Yöntem makalesi

Partikül Organik Maddeyi Topraktan Çıkarmak için Elektrostatik Yöntem

DOI:

10.3791/61915

⸱

10 Şubat 2021

 , 
1USDA-Agricultural Research Service, Soil and Water Conservation Research Unit

Bu makalede

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yakın zamanda biriktirilen ve tamamlanmamış bitki materyalinin toprak numunelerinden çıkarılması, geçici mevsimsel girdilerin toprak organik karbon ölçümleri üzerindeki etkisini azaltır. Elektrostatik yüklü bir yüzeye çekim, önemli miktarda partikül organik maddeyi hızlı bir şekilde çıkarmak için kullanılabilir.

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Toprak organik karbonunun tahminleri, ayrışmamış bitki materyalinin çıkarılması da dahil olmak üzere toprak işleme yöntemlerine bağlıdır. Köklerin ve bitki materyalinin topraktan yetersiz ayrılması, oldukça değişken karbon ölçümlerine neden olabilir. Bitki malzemesini çıkarma yöntemleri genellikle en büyük, en görünür bitki malzemeleriyle sınırlıdır. Bu yazıda, bir toprak örneğinden bitki materyalini çıkarmak için elektrostatik cazibenin nasıl kullanılabileceğini açıklıyoruz. Kuru toprağa yakın geçirilen elektrostatik yüklü bir yüzey doğal olarak hem ayrışmamış hem de kısmen çürümüş bitki parçacıklarını, az miktarda mineral ve agrega toprağı ile birlikte çeker. Toprak örneği düz bir yüzeye veya toprak elek üzerine ince bir tabaka halinde yayılır. Plastik veya cam petri kabı, polistiren köpük veya naylon veya pamuklu bezle ovalayarak elektrostatik olarak şarj edilir. Yüklü tabak tekrar tekrar toprağın üzerinden geçirilir. Yemek daha sonra fırçalanır ve şarj edilir. Toprağın yeniden yayılması ve prosedürün tekrarlanması sonunda partikül veriminin azalmasına neden olur. İşlem, toprak örneğinin yaklaşık% 1 ila 5'ini ve organik karbondaki oranın yaklaşık 2 ila 3 katını çıkarır. Diğer partikül kaldırma yöntemleri gibi, uç nokta keyfidir ve tüm serbest partiküller çıkarılmaz. İşlem yaklaşık 5 dakika sürer ve yoğunluk yüzdürme yöntemleri gibi kimyasal bir işlem gerektirmez. Elektrostatik çekim, ortalama C konsantrasyonu ve C:N oranından daha yüksek malzemeyi sürekli olarak kaldırır ve malzemenin çoğu mikroskop altında bitki veya faunal malzeme olarak tanımlanabilir.

Giriş

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Toprak organik karbonunun (SOC) doğru tahminleri, tarımsal yönetim veya çevreden kaynaklanan değişikliklerin değerlendirilmesinde önemlidir. Partikül organik madde (POM) bir toprağın ekolojisinde ve fiziğinde önemli işlevlere sahiptir, ancak genellikle kısa ömürlüdür ve mevsim, nem koşulları, havalandırma, numune toplama teknikleri, son toprak yönetimi, bitki örtüsü yaşam döngüsü ve diğerleri dahil olmak üzere çeşitli faktörlere göre değişir1. Bu zamansal olarak kararsız kaynaklar, istikrarlı ve gerçekten inzdihal edilmiş toprak organik karbon2'dekiuzun vadeli eğilimlerin tahminlerini şaşırtabilir.

