Metodo elettrostatico per rimuovere il particolato organico dal suolo

Riepilogo

La rimozione di materiale vegetale depositato di recente e incompletamente scomposto dai campioni di suolo riduce l'influenza degli input stagionali temporanei sulle misurazioni del carbonio organico del suolo. L'attrazione per una superficie caricata elettrostaticamente può essere utilizzata per rimuovere rapidamente una notevole quantità di materiale organico di particolato.

Abstract

Le stime del carbonio organico del suolo dipendono dai metodi di lavorazione del suolo, compresa la rimozione di materiale vegetale non composto. Una separazione inadeguata delle radici e del materiale vegetale dal suolo può comportare misurazioni del carbonio altamente variabili. I metodi per rimuovere il materiale vegetale sono spesso limitati ai materiali vegetali più grandi e visibili. In questo manoscritto descriviamo come l'attrazione elettrostatica può essere utilizzata per rimuovere il materiale vegetale da un campione di suolo. Una superficie carica elettrostatica passata vicino al terreno asciutto attrae naturalmente particelle vegetali non decomposte e parzialmente decomposte, insieme a una piccola quantità di terreno minerale e aggregato. Il campione di terreno viene distribuito in uno strato sottile su una superficie piana o un setaccio del terreno. Una piastra di Petri in plastica o vetro viene caricata elettrostaticamente strofinando con schiuma di polistirolo o tessuto di nylon o cotone. Il piatto carico viene passato ripetutamente sul terreno. Il piatto viene quindi spazzolato pulito e ricaricato. La ri-diffusione del terreno e la ripetizione della procedura alla fine si traduce in una diminuzione della resa del particolato. Il processo rimuove circa l'1-5% del campione di suolo e circa da 2 a 3 volte quella proporzione di carbonio organico. Come altri metodi di rimozione del particolato, l'endpoint è arbitrario e non tutte le particelle libere vengono rimosse. Il processo richiede circa 5 minuti e non richiede un processo chimico, così come i metodi di galleggiamento della densità. L'attrazione elettrostatica rimuove costantemente il materiale con una concentrazione C superiore alla media e un rapporto C:N, e gran parte del materiale può essere identificato visivamente come materiale vegetale o faunistico al microscopio.

Introduzione

Stime accurate del carbonio organico del suolo (SOC) sono importanti per valutare i cambiamenti derivanti dalla gestione agricola o dall'ambiente. Il particolato organico (POM) ha importanti funzioni nell'ecologia e nella fisica di un suolo, ma è spesso di breve durata e varia in base a diversi fattori tra cui stagione, condizioni di umidità, aerazione, tecniche di raccolta dei campioni, gestione recente del suolo, ciclo di vita della vegetazione e altri¹. Queste fonti temporaneamente instabili possono confondere le stime delle tendenze a lungo termine in carbonio organico del suolo stabile e veramente sequestrato².

Nonostante sia ben definito, comune e importante, il POM non è facilmente separato dal suolo né è facile da misurare quantitativamente. Il particolato organico è stato misurato come quello che galleggia nei liquidi (frazione leggera, tipicamente 1,4-2,2 g cm^-3), o come quello che può essere separato per dimensione (ad esempio, > 53-250 μm o > 250 μm), o una combinazione dei^{due 3,4,5}. Sia le tecniche basate sulle dimensioni che su densità possono influenzare i risultati quantitativi e chimici della misurazione pom⁴. Un'attenta ispezione visiva del terreno che è stato frazionato di dimensioni utilizzando metodi di routine rivela spesso strutture lunghe e strette come radici e frammenti di foglie o steli che sono passati attraverso lo schermo. La semplice rimozione di queste strutture a mano ha dimostrato di ridurre sostanzialmente le misurazioni del SOC^{totale 2},^{6, ma} il metodo è notevolmente soggetto alla diligenza e all'acuità visiva dell'operatore. La separazione del POM da un campione di terreno come frazione leggera durante la flottazione in un liquido^{denso 7} non cattura tutti i POM e l'eccessivo scuotimento durante il processo di flottazione può effettivamente ridurre la quantità di frazione leggera recuperata da un^{campione 8}. La flottazione richiede molti passaggi ed espone il terreno a soluzioni chimiche che possono cambiare le caratteristiche chimiche o sciogliere e rimuovere i costituenti che possono essere di interesse⁴.

Metodi alternativi per rimuovere il POM sono stati utilizzati per evitare o aumentare l'uso di soluzioni acquose dense. Kirkby, et^al. Winnowing è stato eseguito passando una leggera corrente d'aria attraverso un sottile strato di terreno per sollevare delicatamente la luce dalla frazione pesante. Il setaccio/winnowing a secco si è svolto in modo simile ai due metodi di flottazione per quanto riguarda il contenuto di C, N, P e S; tuttavia, gli autori suggeriscono che il setaccio/winnowing secco produceva terreni "leggermente più puliti"⁶. Pom è stato anche separato dal suolo utilizzando l'attrazione^{elettrostatica 10,11} in cui le particelle organiche sono isolate passando una superficie carica elettrostatica sopra il suolo. Il metodo di attrazione elettrostatica ha recuperato con successo pom, indicato come particelle organiche di corso, da terreni essiccati setacciati (> 0,315 mm) con ripetibilità statistica paragonabile ad altri metodi di frazionamento delle dimensioni e della densità¹⁰.

