Valutazione della Labile carbonio organico nel suolo Uso delle procedure sequenziale fumigazione incubazione

Riepilogo

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.

Abstract

pratiche di gestione e cambiamenti ambientali possono alterare nutrienti del suolo e ciclo del carbonio. Terreno labile carbonio organico, un pool C facilmente scomponibile, è molto sensibile al disturbo. E 'anche il substrato primario per i microrganismi del suolo, che è fondamentale per ciclo dei nutrienti. A causa di questi attributi, labile carbonio organico (LOC) è stata identificata come un parametro indicatore salute del suolo. Quantificare il tasso di turnover del LOC aiuta anche a comprendere i cambiamenti nei processi ciclo dei nutrienti del suolo. Un metodo di fumigazione incubazione sequenziale è stato sviluppato per stimare LOC suolo e tasso potenziale di C fatturato. Il metodo richiede fumigazione campioni di suolo e la quantificazione di CO ₂ -C respirata nel corso di un periodo di incubazione di 10 giorno per una serie di cicli di fumigazione-incubazione. Labile C organico e il potenziale tasso di turnover C sono poi estrapolati da CO ₂ accumulato con un modello esponenziale negativo. Le procedure per lo svolgimento di questo metodo sono descrivered.

Introduzione

Grazie alle sue funzioni vitali in carbonio (C) e il ciclo dei nutrienti e la sua sensibilità al cambiamento del suolo, il suolo LOC è un parametro importante per misurare come indicatore di qualità del suolo materia organica. Foreste e agroecosystems in larga misura dipendono dalla mineralizzazione dei nutrienti nel suolo materia organica come fonte di nutrienti. Le attività di gestione in grado di modificare le dimensioni piscina e tasso di turnover del suolo organico C, con conseguente variazioni di apporto di sostanze nutritive ^1. Terreno organico C è composto da due frazioni principali di recalcitrante C, che ha tassi di turnover di diverse migliaia di anni, e LOC, che ha tassi di turnover da poche settimane a qualche anno ^2,3,4. Terreno labile C si compone di substrati facilmente decomponibili come la biomassa microbica C, composti a basso peso molecolare (aminoacidi, carboidrati semplici) da rizodeposizioni impianto, e sottoprodotti di decomposizione e percolati da lettiera ^1,4,5. Poiché terreno labile C è facilmente smontabile, èmolto sensibile alle pratiche di gestione e fenomeni naturali che disturbano o alterano terreno ^6. Terreno labile C serve come fonte primaria di energia per i microrganismi del suolo nella decomposizione della materia organica ^7. Come tale, l'impatto LOC ciclo dei nutrienti in misura maggiore di quanto non faccia forme stabili di terreno C organico ^8. Microrganismi del suolo sono anche responsabili della maggior parte della respirazione eterotrofi che si verifica durante la decomposizione di recalcitrante sostanza organica agevolata dall'effetto innesco di LOC ^9,10,11. Questa respirazione svolge un ruolo sostanziale nei cicli C Global causa organica del suolo C è pari a circa il doppio di quello di C atmosferico ^11.

Come risultato della sua importanza negli ecosistemi terrestri, diversi metodi sono stati sviluppati per stimare LOC terreno. Questi metodi possono essere delineati in tre classificazioni generali: fisici, chimici e biochimici. metodi di separazione densitometriche sono meth fisicoODS che consistono di separazione organica del suolo C in frazioni pesanti o leggeri o in grossolana e particolato fine organico C ^12,13,14,15. Metodi di separazione sono relativamente facili da eseguire, ma non lo fanno spesso producono risultati coerenti, perché queste frazioni variano a seconda del tipo di suolo composizione minerale, pianta di dimensioni materiale e la densità, e del suolo aggregato consistenza ^13,15. Metodi di separazione, inoltre, produrre solo informazioni quantitative sui LOC ^15.