İyi tanımlanmış, yaygın ve önemli olmasına rağmen, POM topraktan kolayca ayrılmaz veya nicel olarak ölçmek kolay değildir. Partikül organik madde, sıvılarda yüzen (hafif fraksiyon, tipik olarak 1,4-2,2 g cm-3)veya boyuta göre ayrılabilen (örneğin, > 53-250 μm veya > 250 μm) veya iki3, 4,5kombinasyonu olarak ölçülmüştür. Hem boyut bazlı hem de yoğunluk bazlı teknikler POM ölçümünün nicel ve kimyasal sonuçlarını etkileyebilir4. Rutin yöntemler kullanılarak boyut kesirli olan toprağın dikkatli bir görsel incelemesi genellikle ekrandan geçen yaprak veya sapın kökleri ve dilimleri gibi uzun, dar yapıları ortaya koymaktadır. Sadece bu yapıların elle çıkarılması, toplam SOC2,6 ölçümlerini önemli ölçüde azalttığıgösterilmiştir,ancak yöntem özellikle operatörün titizliğine ve görme keskinliğine tabidir. Yoğun bir sıvıda yüzdürme sırasında ışık fraksiyonu7 tüm POM'u yakalamadığı için toprak örneğinden POM ayrımı ve yüzdürme işlemi sırasında aşırı titreme aslında bir numuneden kurtarılan ışık fraksiyonu miktarını azaltabilir8. Yüzdürme birçok adım gerektirir ve toprağı kimyasal özellikleri değiştirebilecek veya ilgi çekici olabilecek bileşenleri çözüp çıkarabilecek kimyasal çözümlere maruz bırakır4.

Yoğun sulu çözeltilerin kullanımını önlemek veya artırmak için POM'un çıkarılması için alternatif yöntemler kullanılmıştır. Kirkby, vd.6, iki yüzdürme prosedürü kullanarak ışık fraksiyonu çıkarma işlemini kuru bir eleme / winnowing yöntemi9ile karşılaştırdı. Winnowing, ışığı ağır fraksiyondan hafifçe uzaklaştırmak için ince bir toprak tabakası boyunca hafif bir hava akımı geçirilerek gerçekleştirildi. Kuru eleme/winnowing, C, N, P ve S içeriği açısından iki yüzdürme yöntemine benzer şekilde gerçekleştirildi; ancak, yazarlar kuru eleme / winnowing "biraz daha temiz" topraklar ürettiğini öne sürmeyin6. POM ayrıca, organik parçacıkların elektrostatik yüklü bir yüzeyden toprağın üzerine geçirilerek izole edildiği elektrostatik cazibe10,11 kullanılarak topraktan ayrılmıştır. Elektrostatik çekim yöntemi, diğer boyut ve yoğunluk fraksiyonasyonu yöntemleriyle karşılaştırılabilir istatistiksel tekrarlanabilirliğe sahip kurutulmuş, elenmiş (> 0.315 mm) topraklardan, rota organik parçacıkları olarak adlandırılan POM'u başarıyla geri kazanmıştır10.

Burada elektrostatik cazibenin görünürden mikroskobik boyuta kadar değişen boyutlarda POM'ları çıkarmak için nasıl kullanılabileceğini gösteriyoruz. Bildirilen diğer yöntemlerin aksine, ince toprağın elektrostatik cazibesi, kalan toprağa gözle görülür şekilde benzeyen mineral ve agrega toprağının küçük bir kısmını da temizler. Bugüne kadarki sonuçlarımız göz önüne alındığında, POM olmayan toprağın küçük bir kısmının kaldırılmasının aşağı akış analizleri üzerinde önemli bir etkisi olmayacağını varsaymak mantıklıdır; bununla birlikte, toplam toprak örneğinin büyük bir kısmı elektrostatik olarak çıkarılıyorsa, bu varsayım belirli bir toprak için doğrulanmalıdır. Burada sağlanan yöntem ve örnekler yarı kurak bir ortamdan silt tınlı loess topraklarında gerçekleştirildi.

