Evaluación de la lábil de carbono orgánico en el suelo Uso de procedimientos de incubación secuencial Fumigación

Resumen

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.

Resumen

prácticas de gestión y los cambios ambientales pueden alterar los nutrientes del suelo y el ciclo del carbono. Carbono orgánico del suelo lábil, un grupo C de fácil descomposición, es muy sensible a las perturbaciones. También es el principal sustrato para los microorganismos del suelo, que es fundamental para el ciclo de nutrientes. Debido a estos atributos, el carbono orgánico lábil (LOC) se ha identificado como un parámetro indicador de la salud del suelo. La cuantificación de la tasa de rotación del LOC también ayuda en la comprensión de los cambios en los procesos de reciclaje de nutrientes del suelo. Un método de fumigación de incubación secuencial ha sido desarrollado para estimar LOC suelo y el potencial tasa de rotación C. El método requiere la fumigación de muestras de suelo y la cuantificación de CO ₂ -C respirado durante un período de incubación de 10 días a través de una serie de ciclos de fumigación-incubación. C lábil orgánica y el potencial tasa de rotación C y luego se extrapolan a partir de CO ₂ acumulado con un modelo exponencial negativa. Los procedimientos para la realización de este método son describirre.

Introducción

Debido a sus funciones vitales en carbono (C) y el ciclo de nutrientes y su sensibilidad al cambio del suelo, LOC suelo es un parámetro importante para medir como un indicador de la calidad de la materia orgánica del suelo. Los bosques y los ecosistemas agrícolas, en gran medida dependen de la mineralización de los nutrientes en materia orgánica del suelo como fuente de nutrientes. Las actividades de manejo pueden cambiar el tamaño de la piscina y la tasa de rotación de C orgánico del suelo, lo que resulta en cambios en el suministro de nutrientes ^1. C orgánico del suelo se compone de dos fracciones primarias de C recalcitrantes, que tiene tasas de rotación de varios miles de años, y el COL, que tiene tasas de rotación de unas pocas semanas a unos años ^2,3,4. El suelo lábil C consiste en sustratos de fácil descomposición, como la biomasa microbiana C, compuestos de bajo peso molecular (aminoácidos, hidratos de carbono simples) de rhizodeposition planta y subproductos de descomposición y los lixiviados de ^1,4,5 planta de basura. Debido a que el suelo lábil C es fácilmente descomponible, esmuy sensibles a las prácticas de gestión y los fenómenos naturales que perturban o alteran el suelo ^6. C lábil del suelo sirve como la fuente principal de energía para los microorganismos del suelo en la descomposición de la materia orgánica ^7. Como tal, los impactos LOC ciclo de nutrientes en un grado mayor que hace formas estables de C orgánico del suelo ^8. Los microorganismos del suelo también son responsables de la mayoría de la respiración heterotrófica que se produce durante la descomposición de la materia orgánica del suelo recalcitrante facilitado por el efecto de cebado de LOC ^9,10,11. Esta respiración juega un papel importante en los ciclos globales C porque C orgánico del suelo es aproximadamente el doble que la de C atmosférico ^11.

Como resultado de su importancia en los ecosistemas terrestres, varios métodos se han desarrollado para estimar LOC suelo. Estos métodos pueden ser delineadas en tres clasificaciones generales: física, química, bioquímica y. métodos de separación son densitométricos met físicaSAO que consisten en la separación de C orgánico del suelo en fracciones pesadas o ligeras o en grueso y fino particulado orgánico C ^12,13,14,15. Los métodos de separación son relativamente fáciles de realizar, pero no lo hacen a menudo producen resultados consistentes debido a que estas fracciones varían con la composición del tipo de suelo mineral, el tamaño del material vegetal y la densidad y consistencia del agregado del suelo ^13,15. Los métodos de separación también producen sólo la información cuantitativa sobre LOC ^15.

Varios métodos químicos están disponibles para la estimación de LOC. extracción acuosa de carbono orgánico es relativamente fácil de realizar, y los métodos a menudo proporcionan resultados fácilmente reproducibles. Sin embargo, estas extracciones no involucran todo el espectro de sustratos disponibles para los microorganismos ^15. Se han desarrollado varios métodos de oxidación para el fraccionamiento químico de C orgánico del suelo. métodos de oxidación tienen la ventaja de la caracterización de la cantidad y calidad de lábil orgánico C, Aunque algunos métodos requieren el trabajo con productos químicos peligrosos y hay variabilidad entre los métodos en la reproducibilidad de los resultados ^15. El método de extracción de hidrólisis ácida es otro tipo de procedimiento de fraccionamiento químico que puede medir la cantidad y calidad de la LOC, pero los resultados de este método no facilitar la interpretación de sus propiedades biológicas ^13,15.