Diversi metodi chimici sono disponibili per la stima LOC. estrazione acquosa di carbonio organico è relativamente facile da eseguire, e metodi spesso forniscono risultati facilmente riproducibili. Tuttavia, queste estrazioni non comportano l'intera gamma di supporti disponibili per i microrganismi ^15. Sono stati sviluppati diversi metodi di ossidazione per frazionamento chimica del terreno organico C. Metodi ossidazione hanno il vantaggio di caratterizzare la quantità e la qualità dei labile organico C, Anche se alcuni metodi richiedono lavoro con sostanze chimiche pericolose e non vi è la variabilità tra i metodi di riproducibilità dei risultati ^15. Il metodo di estrazione di idrolisi acida è un altro tipo di procedura di frazionamento chimico che può misurare la quantità e la qualità del LOC, ma i risultati di questo metodo non facilitare l'interpretazione delle sue proprietà biologiche ^13,15.

sono stati sviluppati metodi biochimici per l'interpretazione della LOC suolo. Labile C organico può essere misurata come CO ₂ rilasciato da microrganismi in saggi di respirazione. Questi test forniscono stime di vera sostanza organica mineralizzabile, ma in genere solo i composti più labili sono mineralizzati durante i test ^15. Terreno biomassa microbica C misurata mediante fumigazione-incubazione ¹⁶ e fumigazione-estrazione ¹⁷ è stato utilizzato per sviluppare inferenze circa LOC. Tuttavia, queste procedure prevedono stime di C nella biomassa microbica, piuttosto che LOProcedure C. Entrambi fumigazione includono sottrazione di valori da terreni non fumigati per determinare la biomassa microbica C, ma è stato suggerito che i valori ottenuti senza sottrazione di non fumigati terreno fornire una misura di frazioni organiche labili di C, oltre a biomassa microbica ¹⁸ .

La procedura sequenziale di fumigazione-incubazione (SFI) ¹³ per la misurazione della LOC è un metodo biochimico adattato dalla procedura di fumigazione-incubazione ¹⁶ per la misurazione microbica del suolo biomassa C. Il metodo SFI presenta alcuni vantaggi rispetto ad altri metodi di stima LOC. Una base concettuale per il metodo è che LOC è il microbiologicamente C degradabile che governa la crescita microbica e che LOC è fisicamente accessibile e chimicamente degradabile dai microrganismi del suolo. In condizioni di campo, la crescita microbica è in genere limitata dalla disponibilità di carbonio, disponibilità di nutrienti, spazio poroso a disposizione, e / o di predazione. Questi fattori sono quasi Elimignato da fumigazione, creando le condizioni senza ostacoli per la crescita microbica. Non nutrienti vengono rimossi durante il periodo di incubazione del metodo. Nel corso di più cicli di fumigazione e di incubazione, la crescita microbica viene limitata dalla quantità e qualità C (labilità) ^13. La CO ₂ accumulata respirata durante i cicli di incubazione viene utilizzato per estrapolare LOC con un semplice modello di negativo ^11,13,19 esponenziale. Il tasso potenziale di C fatturato può anche essere derivato dalla pendenza del modello esponenziale, in modo che il metodo di SFI ha il vantaggio rispetto la maggior parte degli altri metodi di stima LOC contemporaneamente le concentrazioni e le potenzialità tasso di rotazione del LOC ^11. Per altri metodi, le informazioni sui potenziali tassi di turnover del LOC può essere accertata solo se si utilizzano traccianti, come ¹⁴ C ^13. Il metodo SFI è quindi una tecnica relativamente semplice e poco costoso per ottenere misurazioni di entrambi LOC e dei suoi tassi di turnover potenziali.

