JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

تفصل تجزئة كثافة التربة المواد العضوية في التربة إلى برك متميزة مع آليات تثبيت مختلفة ، والكيمياء ، وأوقات الدوران. تسمح محاليل polytungstate الصوديوم ذات الكثافة المحددة بفصل المواد العضوية الجسيمية الحرة والمواد العضوية المرتبطة بالمعادن ، مما ينتج عنه أجزاء من المواد العضوية مناسبة لوصف استجابة التربة للإدارة وتغير المناخ.

Abstract

المادة العضوية في التربة (SOM) عبارة عن خليط معقد من المركبات المختلفة التي تمتد من المكونات النباتية الحرة المتدهورة جزئيا إلى المركبات المعدلة ميكروبيا الموجودة في مجاميع التربة إلى المنتجات الثانوية الميكروبية عالية المعالجة ذات الارتباطات القوية بمعادن التربة التفاعلية. كافح علماء التربة لإيجاد طرق لفصل التربة إلى أجزاء يمكن قياسها بسهولة ومفيدة لنمذجة الكربون في التربة (C). يتم استخدام تجزئة التربة على أساس الكثافة بشكل متزايد ، ومن السهل تنفيذها وتنتج مجمعات C بناء على درجة الارتباط بين SOM والمعادن المختلفة ؛ وبالتالي ، يمكن أن تساعد تجزئة كثافة التربة في توصيف SOM وتحديد آليات تثبيت SOM. ومع ذلك ، فإن بروتوكولات تجزئة كثافة التربة المبلغ عنها تختلف اختلافا كبيرا ، مما يجعل من الصعب مقارنة نتائج الدراسات والنظم الإيكولوجية المختلفة. هنا ، نصف إجراء تجزئة الكثافة القوي الذي يفصل الجسيمات والمواد العضوية المرتبطة بالمعادن ونشرح فوائد وعيوب فصل التربة إلى جزأين أو ثلاثة أو أكثر من أجزاء الكثافة. غالبا ما تختلف هذه الكسور في تركيبها الكيميائي والمعدني ، ووقت الدوران ، ودرجة المعالجة الميكروبية ، وكذلك درجة استقرار المعادن.

Introduction

التربة هي أكبر مخزن للكربون الأرضي (C) ، حيث تحتوي على ما يزيد عن 1500 بيكوغرام من C في أعلى 1 متر وتقريبا ضعف هذه الكمية في المستويات الأعمق على مستوى العالم ، مما يعني أن التربة تحتوي على C أكثر من الكتلة الحيوية النباتية والغلاف الجوي مجتمعة1. تحتفظ المادة العضوية في التربة (SOM) بالمياه ومغذيات التربة وهي ضرورية لإنتاجية النبات ووظيفة النظام البيئي الأرضي. على الرغم من الاعتراف العالمي بأهمية مخزونات SOM الكافية لصحة التربة والإنتاجية الزراعية ، فقد استنفدت مخزونات التربة C بشكل كبير بسبب الإدارة غير المستدامة للغابات والزراعة ، وتغير المناظر الطبيعية ، والاحترار المناخي 2,3. أدى الاهتمام المتزايد باستعادة صحة التربة واستخدام الاحتفاظ بالتربة C كلاعب رئيسي في حلول المناخ الطبيعي إلى بذل جهود لفهم العوامل التي تتحكم في عزل التربة C واستقرارها في بيئات متنوعة 4,5.

المادة العضوية في التربة (SOM) عبارة عن خليط معقد من المركبات المختلفة التي تمتد من المكونات النباتية الحرة المتدهورة جزئيا إلى المركبات المعدلة ميكروبيا الموجودة في مجاميع التربة (المعرفة هنا على أنها مادة تتكون من مزيج من وحدات أو عناصر منفصلة) إلى المنتجات الثانوية الميكروبية عالية المعالجة ذات الارتباطات القوية بمعادن التربة التفاعلية6 . في الحالات التي يكون فيها من غير العملي تحديد المجموعة الكاملة من المركبات الفردية في SOM ، غالبا ما يركز الباحثون على تحديد عدد أقل من المجمعات الوظيفية ل C الموجودة كحقائق فيزيائية والتي تختلف حسب معدلات الدوران والتركيب الكيميائي العام ودرجة الاستقرار مع المكونات المعدنية للتربة1 ، 7. من أجل تفسير المجمعات ونمذجتها بشكل نقدي ، من الضروري أن تكون المجمعات المنفصلة صغيرة العدد ، وأن تكون قابلة للقياس مباشرة بدلا من أن تكون نظرية فقط ، وأن تظهر اختلافات واضحة في التكوين والتفاعل8.

