必要があります。
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Representative Results
土壌密度分画は、土壌の粒子状および鉱物関連有機物含有量の違いを調査するのに理想的です。SOCをこれら2つの異なるプールに分離することで、バルク土壌C含有量の傾向を観察すると不明瞭な土壌C含有量の変化と安定化ダイナミクスを解明する手段が提供されます。重い材料(密度>1.85 g / cm3)をさらに分離すると、土壌Cの安定化の変化と傾向に関する追加の洞察が得られますが、手順と関連する解釈の複雑さが増し、追加コストが伴います。しかし、土壌を3つ以上の密度プールに分別することで、土壌Cプールの複雑な傾向や化学差を解明できる可能性がある。他の土壌分別手順と同様に、これらの土壌Cプールの分離は不完全であり、結果を報告する際には、そのようなエラーの潜在的な影響と方法の仮定を認識する必要があります。最後に、実務家は、存在するさまざまな土壌分別方法と、それらの固有の長所と短所に注意する必要があります(von Lützow et al.9 およびPoeplau et al.10によって提供されたレビューと比較を参照)。これらの土壌分別法の多くは相互に排他的ではなく、土壌Cダイナミクスの分析を改善または検証するために適切に組み合わせることができます。
使用する密度画分の数を選択することは、分画手順を開始する前に重要な最初のステップです。複数のプールを数学的に組み合わせて、単一の軽フラクションと単一の重いフラクションを生成し、結果を他の研究と比較することができますが、重いフラクションを複数のプールに分割すると、かなりの時間と費用がかかります。Piersonら33は、長期の砕屑性操作研究の後、3つの密度プールにわたるSOCの変化を定量化した。2つの重いプール(図2)を組み合わせると、砕屑処理の効果は、特にバルクSOC含有量から観察された効果と比較して、軽(<1.85 g / cm 3)画分と重(>1.85 g / cm3)の間で明確でした。2.40 g / cm 3で追加の密度分画を行うことにより(図3)、MAOMに対する処理効果は主に高密度材料(>2.4 g / cm3)に限定されていることをさらに決定することができました。最後に、密度分別プールに対するバルク土壌の報告されたC:N含有量(図4)は、比較的低いC:N含有量のミネラル物質から植物ベースの粒子状物質を分離するための密度分別法の有効性を明確に示しています。
50年間の砕屑性操作の後、Lajtha et al.22 は、SOCの安定化と不安定化に対する砕屑性の影響を綿密に調べるために、6つの逐次密度分画を使用しました(図5)。7つのSOCプールを分離することにより、著者らは、ごみの追加および除去処理後のPOMおよびMAOM応答のより大きなニュアンスを観察することができた。密度<2.20 g / cm3 のプールは、ごみ投入量とSOC蓄積との間に正の関係があるという長年の期待と一致して、処理に対してより反応しました。しかし、密度>2.20 g / cm3 のSOCプールの応答はそれほど顕著ではなく、特にリター除去処理では、入力とSOCの間に反対の負の関係が確認されました(つまり、入力は減少しましたが、分数のSOC含有量は増加しました)。 その後の14Cの分析を行うことにより、各プールのより最近のC入力の寄与と損失が確認され、MAOMの形成と不安定化経路の破壊的な制御に関する機構的な洞察が得られました。
同位体分析と逐次密度分画を組み合わせることで、SOMダイナミクスの複雑さを調査するための追加の手段が提供されます。それでも、研究者は、密度分画の結果に対する鉱物学の影響を考慮するように注意する必要があります。鉱物構造と反応性が、鉱物間の粒子密度分布に内在する違いを引き起こします。一例として、Sollinsら18 は、異なる親材料と形態を持つ4つの森林土壌における複数の密度プールの同位体および化学的特性を調べました(図6)。4つの土壌間の対照的な鉱物学は、各密度分率の 13C、 14C、 および15Nの観察された違いに大きく貢献しました。鉱物学を考慮しなければ、このような結果はSOCの形成と安定化のダイナミクスに関して誤解される可能性があります。最後に、追加の密度分離を実行する実用性に戻ると、Sollinsらは、3つの密度プールではなく6つの密度プールの分析から、 ほとんど追加情報を得ませんでした(図6)。