Protocollo

1. Raccogliere terreno per ottenere campioni rappresentativi delle condizioni all'interno dell'area sperimentale e all'interno sperimentale Unità ²⁰

1. Identificare eventuali differenze di proprietà del sito come le proprietà di pendenza e del suolo, tra cui consistenza, densità apparente, il pH, la profondità dell'orizzonte organico, e / o concentrazioni di nutrienti. Identificare eventuali differenze di tipo di vegetazione all'interno di trame. Utilizzare stime conosciute o pubblicati di coefficienti di variazione per la proprietà del sito per stimare il numero di campioni necessari per raggiungere un errore relativo pre-specificato.
2. terreno di esempio utilizzando una coclea o un altro dispositivo di raccolta in un modello basato su condizioni locali e unità sperimentali.
   1. Per le condizioni omogenee, utilizzare un modello campionamento casuale all'interno di ogni unità sperimentale.
      1. Assegnare punti di campionamento alle due posizioni completamente casuali all'interno dell'unità sperimentale o in un modello a zig-zag.
      2. terreno di esempio in ogni punto casuale o in punti assegnati in un picchiettio zigzagn. Spazzare via sostanza organica dalla superficie del suolo minerale prima di utilizzare la coclea o altro dispositivo di raccolta per scavare campione di suolo.
         NOTA: Il metodo SFI è stato sviluppato utilizzando orizzonti del suolo dal Oa e sotto ^13. Ulteriori test è necessario se orizzonti al di sopra del Oa possono essere testati con il metodo SFI.
      3. Combinare tutti i campioni raccolti all'interno dell'unità sperimentale in un unico contenitore e miscelare fisicamente i singoli campioni all'interno del contenitore per creare un campione composito per ciascuna unità sperimentale.
   2. Per le condizioni eterogenee, che sono molto più comuni, utilizzare un modello di campionamento sistematico all'interno di ogni unità sperimentale.
      1. suoli campione lungo il transetto nel centro di ogni unità sperimentale tale che la distanza tra i punti campione all'interno del transetto è inferiore alla distanza necessaria per rappresentare variabilità all'interno delle unità sperimentali.
      2. terreni campione lungo transetti multipli all'interno di ogni exUnità sperimentale che formano un modello di griglia in relativamente grandi unità sperimentali o unità sperimentali con più fonti di variabilità.
      3. Combinare tutti i campioni prelevati lungo ogni transetto in un unico contenitore e miscelare fisicamente i singoli campioni all'interno del contenitore per creare un campione composito per ciascun transetto.

2. Preparare terreno per il saggio SFI

1. I campioni in un pack riempiti raffreddamento subito dopo la raccolta sul campo.
2. All'arrivo presso la struttura alla quale i campioni devono essere conservati fino all'analisi, posto campioni in frigorifero a 4 ° C fino sono condotti preparazione del campione e procedure SFI.
3. campioni di terreno Sieve attraverso un setaccio con maglie 6,4 millimetri x 6.4 mm. Pulire la rete con acqua tra ogni campione per evitare la contaminazione tra i campioni.
4. Per ogni campione, misurare tre sottocampioni 100 g e posizionare i 100 g sottocampioni in un becher da 250 ml. eac copertinah bicchiere con Parafilm e lasciarli su un piano di lavoro per 10 giorni a 25 ° C.

3. Sottocampioni prendere per Forno-asciutto determinazione del peso

1. Al termine dei 10 giorni di pre-incubazione di campioni di terreno, rimuovere Parafilm da ciascun campione.
2. Registrare il peso di una struttura in alluminio pesa barca. Prendere 1 g di terreno da tutti i campioni e mettere in pesare barca.
3. Registrare il peso del terreno umido e pesare barca.
4. Posizionare il pesano barche con terreno in un forno a 105 ° C. Dopo i campioni raggiungono un peso costante, che è in genere dopo 48 ore, registrare i pesi delle barche e del suolo pesano.
5. Sottrarre pesare peso barca dai pesi prese del terreno umido e terreno asciutto all'interno della barca pesare per ottenere il peso umido e secco del terreno. Derive secco: rapporto terreno umido dividendo il peso terreno asciutto dal peso terreno umido.

