A comparison of two methods for the isolation of free and occluded particulate organic matter

Abstract

Various methods exist for the isolation of particulate organic matter (POM), one of the soil-organic-matter (SOM) fractions reacting most sensitive on land-use or soil-management changes. A combination of density separation and ultrasonic treatment allows to isolate two types of POM: (1) free POM and (2) POM occluded in soil aggregates. POM fractions are closely linked to their biochemical function for the formation and stabilization of aggregates, therefore methods using different aggregate sizes may result in different POM fractions isolated. We evaluated two physical fractionation procedures to reveal whether they yield different POM fractions with respect to amount and composition, using grassland and arable soils with sandy-loam to sandy–clay-loam texture and thus low macroaggregate stability. Method I used air-dried aggregates of <2.0 mm size and a low-energy sonication for aggregate disruption, method II used field-moist aggregates <6.3 mm and a high-energy–sonication procedure for aggregate disruption. POM fractions were analyzed by elemental analysis (C, N) and CPMAS 13C-NMR spectroscopy. With both methods, about similar proportions of the SOM are isolated as free or occluded POM, respectively. The free- and occluded-POM fractions obtained with method I are also rather similar in C and N concentration and composition as shown by 13C-NMR spectroscopy. Method II isolates a free- and occluded-POM fraction with significantly different C and N concentrations. NMR spectra revealed significant differences in the chemical composition of both fractions from method II, with the occluded POM having lower amounts of O-alkyl C and higher amounts of aryl C and alkyl C than the free POM. Due to the use of larger, field-moist aggregates with minimized sample pretreatment, two distinctly different POM fractions are isolated with method II, likely to be more closely linked to their biochemical function for the formation and stabilization of aggregates. High-energy sonication as in method II also disrupts small microaggregates <63 µm and releases fine intraaggregate POM. This fraction seems to be a significant component of occluded POM, that allows a differentiation between free and occluded POM in sandy soils with significant microaggregation. It can be concluded, that microaggregation in arable soils with sandy texture is responsible for the storage of a more degraded occluded POM, that conversely supports the stabilization of fine microaggregates. Ein Vergleich zweier Methoden zur Isolierung von freier und okkludierter partikularer organischer Substanz Partikulares organisches Material (POM) wird im Hinblick auf die Landnutzung als sensitive Fraktion der organischen Bodensubstanz (SOM) angesehen, aber die unterschiedlichen Methoden seiner Isolierung erschweren den Vergleich zwischen verschiedenen Studien. Wir haben zwei physikalische Fraktionierungsmethoden ausgewertet, um zu zeigen, ob sie im Hinblick auf Menge und Zusammensetzung zu unterschiedlichen POM-Fraktionen fuhren. Hierfur wurden Proben von Grunland- und Ackerboden verwendet. Fur Methode I wurden luftgetrocknete Aggregate der Grose <2 mm verwendet, zu deren Zerstorung eine Ultraschallbehandlung mit geringem Energieeintrag eingesetzt wurde. Fur Methode II wurden feldfeuchte Aggregate der Grose <6.3 mm und eine Ultraschallbehandlung mit vergleichsweise hoher Energie zur Aggregatzerstorung herangezogen. Mit beiden Methoden konnten zwei POM-Gruppen gewonnen werden: (1) freies POM und (2) in Bodenaggregaten eingeschlossenes POM. Die POM-Fraktionen wurden mittels Elementanalyse (C, N) und CPMAS-13C-NMR–Spektroskopie untersucht. Methode I zeigte im Hinblick auf Menge und Zusammensetzung nur sehr geringe Unterschiede zwischen freien und okkludierten POM-Fraktionen. Methode II isolierte freie und okkludierte POM-Fraktionen mit signifikant unterschiedlichen C- und N-Konzentrationen. Auch die NMR-Spektren zeigten Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung der mit Methode II gewonnenen Fraktionen, die sich in signifikant geringeren O-Alkyl-C-Gehalten bei hoheren Aryl-C- und Alkyl-C-Gehalten des okkludierten POM nachweisen liesen. Die Verwendung von groseren, feldfeuchten Aggregaten und die Minimierung der Probenvorbehandlung fuhrt zu einer besseren Differenzierung beider POM-Fraktionen, die wahrscheinlich ihre biologische Funktion besser widerspiegelt. Zusatzlich fuhrt eine Ultraschall-Behandlung mit hohem Energieeintrag zur Zerstorung von kleinen Mikroaggregaten <63 µm und damit zur Freisetzung von feinem Intraaggregat-POM. Diese Fraktion scheint in sandigen Boden mit niedriger Makroaggregat-Stabilitat aussagekraftiger zwischen freier und okkludierter POM unterscheiden zu konnen. Folglich ist eine an das Bodenmaterial angepasste Probenvorbehandlung und Fraktionierungsmethode entscheidend, um eine prazise Charakterisierung der POM-Fraktionen zu gewahrleisten.