Bu yöntem tüm toprak türleri için uygun olmayabilir, ancak manuel olarak veya bir hava akımı ile çıkarılamayacak kadar küçük partikül organik maddeyi çıkarmada hızlı ve verimli olmanın avantajlarına sahiptir. Proses hızı yorgunluğu azaltmada, tutarlılığı sağlamada ve sonuçların daha iyi doğruluğu için daha fazla çoğaltmayı teşvik etmede önemlidir. Ek olarak, çok küçük partikülleri çıkarma yeteneği, küçük partikül boyutlarından ziyade daha büyük olan topraklara karşı önyargıdan kaçınmada önemlidir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Toprak hazırlığı

  1. Toprak örneklerini istediğiniz derinliğe kadar toplayın. Toprağı 40 °C'de veya laboratuvara özgü standart protokollere uyarak iyice kurulayın.
  2. Yaklaşık 10-25 g elenmiş toprak elde etmek için toprağı uygun büyüklükteki toprak eleklerinden elekleyin. Birçok çalışmada 1 veya 2 mm'lik bir elek kullanılır. Toprak miktarı, aşağı akış analizleri için gereken kütleye dayanır ve elektrostatik kaldırma adımının tekrarlanması gereken sayıyı etkileyecektir.
  3. Toprağı, toprağın ince yayılması için yeterince büyük (en az 20 cm çapında) temiz, kuru metal veya cam düz tabanlı bir tavaya yerleştirin. Toprağı mümkün olduğunca ince bir tabaka halinde eşit olarak dağıtmak için tavayı yatay olarak hafifçe sallayın.

2. Elektrostatik bir yüzeyi şarj edin

  1. Bir elinizde 100 mm çapında bir cam veya polistiren Petri kabı üst veya alt tutun ve dış yüzeyi temiz bir naylon bez, pamuklu bez veya polistiren köpükle birkaç kez kuvvetlice ovalayın. Kumaş parçalarının numuneye girmesini önlemek için yüzeyi numuneden uzağa şarj edin.
  2. Temiz olduğundan emin olmak için Petri kabının yüzeyini inceleyin.

3. Partikül organik maddeyi çıkarın

  1. Şarjlı yüzeyi toprağın 0,5 cm ila 2 cm üzerine küsün ve mümkün olduğunca çok partikül malzeme almak için yatay olarak hareket ettirenin. Yüzeye çekicilik görsel ve işitsel olarak not edilebilir.
  2. Petri kabı artık ek parçacıklar çekmediğinde, kabı numuneden uzaklaştırın.

4. Elektrostatik yüzeyi temizleyin

  1. Şarjlı yüzeyi bir toplama kabının üzerinde tutun ve elektrostatik olarak çekilen malzemeyi Petri kabı yüzeyinden toplama kabına aktarmak için ince bir fırça kullanın. Deve saç fırçası iyi çalışır.

5. Partiküllerin verimi azalana kadar tekrarlayın

  1. Toplanan organik madde parçacıklarının sayısı azalana kadar 2 ile 4 arasında olan adımları tekrarlayın. Yüzeyde yeni malzemeyi ortaya çıkarmak ve elektrostatik toplamayı sürdürmek için toprak tavasının yatay sallanmasıyla toprak örneğini yeniden dağıtın.
    NOT: Uç nokta keyfidir ve araştırmacının kararına bağlıdır. Toprağa maruz kaldıktan sonra yüklü yüzeyin incelenmesi, önemli miktarda organik partiküllerin hala topraktan çıkarılıp çıkarılmadığının görsel bir göstergesidir. Nihai ürünler, partikül içeriği azaltılmış toprak ve az miktarda elektrostatik olarak çıkarılmış toprak içeren konsantre POM'dur.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Burada sunulan sonuçlar, Pasifik Kuzeybatı'daki tarım alanlarından silt tınlı toprakların analizine dayanmaktadır (Tablo 1). Topraklar 0-20 cm veya 0-30 cm derinliklerde toplandı, 40 °C'de kurutuldu, 2 mm'lik bir elekten geçirildi ve naylon bir bezle şarj edilen bir polistiren yüzey kullanılarak işlendi.

