Procédé électrostatique pour éliminer les matières organiques particulaires du sol

Résumé

L’élimination du matériel végétal récemment déposé et incomplètement décomposé des échantillons de sol réduit l’influence des apports saisonniers temporaires sur les mesures du carbone organique du sol. L’attraction vers une surface chargée électrostatiquement peut être utilisée pour éliminer rapidement une quantité substantielle de matières organiques particulaires.

Résumé

Les estimations du carbone organique du sol dépendent des méthodes de traitement du sol, y compris l’élimination du matériel végétal non décomposé. Une séparation inadéquate des racines et du matériel végétal du sol peut entraîner des mesures de carbone très variables. Les méthodes d’enlever le matériel végétal sont souvent limitées aux matières végétales les plus grandes et les plus visibles. Dans ce manuscrit, nous décrivons comment l’attraction électrostatique peut être utilisée pour éliminer le matériel végétal d’un échantillon de sol. Une surface chargée électrostatiquement passée près d’un sol sec attire naturellement les particules végétales non décomposées et partiellement décomposées, ainsi qu’une petite quantité de sol minéral et agrégé. L’échantillon de sol est étalé en une fine couche sur une surface plane ou un tamis de sol. Une boîte de Petri en plastique ou en verre est chargée électrostatiquement en frottant avec de la mousse de polystyrène ou un chiffon de nylon ou de coton. Le plat chargé est passé à plusieurs reprises sur le sol. Le plat est ensuite brossé propre et rechargé. La réapplation du sol et la répétition de la procédure entraînent finalement une diminution du rendement en particules. Le procédé élimine environ 1 à 5% de l’échantillon de sol, et environ 2 à 3 fois cette proportion en carbone organique. Comme d’autres méthodes d’élimination des particules, le critère d’effet est arbitraire et toutes les particules libres ne sont pas éliminées. Le processus prend environ 5 min et ne nécessite pas de processus chimique comme le font les méthodes de flottation de densité. L’attraction électrostatique élimine systématiquement le matériau dont la concentration en C et le rapport C:N sont supérieurs à la moyenne, et une grande partie du matériau peut être identifiée visuellement comme un matériau végétal ou faunique au microscope.

Introduction

Des estimations précises du carbone organique du sol (COS) sont importantes pour évaluer les changements résultant de la gestion agricole ou de l’environnement. La matière organique particulaire (POM) a des fonctions importantes dans l’écologie et la physique d’un sol, mais elle est souvent de courte durée et varie en fonction de plusieurs facteurs, notamment la saison, les conditions d’humidité, l’aération, les techniques de prélèvement d’échantillons, la gestion récente des sols, le cycle de vie de la végétation et autres¹. Ces sources temporellement instables peuvent fausser les estimations des tendances à long terme du carbone organique stable et véritablement séquestré du sol².

Bien qu’il soit bien défini, commun et important, le POM n’est pas facilement séparé du sol et n’est pas facile à mesurer quantitativement. Les matières organiques particulaires ont été mesurées comme celles qui flottent dans des liquides (fraction légère, typiquement 1,4-2,2 g cm^-3),ou comme celle qui peut être séparée par la taille (par exemple, > 53-250 μm ou > 250 μm), ou comme une combinaison des deux^3,4,5. Les techniques basées sur la taille et sur la densité peuvent influencer les résultats quantitatifs et chimiques de la mesure POM^4. Une inspection visuelle minutieuse du sol qui a été fractionné à l’aide de méthodes de routine révèle souvent des structures longues et étroites comme des racines et des éclats de feuilles ou de tiges qui ont traversé l’écran. Il a été démontré que le simple retrait de ces structures à la main réduisait considérablement les mesures du SOC total^2,6 mais la méthode est notamment soumise à la diligence et à l’acuité visuelle de l’opérateur. La séparation pom d’un échantillon de sol car la fraction légère lors de la flottation dans un liquide dense⁷ ne capte pas tout POM, et une secousse excessive pendant le processus de flottation peut effectivement réduire la quantité de fraction légère récupérée à partir d’un échantillon^8. La flottation nécessite de nombreuses étapes et expose le sol à des solutions chimiques qui peuvent modifier les caractéristiques chimiques ou dissoudre et éliminer les constituants qui peuvent présenter un intérêt^4.

D’autres méthodes d’élimination des POM ont été utilisées pour éviter ou augmenter l’utilisation de solutions aqueuses denses. Kirkby et coll.⁶ ont comparé l’élimination de la fraction légère à l’aide de deux procédures de flottation à une méthode de tamisage/vannage à sec^9. Le vannage a été effectué en faisant passer un léger courant d’air à travers une fine couche de sol pour éloigner doucement la lumière de la fraction lourde. Le tamisage/vannage à sec a fonctionné de la même manière que les deux méthodes de flottaison en ce qui concerne la teneur en C, N, P et S; cependant, les auteurs suggèrent que le tamisage/vannage à sec a produit des sols « légèrement plus propres »⁶. Pom a également été séparé du sol par l’attraction électrostatique^10,11 dans laquelle les particules organiques sont isolées en passant une surface chargée électrostatiquement au-dessus du sol. La méthode d’attraction électrostatique a réussi à récupérer le POM, appelées particules organiques de cours, à partir de sols séchés et tamisés (> 0,315 mm) avec une répétabilité statistique comparable à d’autres méthodes de fractionnement de taille et de densité^10.

