Mikroplot Design och växt-och jordprov beredning för 15kväveanalys
Summary
En mikroplot design för 15N spårämne forskning beskrivs för att rymma flera i säsong växt och jord provtagning händelser. Insamlings- och bearbetningsförfaranden för jord- och växtprov, inklusive slip- och vägningsprotokoll, för 15N-analys läggs fram.
Abstract
Många studier av kvävegödselmedel utvärderar den totala effekten av en behandling på mätningar i slutet av säsongen såsom spannmålsavkastning eller kumulativa N-förluster. En stabil isotopmetod är nödvändig för att följa och kvantifiera ödet för gödselmedel som härrör N (FDN) genom jordgrödningssystemet. Syftet med detta dokument är att beskriva en liten tomt forskning design utnyttja icke-begränsade 15N berikade mikroploter för flera jord och växt provtagning händelser under två växtsäsonger och ge prov insamling, hantering och bearbetning protokoll för totalt 15N analys. Metoderna visades med hjälp av en replikerad studie från sydcentrala Minnesota planteras till majs (Zea mays L.). Varje behandling bestod av sex majsrader (76 cm radavstånd) 15,2 m långa med en mikroplot (2,4 m med 3,8 m) inbäddade i ena änden. Urea av gödselmedel av gödningsmedel tillämpades på 135 kg N∙ha-1 vid plantering, medan mikroploten fick urea berikad till 5 atom % 15N. Jord- och växtprover togs flera gånger under hela växtsäsongen, var noga med att minimera korskontaminering genom att använda separata verktyg och fysiskt separera oberikade och berikade prover under alla förfaranden. Jord och växt prover torkades, marken för att passera genom en 2 mm skärm, och sedan marken till en mjöl-liknande konsistens med hjälp av en rulle burk kvarn. Tracer studier kräver ytterligare planering, prov bearbetningstid och manuellt arbete, och medför högre kostnader för 15N berikade material och provanalys än traditionella N studier. Med hjälp av massbalansmetoden gör dock spårämnesstudier med flera provtagningshändelser under säsong möjligt för forskaren att uppskatta FDN-fördelningen genom markgrödsystemet och uppskatta oerknad för FDN från systemet.
Introduction
Gödselmedel kväve (N) användning är viktigt i jordbruket för att möta livsmedel, fiber, foder och bränsle krav på en växande global befolkning, men N förluster från jordbruksområden kan negativt påverka miljökvaliteten. Eftersom N genomgår många omvandlingar i marken-gröda systemet, en bättre förståelse av N cykling, gröda utnyttjande, och den totala öde gödsel N är nödvändiga för att förbättra förvaltningsmetoder som främjar N användningseffektivitet och minimera miljöförluster. Traditionella N gödselmedel studier fokuserar främst på effekten av en behandling på slutet av säsongen mätningar såsom skörd, gröda N upptag i förhållande till N-takt tillämpas (uppenbara gödselmedel användningseffektivitet), och resterande jord N. Även om dessa studier kvantifierar det övergripande systemet N-insatsvaror, produktioner och effektivitetsvinster, kan de inte identifiera eller kvantifiera N i jordgrödsystemet som härrör från gödselkällor eller jorden. En annan metod med hjälp av stabila isotoper måste användas för att spåra och kvantifiera ödet för gödselmedel som härrör från N (FDN) i jordgrödningssystemet.
Kväve har två stabila isotoper, 14N och 15N, som förekommer i naturen vid ett relativt konstant förhållande på 272:1 för 14N/15N1 (koncentration av 0,366 atom % 15N eller 3600 ppm 15N2,,3). Tillsatsen av 15N berikade gödselmedel ökar den totala 15N-halten i marksystemet. Som 15N berikade gödselmedel blandas med oförtjänt jord N, den uppmätta förändringen av 14N /15N förhållandet tillåter forskare att spåra FDN i jordprofilen och in i grödan3,4. En massbalans kan beräknas genom att mäta den totala mängden 15N spårämne i systemet och var och en av dess delar2. Eftersom 15N berikade gödselmedel är betydligt dyrare än konventionella gödselmedel, 15N berikade mikroplots är ofta inbäddade i behandling tomter. Syftet med denna metod papper är att beskriva en liten tomt forskning design utnyttja mikroplots för flera under säsongen jord och växt provtagning händelser förmajs (Zea mays L.) och att presentera protokoll för att förbereda växt-och jordprover för totalt 15N analys. Dessa resultat kan sedan användas för att uppskatta N gödselmedel användningseffektivitet och skapa en partiell N budget redovisning för FDN i bulk jord och grödan.