تم استخدام العديد من التقنيات المختلفة ، الكيميائية والفيزيائية على حد سواء ، لعزل برك ذات مغزى من التربة C ، وقد تم تلخيصها جيدا بواسطة von Lützow et al.9 و Poeplau et al.10. تهدف تقنيات الاستخراج الكيميائي إلى عزل برك معينة ، مثل C المرتبطة إما ب Fe و Al11 ضعيفة البلورية أو البلورية. تم استخدام المذيبات العضوية لاستخراج مركبات معينة مثل الدهون12 ، وتم استخدام التحلل المائي أو أكسدة SOM كمقياس لتجمع قابل للذوبان يبلغ C13,14. ومع ذلك ، لا تصنف أي من طرق الاستخراج هذه جميع مجمعات C إلى كسور قابلة للقياس أو قابلة للنمذجة. يصنف التجزئة الفيزيائية للتربة كل التربة C إلى برك بناء على الحجم ويفترض أن تحلل حطام النبات يؤدي إلى تجزئة وجزيئات أصغر بشكل متزايد. على الرغم من أن الحجم وحده لا يمكن أن يفصل حطام النبات الحر عن SOM15 المرتبط بالمعادن ، فإن تحديد هذين التجمعين أمر بالغ الأهمية لفهم استقرار التربة C بسبب الاختلافات المكانية والفيزيائية والبيوجيوكيميائية الشائعة في التكوين والدوران16.

يتم استخدام تجزئة التربة C على أساس الكثافة بشكل متزايد ، ومن السهل القيام بها وتحديد مجموعات مختلفة من C بناء على درجة الارتباط بالمعادن المختلفة17،18،19 ؛ وبالتالي ، يمكن أن تساعد تجزئة كثافة التربة في توضيح آليات تثبيت التربة C المختلفة. الشرط الأساسي لتجزئة التربة هو القدرة على تشتيت الجسيمات العضوية والمعدنية بالكامل. بمجرد تشتيت المواد العضوية المتحللة الخالية نسبيا من المعادن تطفو في محاليل أخف من ~ 1.85 جم / سم 3 ، بينما تقع المعادن عادة في حدود 2-4.5 جم / سم 3 ، على الرغم من أن أكاسيد الحديد قد يكون لها كثافة تصل إلى 5.3 جم / سم3. يميل جزء الجسيمات الخفيفة أو الحرة إلى أن يكون وقت الدوران أقصر (ما لم يكن هناك تلوث كبير بالفحم) وقد ثبت أنه يستجيب بشكل كبير للزراعة والاضطرابات الأخرى. غالبا ما يكون للجزء الثقيل (>1.85 جم / سم3) أو الجزء المرتبط بالمعادن وقت دوران أطول بسبب مقاومة التحلل بوساطة الميكروبات المكتسبة عندما ترتبط الجزيئات العضوية بالأسطح المعدنية التفاعلية. ومع ذلك ، قد يشبع الجزء الثقيل (أي يصل إلى الحد الأعلى لسعة التعقيد المعدني) ، في حين أن الجزء الخفيف يمكن أن يتراكم نظريا إلى أجل غير مسمى تقريبا. وبالتالي ، فإن فهم التوزيع المادي للمادة العضوية في برك المواد العضوية المرتبطة بالمعادن مقابل الجسيمات العضوية يساعد على توضيح النظم الإيكولوجية التي يمكن إدارتها من أجل عزل الكربون بكفاءة وكيف ستستجيب النظم المختلفة لتغير المناخ والأنماط المتغيرة للاضطرابات البشريةالمنشأ 20.

في حين أن استخدام تجزئة الكثافة باستخدام محاليل polytungstate الصوديوم بكثافات مختلفة قد زاد بشكل كبير في العقد الماضي ، فإن التقنيات والبروتوكولات تختلف اختلافا كبيرا ، مما يجعل من الصعب مقارنة النتائج من الدراسات المختلفة والنظم الإيكولوجية المختلفة. على الرغم من أن كثافة 1.85 جم / سم 3 قد ثبت أنها تستعيد أكبر قدر من جزء الضوء الحر مع الحد الأدنى من تضمين المواد العضوية المرتبطة بالمعادن (MAOM) 17 ، فقد استخدمت العديد من الدراسات كثافات تتراوح بين 1.65-2.0 جم / سم3. في حين أن معظم الدراسات قد قسمت التربة إلى بركتين فقط (جزء خفيف وجزء ثقيل ، يشار إليهما فيما بعد ب LF و HF) ، فقد استخدمت دراسات أخرى كثافات متعددة لزيادة صقل الجزء الثقيل إلى برك تختلف حسب المعادن المرتبطة بها ، أو النسبة النسبية للمعادن إلى الطلاء العضوي ، أو درجة التجميع (على سبيل المثال ، سولينز وآخرون 17 ، سولينز وآخرون 18 ، هاتون وآخرون 21 ، لاجثا وآخرون 22 ، ياسمين وآخرون 23 ، واجاي وآخرون 24 ، فولك وآخرون 25). وبالإضافة إلى ذلك، اقترحت إجراءات تجزئة أكثر تعقيدا تجمع بين فصل الحجم والكثافة، مما يؤدي إلى زيادة عدد المجمعات (مثل Yonekura et al.26، وVirto et al.27، وMoni et al.15، وPoeplau et al.10) ولكن أيضا مجال أكبر للخطأ، سواء في المنهجية أو فيما يتعلق بحجم التجمع. علاوة على ذلك ، استخدم المؤلفون أيضا صوتنة بكثافة وأوقات مختلفة في محاولة لتفريق الركام و MAOM من الأسطح المعدنية28،29،30.