Qui dimostriamo come l'attrazione elettrostatica può essere utilizzata per rimuovere pom di dimensioni che vanno dal visibile al microscopico. A differenza di altri metodi riportati, l'attrazione elettrostatica del terreno fine rimuove anche una piccola porzione di terreno minerale e aggregato che è visibilmente come il suolo rimanente. Alla base dei nostri risultati finora ottenuti, è ragionevole presumere che l'eliminazione di una piccola porzione di suolo non POM non avrà alcun effetto sostanziale sulle analisi a valle; tuttavia, questa ipotesi dovrebbe essere verificata per un terreno specifico se grandi proporzioni del campione totale di suolo vengono rimosse elettrostaticamente. I metodi e gli esempi qui forniti sono stati eseguiti su terreni di loess di loess di limo provenienti da un ambiente semi-arido.

Questo metodo potrebbe non essere adatto a tutti i tipi di terreno, ma ha il vantaggio di essere rapido ed efficiente nel rimuovere il particolato organico troppo piccolo per essere rimosso manualmente o da una corrente d'aria. La velocità del processo è importante per ridurre l'affaticamento, garantire la coerenza e incoraggiare una maggiore replicazione per una migliore accuratezza delle conclusioni. Inoltre, la capacità di rimuovere particelle molto piccole è importante per evitare distorsioni verso terreni con dimensioni di particolato più grandi piuttosto che piccole.

Protocollo

1. Preparazione del suolo

1. Raccogliere campioni di terreno alla profondità desiderata. Asciugare accuratamente il terreno a 40 °C o seguendo protocolli standard specifici del laboratorio.
2. Setacciare il terreno attraverso setacci di terreno di dimensioni appropriate per ottenere circa 10-25 g di terreno setacciato. Molti studi usano un setaccio da 1 o 2 mm. La quantità di terreno si basa sulla massa richiesta per le analisi a valle e avrà un impatto sul numero di volte in cui la fase di rimozione elettrostatica dovrà essere ripetuta.
3. Posizionare il terreno in una padella pulita, asciutta, a fondo piatto o in vetro abbastanza grande da poter distribuire il terreno sottile (almeno 20 cm di diametro). Agitare delicatamente la padella orizzontalmente per distribuire il terreno in modo uniforme in uno strato il più sottile possibile.

2. Caricare una superficie elettrostatica

1. Tenere un bicchiere di 100 mm di diametro o un piano petri in polistirolo in una mano e strofinare vigorosamente la superficie esterna con un pezzo pulito di stoffa di nylon, stoffa di cotone o schiuma di polistirolo più volte. Eseguire la ricarica superficiale lontano dal campione per evitare l'introduzione di frammenti di tessuto nel campione.
2. Ispezionare la superficie della piastra di Petri per assicurarsi che sia pulita.

3. Rimuovere il particolato organico

1. Abbassare la superficie carica entro 0,5 cm a 2 cm sopra il terreno e spostarla orizzontalmente per raccogliere il minor materiale particolato possibile. L'attrazione per la superficie può essere notata visivamente e udibile.
2. Quando la piastra di Petri non attira più particelle aggiuntive, allontanare la piastra dal campione.

4. Pulire la superficie elettrostatica

1. Tenere la superficie carica su una piastra di raccolta e utilizzare un pennello fine per trasferire il materiale elettrostaticamente attratto dalla superficie della piastra di Petri nella piastra di raccolta. Una spazzola per capelli in cammello funziona bene.

5. Ripetere fino a quando la resa del particolato diminuisce

1. Ripetere i passaggi da 2 a 4 fino a quando il numero di particelle di materia organica prelevate diminuisce. Ridistribuire il campione di terreno mediante scuotimento orizzontale della padella del suolo per esporre nuovo materiale in superficie e continuare la raccolta elettrostatica.
   NOTA: L'endpoint è arbitrario e dipende dal giudizio del ricercatore. L'ispezione della superficie carica dopo l'esposizione al suolo fornisce un'indicazione visiva se una quantità significativa di particelle organiche viene ancora rimossa dal suolo. I prodotti finali sono terreni con ridotto contenuto di particolato e POM concentrato contenente una piccola quantità di terreno rimosso elettrostaticamente.

Risultati

I risultati qui presentati si basano sull'analisi dei suoli di limo provenienti da siti agricoli del Pacifico nord-occidentale(tabella 1). I terreni sono stati raccolti a profondità di 0-20 cm o 0-30 cm, essiccati a 40 °C, passati attraverso un setaccio di 2 mm e trattati utilizzando una superficie in polistirolo carica di un panno di nylon.

La quantità di terreno rimossa elettrostaticamente da un campione va...

Discussione

Il metodo di attrazione elettrostatica è stato efficace nel rimuovere il POM dai terreni del temo del limo. Il metodo qui descritto è leggermente diverso da Kaiser, et^al. Abbiamo trattato tutti tranne la migliore frazione di terreno e abbiamo usato polistirolo piuttosto che vetro a causa della differenza triboelettrica, che per polistirolo / nylon è 100 nC / J rispetto al vetro / cotone a 20 nC / J¹². Vetro e schiuma di polistirolo si sono dimostrati efficaci e convenien...

Materiali

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