4. fumigazione campioni di terreno

1. Posizionare un tovagliolo di carta umido sul fondo di almeno due (more può essere necessario a seconda del numero di campioni) essiccatori sottovuoto vetro 10,5 L con piatti in porcellana.
2. Per tutti i campioni, pesare 30 g di terreno in tre fiale di vetro separate. Utilizzare fiale abbastanza grandi per contenere 40 g di terreno e sufficientemente strette per adattarsi all'interno di una apertura di 40 mm se si utilizza il disegno del contenitore di incubazione descritto nel paragrafo 5.
3. Se si utilizza il nastro di etichettatura per identificare ogni 30 g di terreno sottocampione, usare la matita perché la fumigazione degrada inchiostro.
4. Posizionare due dei tre sottocampioni 30 g per ciascun campione di terreno in un essiccatore a vuoto per la fumigazione e uno sottocampione in un essiccatore a vuoto che non condotta fumigazione.
5. In un becher da 100 ml, posto uno strato di pietre sufficienti a coprire il fondo del bicchiere bollente.
6. Versare 50 ml di cloroformio privo di etanolo (CHCl ₃₎ nel becher da 100 ml con uno strato di pietre ebollizione. Porre il becher da 100 ml con pietre ebollizione e CHCl ₃ nel centro di un essiccatore riempito con 30 g di terrenosottocampioni. Condurre questo passaggio sotto una cappa aspirante.
7. Sotto cappa, utilizzare un aspirapolvere per far bollire l'CHCl ₃ per la fumigazione due serie di sottocampioni per campione del suolo.
   1. Collegare il vuoto in un essiccatore a vuoto con tubi a vuoto. Avviare il vuoto e guardare come CHCl ₃ inizia a bollire.
   2. Lasciare CHCl ₃ bollire per 30 secondi e scollegare il tubo di aspirazione dal essiccatore per consentire all'aria di fluire di nuovo in un essiccatore. Questo passaggio promuove CHCl ₃ Entrata gas nei campioni di terreno. Ripetere due volte.
   3. Eseguire una quarta ed ultima ebollizione di CHCl _3, permettendo bollire per 2 min.
   4. Con vuoto in funzione, chiudere il sigillo sulla essiccatore a vuoto in modo che il vuoto all'interno del essiccatore viene mantenuta. Spegnere il vuoto e scollegare il tubo di aspirazione dal essiccatore.
8. Sigillare il essiccatore contenente i campioni non sottoposti a fumigazione mettendo un coperchio sulla essiccatore e di tenuta del tappo di vuoto. Ppizzo gli essiccatori (fumigati e non fumigati) in una zona buia (come ad esempio un armadio) per 24 ore. Non ripetere le procedure di vuoto di cui al comma 4.7 sul essiccatore contenente campioni non sottoposti a fumigazione.

5. Assemblare Contenitori per il terreno di incubazione del campione

1. Inserire una bacchetta di vetro di lunghezza 15 centimetri attraverso un tappo di gomma dimensioni 10 con un foro nel centro. Il diametro dell'asta deve essere sufficiente per passare attraverso il foro comodamente.
2. Etichetta 0.5 L traslucido bottiglie di bocca in polipropilene di larghezza con l'identificazione che corrisponde all'identificazione sottocampione fumigazione e non fumigati.

6. Evacuare Cloroformio da Desiccatori Sotto un Cappa aspirante

1. Aprire il tappo su un essiccatore a vuoto per permettere il flusso d'aria in un essiccatore. Togliere il coperchio dalla essiccatore, e prendere i campioni e l'asciugamano umido di essiccatore.
2. Utilizzare un vuoto per evacuare CHCl ₃ gas da campioni di suolo.
   1. Mettere il coperchio sulla essiccatore. Collegare l'essiccatore a vuoto con tubi a vuoto.
   2. Accendere la pompa del vuoto e lasciare pompa a correre per cinque minuti. Staccare il tubo di aspirazione dal essiccatore per permettere il flusso d'aria in un essiccatore.
   3. Ripetere il punto 6.3.2 per quattro volte.