هنا ، نصف إجراء تجزئة كثافة قوي يحدد ، أولا ، مجموعتين فريدتين من كربون التربة (LF و HF ، أو POM و MAOM) ، ونقدم كل من التقنيات والحجج لزيادة فصل تجمع HF إلى كسور إضافية تختلف بناء على علم المعادن أو درجة الطلاء العضوي أو التجميع. تبين أن الكسور المحددة هنا تختلف من حيث التركيب الكيميائي ، ووقت الدوران ، ودرجة المعالجة الميكروبية ، ودرجة استقرار المعادن18,19.

يفصل الإجراء التالي التربة السائبة إلى مادة عضوية جسيمية (POM) ومواد عضوية مرتبطة بالمعادن (MAOM) عن طريق خلط كمية معروفة من التربة في محلول بكثافة محددة. يتم قياس فعالية الإجراء من خلال الاسترداد المشترك لكتلة التربة والكربون بالنسبة لكتلة عينة التربة الأولية ومحتوى C. يتم تحقيق محلول كثيف عن طريق إذابة polytungstate الصوديوم (SPT) في الماء منزوع الأيونات. يتم خلط التربة في البداية بمحلول SPT الكثيف وتحريكها لخلط وتفريق مجاميع التربة جيدا. ثم يتم استخدام الطرد المركزي لفصل مواد التربة التي تطفو (جزء خفيف) أو تغرق (جزء ثقيل) في المحلول. يتم تكرار خطوات الخلط والعزل والاسترداد والغسيل عدة مرات لضمان فصل الكسور الخفيفة والثقيلة ، إلى جانب إزالة SPT من المادة. أخيرا ، يتم تجفيف أجزاء التربة ووزنها وتحليلها بحثا عن محتوى C. يمكن استخدام المواد المجزأة للإجراءات والتحليلات اللاحقة.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

1. صنع حلول الأسهم من polytungstate الصوديوم (SPT)

تنبيه: SPT مهيج وضار إذا تم ابتلاعه أو استنشاقه. انها سامة للكائنات المائية. تجنب إطلاقه في البيئة.

  1. لصنع 1 لتر من محلول SPT بكثافة 1.85 جم / سم3 ، قم بإذابة 1051 جم من SPT المتبلور في حوالي 600 مل من الماء المقطر منزوع الأيونات (DDI). حرك المحلول حتى يذوب SPT تماما ، لمدة 15 دقيقة تقريبا ، ثم ارفع حجم المحلول إلى 1 لتر باستخدام DDI.
    ملاحظة: قد يؤدي استرداد الكربون باستخدام كثافة محلول <1.85 جم / سم3 إلى نقص تجنيد الكربون الخفيف المشتق من المادة العضوية الجسيمية17,18 ، وبالتالي تحريف كمية الكربون في العينة. وبالتالي، يقترح كثافة محلول SPT تبلغ 1.85 جم / سم3 8,17 من أجل أن تكون أكثر شمولا للكربون المرتبط بالمواد العضوية الجسيمية لعينة تربة نموذجية (أي معظم الرمل والطمي والطين الطيني مع محتوى C <10٪).
  2. لصنع 1 لتر من محلول SPT بكثافة 2.40 جم / سم3 ، قم بإذابة 1803 جم من SPT الصلب في حوالي 500 مل من ماء DDI. حرك المحلول حتى يذوب SPT تماما ، ثم ارفع حجم المحلول إلى 1 لتر باستخدام DDI.
    ملاحظة: إلى جانب الاستخدام المحتمل لتجزئة التربة، غالبا ما يلزم وجود محلول بكثافة أكبر من 1.85 جم/سم 3 لتعديل محلول اللجنة الفرعية لمنع التعذيب في خطوات لاحقة في البروتوكول (انظر الخطوة3-2). إذا بقي محلول إضافي 2.40 جم / سم 3 ، فيمكن تخفيف المحلول إلى 1.85 جم / سم3 بالماء منزوع الأيونات واستخدامه في تجزئة التربة.
  3. قبل الاستخدام في التجزئة ، قم بتحليل SPT لمحتوى C و N. قم بإجراء هذا التحليل باستخدام محلل عناصر صلب أو سائل (مثال على الطرق: ISO 10694: 1995 ، ISO 20236: 2018).
    1. قم بإجراء تخفيف 1: 100 للمحلول من الخطوة 1.1 لأجهزة تحليل العناصر السائلة لتقليل تدهور أجهزة تنقية الغاز والمحفزات الأولية. يعتمد التسامح مع التلوث C و N في محلول SPT على العينة والاستخدامات اللاحقة لأجزاء التربة. عادة ، يعتبر محلول SPT بمحتوى C و N <1 جزء في المليون و <0.1 جزء في المليون ، على التوالي ، مناسبا للاستخدام ، حيث أن الحلول مثل هذه توفر الحد الأدنى من السعة لتغيير برك التربة C و N الأكبر بكثير.