Helblingら31 は、森林土壌の軽質分含有量に対する季節性の影響、および可溶性プールへのCの損失に対する土壌乾燥処理の影響を決定しました(図7)。この研究から2つの重要な結果が明らかになりました。第一に、土壌をオーブン乾燥すると、SPT溶液に対する溶存有機C損失が有意に大きかったが、C損失量はわずかであった。第二に、軽質フラクションCプールには季節性がないようであり、土壌サンプルの収集タイミングは分別結果に影響を与えなかった。ただし、POMストックと分解率の違いを考えると、土壌や環境によって結果が異なることが予想される場合があります。
図1:光分吸引装置。 光留分の吸引のための真空装置の概略図。*パラフィルムは、ピペットチップと真空管の間の接合部を固定およびシールするために使用できます。**ピペットチップを斜めに切断すると、チップ開口部のサイズを大きくしたり、遠心管の側壁に密着吸引したりするのに役立ちます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図2:バルク、軽、および重分画土の炭素含有量の比較。 土壌は、20年間の処理(n = 3)後に、HJアンドリュース実験林の砕屑性投入除去処理(DIRT)プロットから収集されました。根除去処理(NR、NI)のミネラル関連Cは有意に増加し、バルクC含有量に対する観察された効果とは対照的でした。また、分画結果は、ダブルウッド(DW)処理によるバルクCの増加が軽質分Cの増加に由来することを示している。エラーバーは標準誤差を表します。この図は、Pierson et al.33から修正されています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図3:中間フラクションプールとヘビーフラクションプールの比較。 土壌は、20年間の処理(n = 3)後に、HJアンドリュース実験林の砕屑性投入除去処理(DIRT)プロットから収集されました。結果は、中間画分(1.85-2.40 g / cm 3)とより重い画分(>2.40 g / cm3)の分離からの発見を示しています。中間画分C含量は変動が大きく、治療効果は有意ではなかった。エラーバーは標準誤差を表します。この図は、Pierson et al.33から修正されています。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図4:バルク、軽、および重画分土壌の炭素対窒素比。 土壌は、20年間の処理(n = 3)後に、HJアンドリュース実験林の砕屑性投入除去処理(DIRT)プロットから収集されました。土壌ミネラルと比較して植物組織のC:N含有量が高いことを考えると、軽質画分と重質画分の間で観察されたC:N含有量の違いは、バルク土壌から粒子状有機物を分離する土壌密度分画の能力を明確に示しています。エラーバーは標準誤差を表します。この図は、Pierson et al.33から修正されています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図5:50年間の砕屑性操作後の土壌の逐次密度分画(n = 4)。 土壌を7つの密度画分に分離することで、土壌鉱物に対するC負荷の性質についての洞察が得られました。土壌Cを増加させた二重ごみ処理は、対照に対する画分C濃度の変化によって示されるように、2.00-2.40 g / cm3 画分中のミネラル物質のC負荷をもたらしました。不着豚処理による土壌Cの損失は、密度が1.85〜2.20 g / cm3の土壌画分で最も大きかった。エラーバーは標準誤差を表します。この図はLajtha et al.22から修正されたものである。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図6:土壌密度プールに対する鉱物学の影響。 4つの森林地帯から特異な形態の土壌を採取した。同位体分析は、土壌鉱物学が土壌密度プール全体の生物地球化学的特性にどのように影響するかを示しています。さらに、この例では、6つ以上ではなく、3つの密度プールの分析により、異なる同位体シグネチャ内および同位体シグネチャ間の傾向が大部分キャプチャされました。この図はSollins et al.18から修正されている。元のデータとグラフは、6 つ以上のプールを持つ列に表示されます。データは再計算され、3つのプールのみの結果を示すために表示されました。