Ici, nous démontrons comment l’attraction électrostatique peut être utilisée pour éliminer les POM de tailles allant du visible au microscopique. Contrairement à d’autres méthodes rapportées, l’attraction électrostatique du sol fin élimine également une petite partie du sol minéral et agrégé qui ressemble visiblement au sol restant. Compte tenu de nos résultats à ce jour, il est raisonnable de supposer que l’enlèvement d’une petite partie du sol non POM n’aura pas d’effet substantiel sur les analyses en aval; toutefois, cette hypothèse devrait être vérifiée pour un sol particulier si de grandes proportions de l’échantillon total de sol sont enlevées électrostatiquement. Les méthodes et les exemples fournis ici ont été réalisés sur des sols limoneux limoneux provenant d’un environnement semi-aride.

Cette méthode peut ne pas convenir à tous les types de sol, mais présente les avantages d’être rapide et efficace pour éliminer les matières organiques particulaires trop petites pour être éliminées manuellement ou par un courant d’air. La vitesse du processus est importante pour réduire la fatigue, assurer la cohérence et encourager une plus grande réplication pour une meilleure précision des conclusions. De plus, la capacité d’éliminer les très petites particules est importante pour éviter les biais vers les sols de plus grande taille plutôt que de petite taille.

Protocole

1. Préparation du sol

1. Prélever des échantillons de sol à la profondeur souhaitée. Sécher soigneusement le sol à 40 °C ou en suivant les protocoles standard spécifiques au laboratoire.
2. Tamisez le sol à travers des tamis de sol de taille appropriée pour obtenir environ 10 à 25 g de sol tamisé. De nombreuses études utilisent un tamis de 1 ou 2 mm. La quantité de sol est basée sur la masse requise pour les analyses en aval et aura un impact sur le nombre de fois où l’étape d’élimination électrostatique devra être répétée.
3. Placez le sol dans une casserole propre et sèche en métal ou en verre à fond plat qui est assez grande pour que le sol soit mince (au moins 20 cm de diamètre). Secouez doucement la casserole horizontalement pour répartir le sol uniformément en une couche aussi mince que possible.

2. Charger une surface électrostatique

1. Tenez une boîte de Pétri en verre ou en polystyrène de 100 mm de diamètre dans une main et frottez vigoureusement la surface extérieure avec un morceau propre de tissu en nylon, de tissu de coton ou de mousse de polystyrène plusieurs fois. Effectuez la charge de surface loin de l’échantillon pour empêcher l’introduction de fragments de tissu dans l’échantillon.
2. Inspectez la surface de la boîte de Pétri pour vous assurer qu’elle est propre.

3. Éliminer les matières organiques particulaires

1. Abaissez la surface chargée à moins de 0,5 cm à 2 cm au-dessus du sol et déplacez-la horizontalement pour ramasser autant de particules que possible. L’attraction à la surface peut être notée visuellement et auditivement.
2. Lorsque la boîte de Pétri n’attire plus de particules supplémentaires, éloignez la boîte de l’échantillon.

4. Nettoyez la surface électrostatique

1. Maintenez la surface chargée sur une boîte de collecte et utilisez une brosse fine pour transférer le matériau attiré électrostatiquement de la surface de la boîte de Petri dans la boîte de collecte. Une brosse à cheveux à chameau fonctionne bien.

5. Répéter jusqu’à ce que le rendement en particules diminue

1. Répétez les étapes 2 à 4 jusqu’à ce que le nombre de particules de matière organique captées diminue. Redistribuer l’échantillon de sol en secouant horizontalement le bac de sol pour exposer de nouveaux matériaux à la surface et poursuivre la collecte électrostatique.
   REMARQUE : Le critère d’évaluation est arbitraire et dépend du jugement du chercheur. L’inspection de la surface chargée après l’exposition au sol donne une indication visuelle de la question de savoir si une quantité importante de particules organiques est encore éliminée du sol. Les produits finaux sont des sols à teneur réduite en particules et des POM concentrés contenant une petite quantité de sol enlevé électrostatiquement.

Résultats

Les résultats présentés ici sont fondés sur l’analyse des sols limoneux des sites agricoles du Nord-Ouest Pacifique (tableau 1). Les sols ont été recueillis à des profondeurs de 0 à 20 cm ou de 0 à 30 cm, séchés à 40 °C, passés à travers un tamis de 2 mm et traités à l’aide d’une surface en polystyrène chargée d’un chiffon en nylon.

La quantité de sol retirée électrostatiquement d?...

Discussion

La méthode d’attraction électrostatique s’est efficace pour éliminer le POM des sols limoneux. La méthode décrite ici est légèrement différente de Kaiser, et al.¹⁰ qui utilisait une combinaison verre/coton. Nous avons traité tout sauf la fraction de sol la plus fine et avons utilisé du polystyrène plutôt que du verre en raison de la différence triboélectrique, qui pour le polystyrène / nylon est de 100 nC / J par rapport au verre / coton à 20 nC / J^12. L...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
brush, camel-hair
petri dish, glass or plastic
polystyrene foam, cotton or nylon cloth
soil
soil sieves