2. انحلال التربة في SPT

  1. أضف 50 جم من التربة المجففة بالهواء والمنخل إلى 2 مم إلى أنبوب طرد مركزي مخروطي من مادة البولي بروبيلين سعة 250 مل. سجل الكتلة إلى أربعة أرقام معنوية على الأقل. لا تستخدم التربة المجففة بالفرن لأن ذلك قد يزيد من الكربون القابل للذوبان بسبب تحلل الخلايا الناجم عن الحرارة31.
    ملاحظة: يمكن استخدام التربة الرطبة الحقلية31 ، ولكن يلزم إجراء مزيد من التعديل في الخطوات اللاحقة للحفاظ على الكثافة المستهدفة لمحلول SPT. يوصى بغربلة مادة التربة إلى 2 مم لإزالة المواد الكبيرة التي قد تشوه نتائج التجزئة ، مثل الصخور والحطام الخشبي.
    1. اضبط كتلة التربة لضمان استعادة كتلة كافية من كل جزء لتجنب حدوث خطأ كبير في القياس الكمي. السبب الأكثر شيوعا لتعديل الكتلة هو انخفاض محتوى POM (على سبيل المثال ، <2٪ من إجمالي كتلة التربة). بالنسبة لمثل هذه التربة ، قم بتوفير كتلة تربة إضافية لتحديد استرداد POM بدقة. بشكل عام ، من المقبول ضبط كتلة التربة لكل عينة فردية ، لأن تغيير كتلة العينة لن يغير نسبة POM إلى MAOM. ومع ذلك ، غالبا ما يكون من المفيد استخدام كتلة ثابتة للمساعدة في موازنة أجهزة الطرد المركزي.
    2. عالج التربة الغنية بالكربونات لإزالة الكربونات غير العضوية قبل التجزئة32.
  2. أضف 50 مل من 1.85 جم / سم3 كثافة SPT إلى أنبوب الطرد المركزي ، واستبدل الغطاء بإحكام. كما هو الحال مع كميات التربة ، اضبط حجم SPT حسب الحاجة. في التربة السطحية الغنية ب POM (مثل العديد من تربة الغابات المعتدلة) ، استخدم نسبة أكبر من التربة إلى SPT (على سبيل المثال ، 30 جم من التربة إلى 60 مل من SPT) لتحقيق الفصل الكافي للمواد الكسرية الخفيفة والثقيلة.
  3. هز الأنبوب بقوة باليد لمدة ~ 60 ثانية لتفتيت الركام غير المستقر للماء. إن الاصطدام القوي لركام التربة بالجدران الجانبية لأنبوب الطرد المركزي أمر مرغوب فيه ، مما يعني أن مجرد دوامة المحلول قد لا يكون كافيا.
  4. قم بتأمين الأنبوب بشاكر منصة. في كثير من الأحيان ، يساعد وضع الأنبوب على جانبه في تشتت التربة عن طريق زيادة قوة الانزلاق للمحلول وتقليل الارتفاع الدائم لطبقة التربة. احرص على إغلاق الأنبوب بإحكام ، ورجه لمدة 2 ساعة عند 40-120 دورة في الدقيقة. قم بإزالة الأنبوب بشكل دوري من شاكر ورجه بقوة باليد لزيادة تحريك المادة المجمعة الأكثر كثافة.