Protocol
Representative Results
Discussion
Stabil isotopforskning är ett användbart verktyg för att spåra och kvantifiera FDN genom jordgrödningssystemet. Det finns dock tre huvudsakliga antaganden i samband med N tracer studier som om kränks kan ogiltigförklara slutsatser från att använda denna metod. De är 1) spårämnet är jämnt fördelat i hela systemet, 2) processer enligt studien sker i samma takt, och 3) N lämnar 15N berikad pool inte tillbaka3. Eftersom denna studie är intresserad av fördelningen av den to…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna erkänner stöd från Minnesota Corn Research & Promotion Council, Hueg-Harrison Fellowship, och Minnesota’s Discovery, Research and InnoVation Economy (MnDRIVE) Fellowship.
Materials
| 20 mL scintillation vial | ANY; Fisher Scientific is one example | 0334172C | |
| 250 mL borosilicate glass bottle | QORPAK | 264047 | |
| 48-well plate | EA Consumables | E2063 | |
| 96-well plate | EA Consumables | E2079 | |
| Cloth parts bag (30×50 cm) | ANY | NA | For corn ears |
| CO2 Backpack Sprayer | ANY; Bellspray Inc is one example | Model T | |
| Coin envelop (6.4×10.8 cm) | ANY; ULINE is one example | S-6285 | For 2-mm ground plant samples |
| Corn chipper | ANY; DR Chipper Shredder is one example | SKU:CS23030BMN0 | For chipping corn biomass |
| Corn seed | ANY | NA | Hybrid appropriate to the region |
| Disposable shoe cover | ANY; Boardwalk is one example | BWK00031L | |
| Ethanol 200 Proof | ANY; Decon Laboratories Inc. is one example | 2701TP | |
| Fabric bags with drawstring (90×60 cm) | ANY | NA | For plant sample collection |
| Fertilizer Urea (46-0-0) | ANY | NA | ~0.366 atom % 15N |
| Hand rake | ANY; Fastenal Company is one example | 5098-63-107 | |
| Hand sickle | ANY; Home Depot is one example | NJP150 | For plant sample collection |
| Hand-held soil probe | ANY; AMS is one example | 401.01 | |
| Hydraulic soil probe | ANY; Giddings is one example | GSPS | |
| Hydrochloric acid, 12N | Ricca Chemical | R37800001A | |
| Jar mill | ANY; Cole-Parmer is one example | SI-04172-50 | |
| Laboratory Mill | Perten | 3610 | For grinding grain |
| Microbalance accurate to four decimal places | ANY; Mettler Toledo is one example | XPR2 | |
| N95 Particulate Filtering Facepiece Respirator | ANY, ULINE is one example | S-9632 | |
| Neoprene or butyl rubber gloves | ANY | NA | For working in HCl acid bath |
| Paper hardware bags (13.3×8.7×27.8 cm) | ANY; ULINE is one example | S-8530 | For soil samples and corn grain |
| Plant grinder | ANY; Thomas Wiley Model 4 Mill is one example | 1188Y47-TS | For grinding chipped corn biomass to 2-mm particles |
| Plastic tags | ULINE | S-5544Y-PW | For labeling fabric bags and microplot stalk bundles |
| Sodium hydroxide pellets, ACS | Spectrum Chemical | SPCM-S1295-07 | |
| Soil grinder | ANY; AGVISE stainless steel grinder with motor is one example | NA | For grinding soil to pass through a 2-mm sieve |
| Tin capsule 5×9 mm | Costech Analytical Technologies Inc. | 041061 | |
| Tin capsule 9×10 mm | Costech Analytical Technologies Inc. | 041073 | |
| Urea (46-0-0) | MilliporeSigma | 490970 | 10 atom % 15N |
Referências
- Sharp, Z. . Principles of Stable Isotope Geochemistry. , (2017).
- Van Cleemput, O., Zapata, F., Vanlauwe, B. Guidelines on Nitrogen Management in Agricultural Systems. Guidelines on Nitrogen Management in Agricultural Systems. 29 (29), 19 (2008).
- Hauck, R. D., Meisinger, J. J., Mulvaney, R. L. Practical considerations in the use of nitrogen tracers in agricultural and environmental research. Methods of Soil Analysis: Part 2-Microbiological and Biochemical Properties. , 907-950 (1994).
- Bedard-Haughn, A., Van Groenigen, J. W., Van Kessel, C. Tracing 15N through landscapes: Potential uses and precautions. Journal of Hydrology. 272 (1-4), 175-190 (2003).