Se han desarrollado métodos bioquímicos para la interpretación de LOC suelo. Lábil C orgánico se puede medir como CO ₂ liberado por los microorganismos en ensayos de respiración. Estos ensayos proporcionan estimaciones de la verdadera materia orgánica mineralizable, pero por lo general sólo los compuestos más lábiles son mineralizado durante los ensayos ^15. Biomasa microbiana del suelo C medida por la fumigación-incubación de ¹⁶ y fumigación-extracción ¹⁷ ha sido utilizado para desarrollar inferencias sobre LOC. Sin embargo, estos procedimientos proporcionan estimaciones de C en la biomasa microbiana en lugar de LOC. Tanto fumigación procedimientos incluyen la resta de los valores de suelo no fumigado para determinar la biomasa microbiana C, pero se ha sugerido que los valores obtenidos sin sustracción de suelo no fumigado proporcionar una medida de fracciones orgánicas lábiles de C además de la biomasa microbiana ¹⁸ .

El procedimiento secuencial ¹³ de fumigación-incubación (SFI) para medir LOC es un método bioquímico adaptado del método de fumigación-incubación ¹⁶ para la medición de biomasa microbiana del suelo C. El método de SFI tiene algunas ventajas en relación con otros métodos de estimación de LOC. Una base conceptual de este método es que el LOC es microbiológicamente C degradable que gobierna el crecimiento microbiano y que LOC es accesible físicamente y químicamente degradables por los microorganismos del suelo. En condiciones de campo, el crecimiento microbiano es típicamente limitada por la disponibilidad de carbono, la disponibilidad de nutrientes, el espacio de poro disponible, y / o la depredación. Estos factores son casi eliminados por la fumigación, la creación de condiciones sin obstáculos para el crecimiento microbiano. No hay nutrientes se eliminan durante el periodo de incubación del método. A lo largo de múltiples ciclos de fumigación y la incubación, el crecimiento microbiano se ve limitada por la cantidad C y la calidad (labilidad) ^13. El acumulado _{de CO2} respirado durante los ciclos de incubación se utiliza para extrapolar LOC con un sencillo modelo ^11,13,19 exponencial negativa. La tasa de rotación C potencial también puede ser derivado de la pendiente del modelo exponencial, por lo que el método de SFI tiene la ventaja sobre la mayoría de los otros métodos de estimación de LOC simultáneamente las concentraciones y el potencial tasa de rotación de ¹¹ LOC. Para otros métodos, la información sobre las posibles tasas de rotación de LOC sólo puede determinarse si se utilizan trazadores tales como ¹⁴ C ^13. El método de SFI tanto, es una técnica relativamente simple y barato para la obtención de mediciones tanto de sus tasas de rotación posibles LOC y.

Protocolo

1. Recoger del suelo para obtener muestras representativas de las condiciones dentro de la Zona Experimental Experimental y dentro de ²⁰ Unidades

1. Identificar cualquier diferencia en las propiedades del sitio, tales como propiedades de pendiente y de suelo, incluyendo la textura, densidad aparente, pH, profundidad horizonte orgánico, y / o la concentración de nutrientes. Identificar cualquier diferencia en el tipo de vegetación dentro de las parcelas. Utilizar estimaciones conocidas o publicadas de los coeficientes de variación de las propiedades del sitio para estimar el número de muestras necesarias para alcanzar un error relativo de pre-especificado.
2. suelo de la muestra usando una barrena u otro dispositivo de recogida en un patrón basado en el lugar y condiciones unidad experimental.
   1. Para condiciones homogéneas, utilizar un patrón de muestreo aleatorio dentro de cada unidad experimental.
      1. Asignar puntos de muestra en cualquiera de las ubicaciones completamente al azar dentro de la unidad experimental o en forma de zigzag.
      2. muestra de suelo en cada punto al azar o en los puntos asignados en un patrón de zigzagnorte. Dejar de lado la materia orgánica de la superficie del suelo mineral antes de usar la barrena u otro dispositivo de recogida para excavar muestra de suelo.
         NOTA: El método fue desarrollado utilizando SFI horizontes del suelo de la Oa y por debajo de ^13. La prueba adicional es necesaria si horizontes por encima de la Oa se pueden probar usando el método de SFI.
      3. Combinar todas las muestras recogidas dentro de la unidad experimental en un solo recipiente y mezclar físicamente las muestras individuales dentro del contenedor para crear una muestra compuesta para cada unidad experimental.
   2. Para las condiciones heterogéneas, que son mucho más comunes, utilizar un patrón de muestreo sistemático dentro de cada unidad experimental.
      1. suelos de ejemplo a lo largo de la transecta en el centro de cada unidad experimental de tal manera que la distancia entre los puntos de muestra dentro de la transversal es menor que la distancia necesaria para representar la variabilidad dentro de las unidades experimentales.
      2. suelos de muestra a lo largo de varios transectos dentro de cada exunidad experimental que forman un patrón de rejilla relativamente grandes en unidades experimentales o unidades experimentales con múltiples fuentes de variabilidad.
      3. Combinar todas las muestras recogidas a lo largo de cada transecto en un solo recipiente y mezclar físicamente las muestras individuales dentro del contenedor para crear una muestra compuesta para cada transecto.