3. إجراء تجزئة التربة الخشنة

  1. قم بإزالة الأنبوب من شاكر. قم بمعادلة كتل أنبوب الطرد المركزي عن طريق إضافة محلول SPT إضافي بعناية للوصول إلى كتلة متسقة عبر مجموعة الأنابيب المراد طردها ، مما يضمن الاهتزاز بقوة باليد لمدة 30 ثانية بعد إضافة محلول SPT. جهاز طرد مركزي لمدة 10 دقائق عند 3000 × جم في جهاز طرد مركزي دلو متأرجح.
  2. قبل شفط العينة ، اختبر كثافة المادة الطافية عن طريق سحب 5 مل من المحلول باستخدام ماصة وفحص الكتلة على الميزان. اضبط كثافة SPT حسب الضرورة لتحقيق الكثافة المطلوبة. اهتز وأجهزة الطرد المركزي مرة أخرى إذا تم إجراء تعديل كثافة المحلول.
  3. قم بتوصيل قارورة سلاح جانبي سعة 1 لتر بمضخة تفريغ. ضع مرشح من الألياف الزجاجية مقاس 110 مم (حجم مسام 0.7 ميكرومتر) في قمع Buchner الخزفي بقطر داخلي 12 سم (ID). أغلق القمع بعناية باستخدام حشية مطاطية مخروطية الشكل على دورق الذراع الجانبي.
    ملاحظة: يجب غسل مرشحات الألياف الزجاجية مسبقا في فرن تجفيف عند 150 درجة مئوية وشطفها باستخدام DDI قبل الاستخدام.
  4. قم بإعداد دورق ذراع جانبي إضافي سعة 1 لتر متصل بالمكنسة الكهربائية. ضع سدادة مطاطية في الجزء العلوي من القارورة بطول ~ 0.5 متر بارز من الأنابيب المرفقة للشفط.
    ملاحظة: قد يكون من المفيد إرفاق طرف بلاستيكي (مثل طرف ماصة سعة 5 مل يمكن التخلص منه ، مع قص النهاية بزاوية) بنهاية أنبوب الشفط لتحسين التحكم في الشفط أثناء الشفط (انظر الشكل 1).
  5. قم بشفط المادة الطافية والمعلقة التي استقرت في الطبقة العليا من المحلول برفق على طول جوانب أنبوب الطرد المركزي ، مع الحرص على عدم لمس طرف أنبوب الشفط بسطح التربة المحبب تحته.
    ملاحظة: إذا تم استنشاق أي مادة بيليه للتربة (جزء ثقيل) عن طريق الخطأ مع المادة المعلقة (الكسر الخفيف) ، فيجب تكرار إجراء التجزئة. إذا لم يلاحظه أحد ، فإن مثل هذا الخطأ سيؤدي إلى كتلة كسر خفيفة أثقل من المتوقع مع محتوى C أقل من المتوقع ، والذي قد يكون واضحا من خلال تحليل بيانات العينات ذات خصائص التربة المماثلة.
    1. لتنظيف أنبوب الشفط بين العينات، قم بغمر طرف الأنبوب بسرعة (على سبيل المثال، غمر لمدة 0.1 ثانية) في ماء DDI، واسحب ~ 5 مل من مياه DDI عبر الخط مع تشغيل مضخة التفريغ. كرر حتى يتم مسح جميع المواد من الأنبوب المفرغ.
    2. قم بإزالة السدادة المطاطية وملحق أنبوب الشفط من دورق الذراع الجانبي ، واسكب المحتويات في الجزء العلوي من قمع Buchner مع تشغيل مضخة التفريغ.
    3. اشطف القارورة بماء DDI ، وقم بالدوران ، واسكب محتويات القارورة في قمع Buchner. كرر حتى تتم إزالة جميع البقايا الملتصقة بجوانب القارورة.
  6. أضف 50 مل من SPT إلى أنبوب الطرد المركزي ، ورج بقوة باليد لمدة 60 ثانية (أو استخدم طاولة شاكر إذا لم تتشتت التربة بسرعة) ، مع التأكد من تفتيت الحبيبات الصلبة في قاع الأنبوب بحيث يتم إعادة امتصاص جميع البقايا. جهاز طرد مركزي لمدة 10 دقائق عند 3000 × جرام.
  7. كرر الخطوة 3.5. صب محتويات القارورة في نفس قمع Buchner كما هو مستخدم في الخطوة 3.5.2.
  8. أضف 50 مل من SPT إلى أنبوب الطرد المركزي ، ورج بقوة باليد ، مع التأكد من تفتيت الحبيبات الصلبة في قاع الأنبوب. جهاز طرد مركزي لمدة 10 دقائق عند 3000 × جرام.
  9. كرر الخطوة 3.5. صب محتويات القارورة في نفس قمع Buchner كما هو مستخدم في الخطوة 3.5.2.

4. فصل (فصول) كثافة إضافية باستخدام SPT عالي الكثافة

ملاحظة: في حالة إجراء أكثر من كسر كثافة إضافي، يجب إجراء عمليات التجزئة اللاحقة من أجل زيادة الكثافة. هنا ، يتم عرض خطوات العزل باستخدام 1.85-2.4 جم / سم 3 و >2.4 جم / سم3 كثافة SPT.

  1. أضف 50 مل من 2.4 جم / سم 3 SPT إلى أنبوب الطرد المركزي الذي يحتوي على مادة التربة >1.85 جم / سم 3 من الخطوة3. رج العبوة بقوة باليد (>60 ثانية) ، مع التأكد من تفتيت الحبيبات الصلبة في قاع الأنبوب. جهاز طرد مركزي لمدة 10 دقائق عند 3000 × جرام.
  2. قبل شفط العينة ، اختبر كثافة المادة الطافية عن طريق سحب 5 مل من المحلول باستخدام ماصة وفحص الكتلة على الميزان. اضبط كثافة SPT حسب الضرورة لتحقيق الكثافة المطلوبة. اهتز وأجهزة الطرد المركزي مرة أخرى إذا تم إجراء تعديل كثافة المحلول.
  3. كرر الخطوة 3 باستخدام محلول 2.4 جم / سم 3 SPT بدلا من محلول 1.85 جم / سم3 SPT المستخدم سابقا. في نهاية الخطوة 3 ، سيكون للمادة المعزولة في قمع Buchner كثافة تتراوح بين 1.85-2.4 جم / سم 3 ، في حين أن المادة المتبقية في أنبوب الطرد المركزي سيكون لها كثافة >2.4 جم / سم3.