7. Spostare ogni sotto-campione del suolo in un contenitore di incubazione (Figura 1) per condurre una incubazione di 10 giorni

1. Pipettare 1 ml di acqua deionizzata nel contenitore di incubazione. Collegare un flacone di vetro vuoto per la bacchetta di vetro estendentesi dal tappo dimensioni 10 utilizzando un elastico. L'estremità aperta della fiala di vetro deve essere rivolto verso la base del tappo. Il flacone di vetro deve essere di dimensioni sufficienti a contenere fino a 40 ml di liquido.
2. Collocare un flacone contenente 30 g sottocampione suolo nel contenitore di incubazione.
3. Aggiungere 1 g di terreno non fumigati dal campione originale terreno a ciascuno dei suoi sotto-campioni corrispondenti (sottoposti a fumigazione e non sottoposto a fumigazione) come inoculum.
4. Pipettare 1 ml di NaOH 2 M nella fiala di vetro collegata all'asta stopper / vetro. Inserire l'asta del tappo / vetro sulla parte superiore del contenitore di incubazione. Coprire la parte superiore del contenitore incubazione con Parafilm.
5. Creare un contenitore di incubazione che non contiene il suolo. Assemblare tre a cinque contenitori di incubazione non-suolo.
   NOTA: L'acido impiegato per titolare campioni del serbatoio non-suolo è essenziale per la determinazione della CO ₂ mineralizzazione durante il periodo di incubazione, che è descritto nel paragrafo 9.3. Come tale, più contenitori non-suolo sono creati come una salvaguardia contro la manipolazione errata o la titolazione di un contenitore di incubazione non-suolo che creerebbe un errore nel calcolo _della CO ₂ mineralizzazione per tutti i campioni. L'acido impiegato per titolare campioni dai contenitori non-suolo dovrebbe essere vicino a dei valori; un indice di acidità molto dissimili tra i campioni del contenitore non-suolo è probabilmente il risultato di manipolazione del campione non corretta o la titolazione.
   1. Seguire le procedure di cui al punto 5 per assemblare i contenitori di incubazione.
   2. Seguire le procedure di 7.1 e 7.4.
6. Mettere tutti i contenitori di incubazione in un deposito oscurata a 25 ° C. Lasciare tutti i contenitori di incubazione del deposito per 10 giorni.

8. Eseguire titolazione su ogni sotto-campione di quantificare CO ₂ Prodotto da microbica respirazione durante il periodo di incubazione

1. Rimuovere la fiala di vetro contenente il 2 M NaOH dal contenitore di incubazione.
2. Pipettare 2 ml di 1 M BaCl ₂ nel flaconcino di vetro contenente 2 M NaOH.
3. Aggiungere una goccia di fenolftaleina (C ₂₀ H ₁₄ O ₄₎ da una pipetta o contagocce nel flacone di vetro contenente la miscela di BaCl ₂ e NaOH. Posizionare un ancoretta magnetica nel flacone di vetro e posizionare il flacone di vetro su un piatto mescolare.
4. Con il piatto mescolare attivato, aggiungere lentamente 0,1 N HCl con una buretta fino a quando il red colorazione della miscela nel flacone di vetro diventa trasparente.
5. Registrare la quantità di HCl necessario per modificare la colorazione della miscela nella fiala di vetro.