2. Preparar suelo para el ensayo de SFI

1. Colocar las muestras en una bolsa de hielo llenos refrigerador inmediatamente después de la recolección en el campo.
2. A su llegada al centro en el que las muestras van a ser almacenados hasta su análisis, colocar las muestras en un refrigerador a 4 ° C hasta que se realicen los procedimientos de preparación de muestras y SFI.
3. muestras de suelo a través de tamices de malla de un tamiz de 6,4 mm x 6,4 mm. Limpiar la malla con agua entre cada muestra para evitar la contaminación entre muestras.
4. Para cada muestra, medir tres submuestras 100 g y colocar las 100 submuestras g en un vaso de precipitados de 250 ml. EAC Cubiertah vaso con Parafilm y se les deja en una encimera durante 10 días a 25 ° C.

3. Las submuestras dan por determinación del peso seco al horno

1. Al final de la 10 días antes de la incubación de muestras de suelo, eliminar Parafilm de cada muestra.
2. Anotar el peso de una lata de aluminio pesan barco. Tomar 1 g de suelo de todas las muestras y en el lugar en el pesaje del barco.
3. Anotar el peso del suelo húmedo y pesar barco.
4. Colocar el suelo con barcos pesan en un horno a 105 ° C. Después de que las muestras alcancen un peso constante, que es por lo general después de 48 horas, los pesos de registro de los barcos y el suelo pesan.
5. Restar pese peso del barco de los pesos tomados del suelo húmedo y suelo seco dentro del recipiente para pesar para obtener el peso del suelo húmedo y seco. Deducir la seca: proporción suelo húmedo dividiendo el peso en seco del suelo por el peso del suelo húmedo.

4. Las muestras de suelo fumigar

1. Coloque una toalla de papel húmeda en el fondo de al menos dos (more puede ser necesario en función del número de muestras) desecadores 10,5 L de vacío de vidrio con platos de porcelana.
2. Para todas las muestras, pesar 30 g de suelo en tres viales de vidrio separados. Utilizar los viales lo suficientemente grandes como para contener 40 g de suelo y lo suficientemente estrechas para ajustarse dentro de una abertura de 40 mm si se utiliza el diseño del recipiente de incubación se describe en la sección 5.
3. Si utiliza una cinta de etiquetado para identificar cada submuestra de 30 g de suelo, utilizar el lápiz, porque la fumigación degrada tinta.
4. Coloque dos de los tres 30 submuestras g de cada muestra de suelo en un desecador de vacío para la fumigación y una submuestra en un desecador de vacío que no llevará a cabo la fumigación.
5. En un vaso de precipitados de 100 ml, colocar una capa de piedras suficientes para cubrir el fondo del vaso de precipitados de ebullición.
6. Verter 50 ml de cloroformo libre de etanol _(CHCl3) en el vaso de precipitados de 100 ml con una capa de piedras de ebullición. Colocar el vaso de precipitados de 100 ml con un punto de ebullición piedras y CHCl ₃ en el centro de un desecador lleno con el suelo 30 gsubmuestras. Llevar a cabo este paso bajo una campana de humos.
7. Bajo una campana extractora, utilice una aspiradora para hervir el _CHCl3 para fumigar dos conjuntos de submuestras por muestra de suelo.
   1. Conectar el vacío en el desecador de vacío con un tubo de vacío. Comience el vacío y ver como _CHCl3 comience a hervir.
   2. Permitir _CHCl3 a hervir durante 30 segundos y desconecte el tubo de vacío del desecador para permitir que el aire fluya de nuevo en el desecador. Este paso promueve la entrada de gas CHCl ₃ en las muestras de suelo. Repetir dos veces.
   3. Realizar un cuarto y último ebullición de CHCl _3, lo que le permite hervir durante 2 min.
   4. Con un vacío aún en marcha, cerrar el sello en el desecador de vacío de manera que se mantiene el vacío dentro del desecador. Apagar el vacío y desconecte el tubo de vacío del desecador.
8. Sellar el desecador que contiene las muestras no fumigado mediante la colocación de una tapa sobre el desecador y sellar el tapón de vacío. PAGata los desecadores (fumigados y no fumigados) en una zona oscura (como un armario) durante 24 horas. No repita los procedimientos de vacío de la subsección 4.7 en el desecador que contiene muestras no fumigado.