5. غسل SPT من عينات الكسور الثقيلة والخفيفة

ملاحظة: يجب تنفيذ خطوات الغسيل التالية لجميع المواد المجزأة. إذا لم يتم شطف محلول SPT بالكامل من المادة ، فستكون أوزان الكسر المقابلة غير دقيقة.

  1. أضف 50 مل من ماء DDI إلى أنبوب الطرد المركزي باستخدام مادة الكسر الثقيل ، ورجها بقوة باليد (60 ثانية) ، مع التأكد من تفتيت الحبيبات الصلبة في قاع الأنبوب. جهاز طرد مركزي لمدة 10 دقائق عند 3000 × جرام.
  2. نضح كما في الخطوة 3.5. في هذه المرحلة ، يجب إزالة جميع مواد الكسر الخفيف. تخلص من النضح الشفاف في دلو النفايات بدلا من إضافته إلى قمع المرشح.
  3. كرر الخطوات 5.1-5.2 مرتين. قبل استنشاق المحلول في الأنبوب أخيرا ، استخدم ماصة نقل لسحب 25 مل من المادة الطافية ، وتحقق من الكثافة بقسمة وزن المحلول على الحجم للتأكد من إزالة SPT بشكل كاف من العينة. إذا كانت الكثافة <1.01 جم / مل ، فانتقل إلى الخطوة التالية. إذا كانت الكثافة 1.01 جم / مل أو أكثر ، فقم بإجراء غسلات مائية إضافية على النحو الوارد أعلاه حتى تصبح الكثافة أقل من 1.01 جم / مل.
  4. لضمان الإزالة الكاملة ل SPT من جزء الضوء ، املأ كل قمع Buchner بماء DDI ، وقم بتصفية المحتويات من خلال مرشحات الألياف الزجاجية. بمجرد ترشيح الماء بالكامل ، كرر هذا مرتين أخريين. إذا كانت التربة غنية بالمواد العضوية ، فقد يستغرق الترشيح ما يصل إلى 48 ساعة.

6. جمع المواد الجزئية الثقيلة

  1. اكشط التربة بعناية من أنبوب الطرد المركزي في دورق أو جرة زجاجية نظيفة تحمل علامة. صب كمية كافية من ماء DDI في الأنبوب لتخفيف التربة المتبقية ؛ استبدل الغطاء واهتز ، ثم أضف الملاط إلى الحاوية الزجاجية. شطف جميع التربة المتبقية من أنبوب الطرد المركزي ، ونقل إلى حاوية زجاجية باستخدام الماء منزوع الأيونات.
  2. ضع الوعاء الزجاجي في فرن تجفيف بين 40-60 درجة مئوية. يجف حتى يتم الوصول إلى وزن جاف ثابت ، عادة لمدة 24-72 ساعة.

7. جمع المواد جزء الضوء

  1. قم بإيقاف تشغيل مضخة التفريغ وإزالة القمع من قارورة الذراع الجانبية. أمسك القمع أفقيا فوق دورق أو برطمان زجاجي مكتوب عليه ، اشطف الجسيمات برفق من الفلتر باستخدام زجاجة غسيل مياه DDI.
    ملاحظة: قد يكون من الضروري كشط الفلتر برفق باستخدام ملعقة وشطف جانبي الفلتر لإزالة جميع البقايا.
  2. ضع الوعاء الزجاجي في فرن التجفيف بين 40-60 درجة مئوية. يجف حتى يتم الوصول إلى وزن جاف ثابت ، عادة لمدة 24-72 ساعة.

8. وزن الكتلة الجافة للمادة المجزأة

  1. اكشط برفق جميع المواد المجففة من كل حاوية في وعاء وزن بلاستيكي. سجل الكتلة حتى المنزلة العشرية الرابعة. ضع العينة في قنينة أو كيس تخزين ملصق.
  2. كرر لجميع العينات المجففة.

9. جمع البيانات وتحليلها لإجمالي الكربون العضوي

  1. اتبع إجراءات التحليل وفقا للأداة التي سيتم استخدامها لتحليل محتوى عنصر C (على سبيل المثال ، ISO 10694: 1995).
    ملاحظة: يعد طحن مادة الكسر المجففة إلى مسحوق ناعم ممارسة شائعة لضمان تجانس العينة المجزأة قبل التحليل العنصري.
  2. تأكد من أن الكتلة التراكمية لجميع الكسور تساوي على الأقل ~ 90٪ من كتلة عينة التربة الأصلية. إذا كانت خسائر المواد >10٪ ، يوصى باستخدام تجزئة نسخ متماثلة إضافية.
  3. تحديد الاسترداد التراكمي للكربون العضوي في التربة (SOC) في الكسور. قد لا ترتبط خسائر SOC تماما بفقدان الكتلة بسبب الخسارة غير المتناسبة للمواد الكسرية وفقدان الكربون العضوي المذاب. ومع ذلك ، يجب أن تكون خسائر الكربون العضوي في التربة أيضا <10٪ من الكربون العضوي العضوي الأولي في عينة التربة.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