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図7:土壌密度分画に対するサンプル収集と調製の影響。 Helblingら31 は、オーブンで乾燥した土壌は、風乾された、畑で湿った、浸出した土壌と比較して、より多くの溶存有機炭素を生成することが多いことを発見しました。サンプル収集の季節を通じて、軽フラクションと重いフラクションの質量の比率は有意差はありませんでした。この図はHelbling et al.31から修正された。エラーバーは標準誤差を表します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
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Discussion
土壌密度分画プロトコル全体を通して、土壌画分の分離と分析のエラーを減らすために綿密に監視しなければならないいくつかの特定の手順があります。土壌密度分画手順の重要なステップは、SPT溶液の密度を繰り返し検証することです。土壌サンプル中の水分はSPT溶液を希釈することが多く、SPTの密度が低下します。したがって、研究者は、遠心分離後に軽溶液と重溶液の完全な分離が達成されていることを常に確認する必要があります。画分が適切に分離しない場合は、SPT溶液をさらに添加するか、土壌の質量を減らす必要があります。砂質土壌はすぐに分離しますが、特にオキシゾルなどのきめの細かい土壌は、微粒子の浮遊負荷が高いため、遠心分離中に長時間濁ったままになる可能性があります。遠心分離後に溶液が濁っているように見える場合は、遠心分離時間または速度を上げる必要があります。別の方法として、懸濁沈殿物からのC損失の推定値は、吸引溶液のC含有量を分析することによって決定され得る。
購入するポリタングステン酸ナトリウム(SPT)の品質の決定は、分画後に実行される分析によって異なります。Kramerら34は、市販のSPTが高15 Nアンモニウムに富む可能性があり、したがって、土壌画分の15Nの特徴を大幅に変化させる可能性があることを発見しました。したがって、土壌の同位体シグネチャを測定する研究では、CおよびN汚染を最小限に抑えるために、高純度グレードのSPT(SPT-0など)を使用する必要があります。ただし、純度グレードが1段低いSPT(SPT-1など)は、NとCの濃縮が最小限で安価であることが多いため、同位体を測定しない場合により経済的な選択肢を提供します。
重大な誤差を避けるために、吸引中に遠心管の側壁に、その後のろ過ステップ中に漏斗に付着することが多い溶液からすべての軽質画分を除去するように注意する必要があります。重質フラクション材料に残っている過剰な軽質フラクションは、軽フラクションCの低い推定値をもたらすと同時に、重フラクションのC含有量を過大評価する。最終データを詳しく調べると、同様の土壌特性を持つ一連のサンプルを分画するときに、そのようなエラーを特定するのに役立ちます。
溶存有機炭素(DOC)の溶液への損失は通常小さく、通常は土壌C全体の<5%であり、避けることはできません(図7)31。ただし、一部の砂漠環境で見られるような高可溶性Cプールを持つ土壌を分画すると、DOCの損失がはるかに大きくなる可能性があります35。このような場合は、水抽出可能なDOCプールも定量化する必要があります。通常、土壌質量の損失、特に軽質画分に起因する誤差は、DOC損失によって引き起こされる誤差よりもはるかに大きくなります。
土壌試料へのポリタングステン酸塩の吸着は化学的可能性であり、そのような化学交換がどの程度起こるかは現在不明である。さらに、ポリタングステン酸塩の結合親和性は、化学的性質の異なる土壌間で異なると予想されます。現在、手順の終了時の土壌質量損失とSOC損失の相関関係は、ポリタングステン酸交換による質量増加が分画された材料のSOCの定量化に無視できるという簡単でロジスティック的に実現可能な形式の保証を提供します。土壌画分の累積質量が初期サンプル質量よりも大きい場合、または質量損失がSOC損失よりも著しく小さい場合、サンプルはポリタングステン酸塩を吸収する可能性があります。このような問題を解決するために、最初に追加の洗浄手順を実行する必要があります。分画された材料中のポリタングステン酸塩の吸収が持続する場合、分別された材料のタングステン含有量の増加を検証して修正するために、追加の元素分析が必要になる場合があります。特に、土壌材料からポリタングステン酸塩を洗い流すことができないことを含むそのような問題はまれです。