9. Determinare biomassa microbica C da dati raccolti durante la Prima fumigazione-incubazione ciclo ^16,21,22

1. Determinare il peso secco del suolo in ciascun sottocampione moltiplicando il suo peso umido dal secco: umido rapporto ponderale ottenuta nello stadio 3.8.
2. Determinare la quantità media di HCl impiegato per titolare i contenitori di incubazione non-suolo.
3. Calcolare CO ₂ mineralizzato durante i 10 giorni di incubazione con la formula:
   
   dove CO ₂ = CO ₂ mineralizzato durante l'incubazione di 10 giorni
   NS = acido utilizzato per titolare i campioni in contenitori di incubazione no-suolo
   S = acido usato per titolare campioni che contenevano terreno nel contenitore di incubazione
   M = molarità di The HCl
   E = 6, il peso equivalente
   peso W = secca di terreno contenuto nel contenitore di incubazione
4. Calcolare biomassa microbica C mediante la formula:
   
   dove Bioc = biomassa microbica C
   F = CO ₂ mineralizzata da sottocampioni del suolo che sono stati fumigazione
   NF = CO ₂ mineralizzata da sottocampioni suolo che erano non-fumigazione
   K = frazione di biomassa microbica C mineralizzata a CO ₂
   1. Determinare il valore di K da una misura diretta della ¹⁴ C mineralizzazione nei test preliminari con il suolo o valori pubblicati ^22. Un valore di 0,45 è comunemente usato per K per questo test ^23.
5. Eseguire la fumigazione sequenziale e cicli di incubazione ripetendo le operazioni da 4-8 a sette volte per i sottocampioni del suolo che sono stati sottoposti a fumigazione nel primo ciclo di fumigazione-incubazione.

10. Determine Labile C e C Potenziale di rotazione del Utilizzando CO ₂ mineralizzati nel corso degli Otto di fumigazione e di incubazione Cicli

1. Utilizzare la seguente formula per determinare un fattore di correzione per il suolo inoculo aggiunto a campioni dopo ogni fumigazione:
   
   Dove IC = fattore di correzione per l'inoculo
   C '= quantità di CO ₂ dal sottocampione non fumigati durante la prima incubazione di 10 giorni
   R = rapporto peso del terreno inoculo di terreno sottoposto a fumigazione al ciclo di incubazione prima di fumigazione
   C _t = ciclo di incubazione (1, 2 ... 8), tale che C _t-1 = 0 quando t = 1
2. Utilizzare la seguente formula per stimare la _CO2 rilasciata durante ogni incubazione per ogni sotto-campione:
   
   dove Ct = CO ₂ rilasciata durante l'incubazione
   NS = acido utilizzato per titolare campioniin nessun-terreno contenitore di incubazione
   S = acido usato per titolare campioni che contenevano terreno nel contenitore di incubazione
   IC = fattore di correzione per inoculo (determinato al punto 10.1)
   E = 6, il peso equivalente
   peso W = secca di terreno contenuto nel contenitore di incubazione
3. Derive labile C organico utilizzando la regressione non lineare.
   1. Organizzare un foglio che comprende per ogni identificatori campione per campione, numero di cicli di incubazione (1, 2 ... 8), e CO ₂ rilasciata durante l'incubazione (derivate nel passo 10.2).
   2. Utilizzando il software in grado di regressione non lineare, adatta seguente modello per il set di dati:
      
      dove Csum = la somma di CO ₂ rilasciata durante gli otto cicli di incubazione
      LOC = terreno labile C organico
      k = tempo potenziale fatturato
      t = ciclo di incubazione (1, 2 ... 8)
4. Convertire potenziale fatturato time dal punto 10.3.2 in giorni moltiplicando l'inverso di k da 10 a causa del ciclo di incubazione di 10 giorni.

Risultati

Il metodo SFI è stato usato come descritto in questo documento in una serie di esperimenti condotti nel sud degli Stati Uniti ^24,25,26,27. Insieme, questi esperimenti comprendevano una varietà di tipi di vegetazione, tra cui Loblolly pino (Pinus taeda L.), panico verga (Panicum virgatum L.), pioppo (Populus deltoides Bartram ex Marsh.), E soia (Glycine max L. Merr.). Il metodo è stato sensibile a determinare le differenze di LOC e / o pot...

Discussione

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...

Materiali

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