النتائج

تعتبر تجزئة كثافة التربة مناسبة بشكل مثالي للتحقيق في كيفية اختلاف التربة في محتواها من الجسيمات والمواد العضوية المرتبطة بالمعادن. يوفر فصل الكربون العضوي في التربة إلى هذين التجمعين المتميزين وسيلة لتوضيح التغيرات في محتوى التربة C وديناميكيات التثبيت التي قد تكون غير واضحة عند ملاحظ?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

في جميع أنحاء بروتوكول تجزئة كثافة التربة ، هناك بعض الإجراءات المحددة التي يجب مراقبتها عن كثب للمساعدة في تقليل الخطأ في فصل وتحليل كسور التربة. تتمثل إحدى الخطوات الحاسمة في إجراء تجزئة كثافة التربة في التحقق بشكل متكرر من كثافة محلول SPT. غالبا ما تؤدي الرطوبة في عينة التربة إلى تخفيف م?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

Acknowledgements

لهذا العمل ، تم تقديم الدعم من قبل منح مؤسسة العلوم الوطنية DEB-1257032 إلى KL و DEB-1440409 إلى برنامج HJ Andrews للبحوث البيئية طويلة الأجل.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Aspirator/vacuum tubing 1/4 x 1/2"Kimble10847-216
Conical polypropylene centrifuge tube, 250mLThermo Scientific376814
Conical rubber gasket for filtering flasksDWK Life Sciences292020001
Double flat ended stainless steel spatula/scraperFisher Scientific14-373-25A
Glass fiber filter, grade GF/F, 110 mmWhatmanWHA1825110
Glass mason jar, 16 ozBall Corporation500 ml beaker or glass weigh dish are also suitable 
Polypropylene conical bottle adapter, 250mLBeckman Coulter369385
Porcelain buchner funnel, 90mmFisherBrandFB966F
Reciprocating shaker, 2-speedEberbachE6000.00
Sidearm flask, 1000mLVWR89000-386
Sodium Polytungstate, crystallineSometuSPT-0 or SPT-1, see Discussion for SPT choiceShipping via FedEx from Germany
Swinging bucket centrifuge Beckman Coulter3362020