Bir numuneden elektrostatik olarak çıkarılan toprak miktarı değişti. Toplam toprak kütlesinin yaklaşık% 1 ila...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Elektrostatik çekim yöntemi, Silo tınlı topraklardan POM'un çıkarılmasında etkili oldu. Burada açıklanan yöntem, cam / pamuk kombinasyonu kullanan Kaiser, ve diğerleri10'dan biraz farklıdır. En iyi toprak fraksiyonu hariç hepsini tedavi ettik ve polistiren / naylon için 20 nC / J 12'de cam / pamuğa kıyasla 100nC / J olan triboelektrik fark nedeniyle cam yerine polistiren kullandık. Cam ve polistiren köpük daha yeni deneyimlerde etkili ve kullanışlı kanıtlanmıştır. Depolama ...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.

Teşekkürler

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu çalışma sadece USDA-ARS temel finansmanı ile desteklendi. Yazarlar Mikayla Kelly, Caroline J. Melle, Alex Lasher, Emmi Klarer ve Katherine Son'a teknik yardımları için büyük takdir ediyor.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
fırça, deve kılı
petri kabı, cam veya plastik
polistiren köpük, pamuk veya naylon bez
toprak
toprak elekleri

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Gosling, P., Parsons, N., Bending, G. D. What are the primary factors controlling the light fraction and particulate soil organic matter content of agricultural soils. Biology and Fertility of Soils. 49 (8), 1001-1014 (2013).
  2. Gollany, H. T., et al. Soil organic carbon accretion vs. sequestration using physicochemical fractionation and CQESTR simulation. Soil Science Society of America Journal. 77 (2), 618-629 (2013).
  3. Cambardella, C. A., Gajda, A. M., Doran, J. W., Wienhold, B. J., Kettler, T. A. Assessment methods for soil carbon. Kimble, J. M., Lal, R., Follett, R. F., Stewart, B. A. , CRC Press. 349-359 (2001).
  4. Wander, M. Soil organic matter in sustainable agriculture. , CRC Press. 67-102 (2004).
  5. Curtin, D., Beare, M. H., Qiu, W., Sharp, J. Does particulate organic matter fraction meet the criteria for a model soil organic matter pool. Pedosphere. 29 (2), 195-203 (2019).
  6. Kirkby, C. A., et al. Stable soil organic matter: A comparison of C:N:P:S ratios in Australian and other world soils. Geoderma. 163 (3-4), 197-208 (2011).
  7. Strickland, T. C., Sollins, P. Improved method for separating light- and heavy-fraction organic material from soil. Soil Science Society of America Journal. 51 (5), 1390-1393 (1987).
  8. Golchin, A., Oades, J. M., Skjemstad, J. O., Clarke, P. Study of free and occluded particulate organic matter in soils by solid state 13C Cp/MAS NMR spectroscopy and scanning electron microscopy. Soil Research. 32 (2), 285-309 (1994).
  9. Theodorou, C. Nitrogen transformations in particle size fractions from a second rotation pine forest soil. Communications in Soil Science and Plant Analysis. 21 (5-6), 407-413 (1990).
  10. Kaiser, M., Ellerbrock, R. H., Sommer, M. Separation of coarse organic particles from bulk surface soil samples by electrostatic attraction. Soil Science Society of America Journal. 73 (6), 2118-2130 (2009).
  11. Kuzyakov, Y., Biriukova, O., Turyabahika, F., Stahr, K. Electrostatic method to separate roots from soil. Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 164 (5), 541(2001).
  12. Lee, W. AlphaLab Inc., The Tribo-Electric Series. AlphaLab In, BC. (TriField.com). , Available from: http://www.trifield.com/content/tribo-electric-series (2017).
  13. Schneider, C. A., Rasband, W. S., Eliceiri, K. W. NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis. Nature Methods. 9 (7), 671-675 (2012).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Electrostatic MethodParticulate Organic MatterSoil Carbon AnalysisSoil SievingElectrostatic AttractionPetri Dish ChargingSoil Sample ProcessingCarbon Nitrogen RatioMicroscopic InspectionSilt Loam Soils

İlgili makaleler