5. Ensamble Contenedores para Suelo incubación de la muestra

1. Empuje una varilla de vidrio de longitud 15 cm a través de un tapón de goma de tamaño 10 con un agujero perforado en el centro. El diámetro de la varilla debe ser suficiente para pasar a través del agujero perfectamente.
2. Etiquetar las botellas de ancho translúcidos 0,5 L boca de polipropileno con identificación que corresponde a la identificación submuestra fumigado no fumigado y.

6. Evacuar Cloroformo de Desecadores Bajo una campana extractora

1. Abrir el tapón en un desecador de vacío para permitir el flujo de aire en el desecador. Retire la tapa del desecador, y tomar las muestras y la toalla húmeda fuera del desecador.
2. Utilizar un vacío para evacuar _CHCl3 gas a partir de muestras de suelo.
   1. Coloque la tapa en el desecador. Conectar el desecador hasta alcanzar un vacío con tubos de vacío.
   2. Encender la bomba de vacío y deje que la bomba funcione durante cinco minutos. Desconecte el tubo de vacío del desecador para permitir la circulación de aire en el desecador.
   3. Repita el paso 6.3.2 cuatro veces.

7. Mueva cada submuestra del suelo en un recipiente de incubación (Figura 1) Llevar a cabo una incubación de 10 días

1. Pipetear 1 ml de agua desionizada en el recipiente de incubación. Conectar un vial de vidrio vacía a la varilla de vidrio se extiende desde la talla 10 obturador usando una banda de goma. El extremo abierto del vial de vidrio debe estar hacia la base del tapón. El vial de vidrio debe ser de un tamaño suficiente para contener un máximo de 40 ml de líquido.
2. Colocar un vial que contiene el 30 g submuestra suelo en el recipiente de incubación.
3. Añadir 1 g de suelo no fumigado de la muestra original del suelo para cada uno de sus correspondientes sub-muestras (fumigado y no fumigar) como inoculumetro.
4. Pipetear 1 ml de NaOH 2 M en el vial de vidrio conectado a la varilla de cierre / vidrio. Empuje la varilla de cierre / vidrio sobre la parte superior del recipiente de incubación. Cubrir la parte superior del recipiente de incubación con Parafilm.
5. Crear un recipiente de incubación que contiene ningún suelo. Ensamble de tres a cinco recipientes de incubación sin suelo.
   NOTA: El ácido utilizado para titular muestras del recipiente no-suelo es esencial para la determinación de CO ₂ mineralización durante el período de incubación, que se describe a continuación en la subsección 9.3. Como tal, hay varios contenedores-suelo se crean como una salvaguardia contra la manipulación incorrecta o titulación de un recipiente de incubación sin suelo que crearía un error en el cálculo de la mineralización de CO ₂ para todas las muestras. El ácido utilizado para valorar las muestras de los contenedores sin suelo debe estar cerca de los valores; es un índice de acidez muy disímiles entre las muestras de los recipientes sin suelo probablemente el resultado de la manipulación de la muestra incorrecta o titulación.
   1. Siga los procedimientos de la sección 5 de montar recipientes de incubación.
   2. Siga los procedimientos de 7.1 y 7.4.
6. Coloque todos los recipientes de incubación en un área de almacenamiento a oscuras a 25 ° C. Deje todos los recipientes de incubación en el área de almacenamiento durante 10 días.

8. Realizar titulación en cada submuestra para cuantificar CO ₂ producido por la respiración microbiana durante el período de incubación

1. Retire el vial de vidrio que contiene el NaOH 2 M desde el recipiente de incubación.
2. Pipeta 2 ml de 1 M BaCl ₂ en el vial de vidrio que contiene NaOH 2 M.
3. Añadir una gota de fenolftaleína (C ₂₀ H ₁₄ O ₄₎ a partir de una pipeta o gotero en el frasco de vidrio que contiene la mezcla de _BaCl2 y NaOH. Colocar una barra de agitación magnética en el vial de vidrio y colocar el vial de vidrio en una placa de agitación.
4. Con la placa de agitación activada, se añade lentamente HCl 0,1 N con una bureta hasta que la red coloración de la mezcla en el vial de vidrio se vuelve claro.
5. Registrar la cantidad de HCl necesaria para cambiar la coloración de la mezcla en el vial de vidrio.