密度分別は理想的には遊離粒子状物質(POM)を鉱物関連有機物(MAOM)から分離するが、水に安定な凝集体の存在は密度分別結果の解釈を複雑にする。シルトと粘土は強い会合を形成し、有機物と結合する可能性があり、土壌生物相、根、真菌菌糸は、微生物分解から有機化合物を保護するのに役立つマクロ凝集体を形成する可能性があります。この凝集体保護有機物は、しばしば閉塞有機物と呼ばれ、MAOMではありませんが、重い画分(すなわち、>1.85 g / cm3)で回収されます。閉塞したPOMを含めることは、中間密度画分の結果と解釈に最も影響を与える可能性があります。~2.40 g/cm 3を超える密度の画分には、有機物が含有されていない有機物が少ないミネラルが含まれている可能性が高く、密度が1.85 g / cm3未満の材料はミネラルフリー有機物であると見なされますが、中間画分は、有機物に富む重鉱物、骨材、および有機物に乏しい軽鉱物の混合物である可能性があります。今日まで、中間分数材料に見られるCの違いの解釈のための共通のコンセンサスまたは普及した方法は現れていません。そのような情報を報告するときは、閉塞した有機物と鉱物学が結果に与える潜在的な影響を認めることをお勧めします。
様々な化学的および物理的技術が、最も一般的に使用される方法を表す超音波エネルギーを用いて、閉塞したPOMの放出を容易にするために凝集体を分散させるために採用されている。残念ながら、骨材強度と結合メカニズムは土壌タイプと骨材サイズクラスの両方で大きく異なるため、すべての骨材にわたって完全な分散を引き起こすことができる1つの超音波処理エネルギーレベルはありません36。AmelungとZech36 は、微小凝集体(20-250μm)がより大きなマクロ凝集体よりも分散するためにより多くの超音波エネルギーを必要とすることを発見したが、粒子状有機物がこれらのより高いエネルギーで破壊されることも発見した。さらに、強度の増加に伴う逐次超音波処理は、自由な閉塞有機物37を生成し続け、再び、閉塞された有機物の単一のプールがないこと、およびより高い超音波処理レベルで、分離された光画分材料の多くがコロイドアーチファクトである可能性があることを示唆する。カイザーとグッゲンベルガー30 はまた、異なるミネラルと軽い分画有機物の混合物の密度分布を変える超音波処理の可能性を示した。土壌密度分画中または後に超音波分散技術を組み込むことは、SOMプールを分散および分離するユニークな機会を提供しますが、これらの研究は、分散効果およびPOMおよび鉱物構造の破壊の考慮を保証する。
土壌Cを簡単に測定可能なプールに分離するための最も一般的な代替方法は、サイズ分画です。サイズ分画は密度分画に比べて迅速かつ低コストであり、粘土含有量とMAOMの相関関係を考えると、SOMダイナミクスに関する同様の洞察を提供する可能性があります。実際、Poeplauら10 は、3つの異なる土壌間でサイズと密度分別によって分離されたCプールのSOM回転率に有意差がないことを発見しました。しかし、粘土と同等かそれ以下のサイズの粒子状有機物(POM)が一般的であり、サイズ分別法だけではPOMとMAOMを正確に分離することはできません。したがって、微細サイズの画分にPOMを組み込むと、かなりの量の微粒子材料を含む特定の土壌における元素および有機化学分析に誤差が生じる可能性があります15。特定の粒子サイズ(砂、シルト、粘土など)で鉱物材料のC含有量を定量化する必要がある場合、2つの方法は、単一の密度分別とそれに続く重質分別材料のサイズ分別を実行することによって組み合わせることができます。
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Disclosures
著者は開示するものは何もありません。
Acknowledgments
この作業のために、国立科学財団助成金DEB-1257032からKLに、DEB-1440409からHJアンドリュース長期生態学的研究プログラムに支援が提供されました。
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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