- Peterson, R. G. . Agricultural Field Experiments: Design and Analysis. , (1994).
- Follett, R. F. Innovative 15N microplot research techniques to study nitrogen use efficiency under different ecosystems. Communications in Soil Science and Plant Analysis. 32 (7/8), 951-979 (2001).
- Russelle, M. P., Deibert, E. J., Hauck, R. D., Stevanovic, M., Olson, R. A. Effects of water and nitrogen management on yield and 15N-depleted fertilizer use efficiency of irrigated corn. Soil Science Society of America Journal. 45 (3), 553-558 (1981).
- Schindler, F. V., Knighton, R. E. Fate of Fertilizer Nitrogen Applied to Corn as Estimated by the Isotopic and Difference Methods. Soil Science Society of America Journal. 63, 1734 (1999).
- Stevens, W. B., Hoeft, R. G., Mulvaney, R. L. Fate of Nitrogen-15 in a Long-Term Nitrogen Rate Study. Agronomy Journal. 97 (4), 1037 (2005).
- Recous, S., Fresneau, C., Faurie, G., Mary, B. The fate of labelled 15N urea and ammonium nitrate applied to a winter wheat crop. Plant and Soil. 112 (2), 205-214 (1988).
- Abendroth, L. J., Elmore, R. W., Boyer, M. J., Marlay, S. K. . Corn Growth and Development. , (2011).
- Gomez, K. A., Gomez, A. A. . Statistical Procedures for Agricultural Research. , (1984).
- Khan, S. A., Mulvaney, R. L., Brooks, P. D. Diffusion Methods for Automated Nitrogen-15 Analysis using Acidified Disks. Soil Science Society of America Journal. 62 (2), 406 (1998).
- Horneck, D. A., Miller, R. O. Determination of Total Nitrogen in Plant Tissue. Handbook of Reference Methods for Plant Analysis. , 75-84 (1998).
- . Carbon (13C) and Nitrogen (15N) Analysis of Solids by EA-IRMS Available from: https://stableisotopefacility.ucdavis.edu/13cand15n.html (2019)
- Stevens, W. B., Hoeft, R. G., Mulvaney, R. L. Fate of Nitrogen-15 in a Long-Term Nitrogen Rate Study: II. Nitrogen Uptake Efficiency. Agronomy Journal. 97 (4), 1046 (2005).
- . Fertilizing Corn in Minnesota Available from: https://extension.umn.edu/crop-specific-needs/fertilizing-corn-minnesota (2018)
- Blake, G. R., Hartge, K. H. Bulk Density. Methods of Soil Analysis: Part 1 Physical and Mineralogical Methods. , 363-375 (1986).
- Jokela, W. E., Randall, G. W. Fate of Fertilizer Nitrogen as Affected by Time and Rate of Application on Corn. Soil Science Society of America Journal. 61 (6), 1695 (2010).
- Hart, S. C., Stark, J. M., Davidson, E. A., Firestone, M. K. Nitrogen Mineralization, Immobilization, and Nitrification. Methods of Soil Analysis, Part 2. Microbiological and Biochemical Properties. (5), 985-1018 (1994).
- Olson, R. V. Fate of tagged nitrogen fertilizer applied to irrigated corn. Soil Science Society of America Journal. 44 (3), 514-517 (1980).
- Follett, R. F., Porter, L. K., Halvorson, A. D. Border Effects on Nitrogen-15 Fertilized Winter Wheat Microplots Grown in the Great Plains. Agronomy Journal. 83 (3), 608-612 (1991).
- Balabane, M., Balesdent, J. Input of fertilizer-derived labelled n to soil organic matter during a growing season of maize in the field. Soil Biology and Biochemistry. 24 (2), 89-96 (1992).
- Recous, S., Machet, J. M., Mary, B. The partitioning of fertilizer-N between soil and crop: Comparison of ammonium and nitrate applications. Plant and Soil. 144 (1), 101-111 (1992).
- Bigeriego, M., Hauck, R. D., Olson, R. A. Uptake, Translocation and Utilization of 15N-Depleted Fertilizer in Irrigated Corn. Soil Science Society of America Journal. 43 (3), 528 (1979).
- Glendining, M. J., Poulton, P. R., Powlson, D. S., Jenkinson, D. S. Fate of15N-labelled fertilizer applied to spring barley grown on soils of contrasting nutrient status. Plant and Soil. 195 (1), 83-98 (1997).
- Khanif, Y. M., Cleemput, O., Baert, L. Field study of the fate of labelled fertilizer nitrate applied to barley and maize in sandy soils. Fertilizer Research. 5 (3), 289-294 (1984).