9. Determinar la biomasa microbiana C de los datos recogidos durante el primer ciclo de fumigación-incubación ^16,21,22

1. Determinar el peso seco de suelo en cada submuestra multiplicando su peso húmedo por el seco: relación de peso húmedo obtenido en la etapa 3.8.
2. Determinar la cantidad promedio de HCl utilizado para valorar los recipientes de incubación sin suelo.
3. Calcular CO ₂ mineralizado durante la incubación de 10 días usando la fórmula:
   
   donde CO ₂ = CO ₂ mineralizado durante la incubación de 10 días
   NS = ácido usado para titular las muestras en envase de incubación sin suelo
   S = ácido utilizado para titular muestras que contenían suelo en el recipiente de incubación
   M = molaridad de THe HCl
   E = 6, el peso equivalente
   peso W = seca de suelo contenido en el recipiente de incubación
4. Calcular la biomasa microbiana C utilizando la fórmula:
   
   donde bioc = biomasa microbiana C
   F = CO ₂ mineralizado de sub-muestras de suelo que fueron fumigados
   NF = CO ₂ mineralizado de sub-muestras de suelo que eran no-fumigado
   K = fracción de biomasa microbiana mineralizada C a _CO2
   1. Determinar el valor de K ya sea por medición directa de ^14C mineralización en las pruebas preliminares con el suelo o los valores publicados ^22. Un valor de 0,45 se utiliza comúnmente para K para este ensayo ^23.
5. Realizar la fumigación secuencial y ciclos de incubación mediante la repetición de secciones 4-8 siete veces para las sub-muestras de suelo que fueron fumigados en el primer ciclo de fumigación-incubación.

10. Determine lábil C y la tasa potencial de C Facturación Uso de CO ₂ mineralizado en el transcurso de los Ocho de fumigación e incubación Ciclos

1. Utilice la siguiente fórmula para determinar un factor de corrección para el inóculo en el suelo añadido a las muestras después de cada fumigación:
   
   Donde IC = factor de corrección para el inóculo
   C '= Cantidad de CO ₂ de la submuestra no fumigado durante la primera incubación de 10 días
   r = relación de peso del suelo inóculo al suelo fumigado en el ciclo de incubación primera fumigación
   C _t = ciclo de incubación (1, 2 ... 8), de manera que C _t-1 = 0 cuando t = 1
2. Utilice la siguiente fórmula para calcular el _CO2 liberado durante cada incubación para cada submuestra:
   
   donde Ct = _CO2 liberado durante la incubación
   NS = ácido utilizado para titular muestrasen el recipiente de incubación sin suelo
   S = ácido utilizado para titular muestras que contenían suelo en el recipiente de incubación
   IC = factor de corrección para el inóculo (determinado en el paso 10.1)
   E = 6, el peso equivalente
   peso W = seca de suelo contenido en el recipiente de incubación
3. Derivar C orgánico lábil mediante regresión no lineal.
   1. Organizar una hoja de cálculo que incluye para cada uno de los identificadores de muestra para la muestra, el número de ciclos de incubación (1, 2 ... 8), y CO ₂ liberado durante la incubación (derivan en el paso 10.2).
   2. El uso de software capaz de regresión no lineal, se ajustan siguiente modelo para el conjunto de datos:
      
      donde SUMAC = la suma de _CO2 liberado durante los ocho ciclos de incubación
      LOC = suelo lábil C orgánico
      k = tiempo potencial de facturación
      t = ciclo de incubación (1, 2 ... 8)
4. Convertir potencial de facturación tIME desde el paso 10.3.2 en día multiplicando la inversa de k por 10 debido al ciclo de incubación de 10 días.

Resultados

El método de SFI se ha utilizado como se describe en este documento en una serie de experimentos llevados a cabo en el sureste de los Estados Unidos ^24,25,26,27. En conjunto, estos experimentos abarcaron una variedad de tipos de vegetación, incluyendo el pino de incienso (Pinus taeda L.), pasto varilla (Panicum virgatum L.), álamo (Populus deltoides Marsh Bartram ex.), Y la soja (Glycine max L. Merr.). El método fue sensible a la determi...

Discusión

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...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
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