References

  1. Jackson, R. B., et al. The ecology of soil carbon: Pools, vulnerabilities, and biotic and abiotic controls. Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics. 48, 419-445 (2017).
  2. Crowther, T. W., et al. Quantifying global soil carbon losses in response to warming. Nature. 540 (7631), 104-108 (2016).
  3. Deng, L., Zhu, G., Tang, Z., Shangguan, Z. Global patterns of the effects of land-use changes on soil carbon stocks. Global Ecology and Conservation. 5, 127-138 (2016).
  4. Griscom, B. W., et al. Natural climate solutions. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (44), 11645-11650 (2017).
  5. Fargione, J. E., et al. Natural climate solutions for the United States. Science Advances. 4 (11), (2018).
  6. Kögel-Knabner, I., Rumpel, C. Advances in molecular approaches for understanding soil organic matter composition, origin, and turnover: A historical overview. Advances in Agronomy. 149, 1-48 (2018).
  7. Schmidt, M. W. I., et al. Persistence of soil organic matter as an ecosystem property. Nature. 478 (7367), 49-56 (2011).
  8. Billings, S. A., et al. Soil organic carbon is not just for soil scientists: Measurement recommendations for diverse practitioners. Ecological Applications. 31 (3), 02290(2021).
  9. von Lützow, M., et al. SOM fractionation methods: Relevance to functional pools and to stabilization mechanisms. Soil Biology and Biochemistry. 39 (9), 2183-2207 (2007).
  10. Poeplau, C., et al. Isolating organic carbon fractions with varying turnover rates in temperate agricultural soils - A comprehensive method comparison. Soil Biology and Biochemistry. 125, 10-26 (2018).
  11. Heckman, K., Lawrence, C. R., Harden, J. W. A sequential selective dissolution method to quantify storage and stability of organic carbon associated with Al and Fe hydroxide phases. Geoderma. 312, 24-35 (2018).
  12. Frostegård, Å, Tunlid, A., Bååth, E. Microbial biomass measured as total lipid phosphate in soils of different organic content. Journal of Microbiological Methods. 14 (3), 151-163 (1991).
  13. Plante, A. F., Conant, R. T., Paul, E. A., Paustian, K., Six, J. Acid hydrolysis of easily dispersed and microaggregate-derived silt- and clay-sized fractions to isolate resistant soil organic matter. European Journal of Soil Science. 57 (4), 456-467 (2006).
  14. Eusterhues, K., Rumpel, C., Kögel-Knabner, I. Stabilization of soil organic matter isolated via oxidative degradation. Organic Geochemistry. 36 (11), 1567-1575 (2005).
  15. Moni, C., Derrien, D., Hatton, P. -J., Zeller, B., Kleber, M. Density fractions versus size separates: does physical fractionation isolate functional soil compartments. Biogeosciences. 9 (12), 5181-5197 (2012).
  16. Lavallee, J. M., Soong, J. L., Cotrufo, M. F. Conceptualizing soil organic matter into particulate and mineral-associated forms to address global change in the 21st century. Global Change Biology. 26 (1), 261-273 (2020).
  17. Sollins, P., et al. Organic C and N stabilization in a forest soil: Evidence from sequential density fractionation. Soil Biology and Biochemistry. 38 (11), 3313-3324 (2006).
  18. Sollins, P., et al. Sequential density fractionation across soils of contrasting mineralogy: evidence for both microbial- and mineral-controlled soil organic matter stabilization. Biogeochemistry. 96 (1-3), 209-231 (2009).
  19. Crow, S. E., Swanston, C. W., Lajtha, K., Brooks, J. R., Keirstead, H. Density fractionation of forest soils: methodological questions and interpretation of incubation results and turnover time in an ecosystem context. Biogeochemistry. 85 (1), 69-90 (2007).
  20. Cotrufo, M. F., Ranalli, M. G., Haddix, M. L., Six, J., Lugato, E. Soil carbon storage informed by particulate and mineral-associated organic matter. Nature Geoscience. 12 (12), 989-994 (2019).
  21. Hatton, P. -J., et al. Transfer of litter-derived N to soil mineral-organic associations: Evidence from decadal 15N tracer experiments. Organic Geochemistry. 42 (12), 1489-1501 (2012).
  22. Lajtha, K., et al. Changes to particulate versus mineral-associated soil carbon after 50 years of litter manipulation in forest and prairie experimental ecosystems. Biogeochemistry. 119 (1-3), 341-360 (2014).
  23. Yeasmin, S., Singh, B., Johnston, C. T., Sparks, D. L. Organic carbon characteristics in density fractions of soils with contrasting mineralogies. Geochimica et Cosmochimica Acta. 218, 215-236 (2017).
  24. Wagai, R., Kajiura, M., Asano, M., Hiradate, S. Nature of soil organo-mineral assemblage examined by sequential density fractionation with and without sonication: Is allophanic soil different. Geoderma. 241-242, 295-305 (2015).
  25. Volk, M., Bassin, S., Lehmann, M. F., Johnson, M. G., Andersen, C. P. 13C isotopic signature and C concentration of soil density fractions illustrate reduced C allocation to subalpine grassland soil under high atmospheric N deposition. Soil Biology and Biochemistry. 125, 178-184 (2018).
  26. Yonekura, Y., et al. Soil organic matter dynamics in density and particle-size fractions following destruction of tropical rainforest and the subsequent establishment of Imperata grassland in Indonesian Borneo using stable carbon isotopes. Plant and Soil. 372 (1-2), 683-699 (2013).
  27. Virto, I., Moni, C., Swanston, C., Chenu, C. Turnover of intra- and extra-aggregate organic matter at the silt-size scale. Geoderma. 156 (1-2), 1-10 (2010).
  28. Poeplau, C., et al. Reproducibility of a soil organic carbon fractionation method to derive RothC carbon pools. European Journal of Soil Science. 64 (6), 735-746 (2013).
  29. Cerli, C., Celi, L., Kalbitz, K., Guggenberger, G., Kaiser, K. Separation of light and heavy organic matter fractions in soil - Testing for proper density cut-off and dispersion level. Geoderma. 170, 403-416 (2012).
  30. Kaiser, K., Guggenberger, G. Distribution of hydrous aluminium and iron over density fractions depends on organic matter load and ultrasonic dispersion. Geoderma. 140 (1-2), 140-146 (2007).
  31. Helbling, E., Pierson, D., Lajtha, K. Sources of soil carbon loss during soil density fractionation: Laboratory loss or seasonally variable soluble pools. Geoderma. 382, 114776(2021).
  32. Nelson, D. W., Sommers, L. E. Total carbon, organic carbon, and organic matter. Methods of Soil Analysis: Part 3 Chemical Methods. Sparks, D. L., Page, A. L., Helmke, P. A., Loeppert, R. H. , Soil Science Society of America, Inc., American Society of Agronomy, Inc. 539-579 (2015).
  33. Pierson, D., et al. Mineral stabilization of soil carbon is suppressed by live roots, outweighing influences from litter quality or quantity. Biogeochemistry. 154 (3), 433-449 (2021).
  34. Kramer, M. G., Lajtha, K., Thomas, G., Sollins, P. Contamination effects on soil density fractions from high N or C content sodium polytungstate. Biogeochemistry. 92 (1-2), 177-181 (2009).
  35. Throop, H. L., Lajtha, K., Kramer, M. Density fractionation and 13C reveal changes in soil carbon following woody encroachment in a desert ecosystem. Biogeochemistry. 112 (1-3), 409-422 (2013).
  36. Amelung, W., Zech, W. Minimisation of organic matter disruption during particle-size fractionation of grassland epipedons. Geoderma. 92 (1-2), 73-85 (1999).
  37. Kaiser, M., Asefaw Berhe, A. How does sonication affect the mineral and organic constituents of soil aggregates?-A review. Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 177 (4), 479-495 (2014).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

JoVE 190

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved