تصميم Microplot وإعداد عينات النباتات والتربة لتحليل النيتروجين 15
Summary
ويرد وصف لتصميم microplot لأبحاث التتبع 15N لاستيعاب عدة أحداث في الموسم عينات النباتات والتربة. وتُطرح إجراءات جمع عينات التربة والنبات ومعالجتها، بما في ذلك بروتوكولات الطحن ووزنها، لتحليل 15ن.
Abstract
العديد من دراسات الأسمدة النيتروجينية تقييم الأثر العام للعلاج على قياسات نهاية الموسم مثل الغلة الحبوب أو الخسائر N التراكمي. ومن الضروري اتباع نهج النظائر المستقرة لمتابعة وتحديد مصير الأسمدة المشتقة من N (FDN) من خلال نظام محاصيل التربة. الغرض من هذه الورقة هو وصف تصميم البحث قطعة صغيرة باستخدام غير محصورة 15N microplots المخصب للتربة متعددة والأحداث أخذ العينات النباتية على مدى موسمين من النمو وتوفير جمع العينات ، والمناولة ، ومعالجة البروتوكولات لتحليل مجموع 15N. وقد أظهرت هذه الأساليب باستخدام دراسة مماثلة من جنوب وسط مينيسوتا زرعت إلى الذرة(زيا مايز L.). وتألفت كل معالجة من ستة صفوف من الذرة (76 سم تباعد في الصفوف) طولها 15.2 متر مع ميكروكوبلوت (2.4 متر في 3.8 م) مدمجة في نهاية واحدة. وقد طبقت مادة اليوريا من فئة الأسمدة في 135 كغ من وزنN•ha-1 عند الزراعة، بينما تلقت البورمتر الدقيق اليوريا المخصبة إلى 5 ذرة % 15ن. أخذت عينات التربة والنباتات عدة مرات طوال موسم الزراعة، مع الحرص على تقليل التلوث المتبادل باستخدام أدوات منفصلة وفصل العينات غير المخصبة أو المادية خلال جميع الإجراءات. تم تجفيف عينات التربة والنباتات ، والأرض لتمرير من خلال شاشة 2 ملم ، ومن ثم الأرض إلى الاتساق مثل الدقيق باستخدام طاحونة جرة الأسطوانة. تتطلب دراسات التتبع تخطيطًا إضافيًا ووقت معالجة العينات والعمل اليدوي ، وتحمل تكاليف أعلى لـ 15مادة غنية N وتحليل العينات من الدراسات N التقليدية. ومع ذلك، وباستخدام نهج التوازن الجماعي، تسمح دراسات التتبع التي أجريت بعدة أحداث لأخذ العينات في الموسم للباحث بتقدير توزيع FDN من خلال نظام محصول التربة وتقدير FDN غير المعروف من النظام.
Introduction
استخدام الأسمدة النيتروجين (N) ضروري في الزراعة لتلبية متطلبات الغذاء والألياف والأعلاف والوقود من سكان العالم المتزايد، ولكن الخسائر ن من الحقول الزراعية يمكن أن تؤثر سلبا على نوعية البيئة. لأن ن يخضع العديد من التحولات في نظام التربة المحاصيل، فهم أفضل للدراجات ن، واستخدام المحاصيل، والمصير العام للمخصبات ن ضرورية لتحسين الممارسات الإدارية التي تعزز ن استخدام الكفاءة وتقليل الخسائر البيئية. تركز دراسات الأسمدة التقليدية N في المقام الأول على تأثير العلاج على قياسات نهاية الموسم مثل غلة المحاصيل، ون امتصاص المحاصيل نسبة إلى معدل N المطبق (كفاءة استخدام الأسمدة الظاهرة)، والتربة المتبقية N. وفي حين أن هذه الدراسات تحدد كمياً مدخلات النظام N الإجمالي، ونواتجه، وكفاءاته، فإنها لا تستطيع تحديد N أو قياسها في نظام محاصيل التربة المستمد من مصادر الأسمدة أو التربة. ويجب استخدام نهج مختلف يستخدم النظائر المستقرة لتتبع وتحديد مصير الأسمدة المشتقة من N (FDN) في نظام محاصيل التربة.
النيتروجين لديه اثنين من النظائر مستقرة، 14N و 15N، التي تحدث في الطبيعة بنسبة ثابتة نسبيا من 272:1 ل14N /15N1 (تركيز 0.366 ذرة ٪ 15N أو 3600 جزء في المليون 15N2،3). إضافة 15N المخصب الأسمدة يزيد من إجمالي 15N المحتوى من نظام التربة. كما 15N المخصب الأسمدة يمزج مع التربة غير المخصب N، تغيير قياس 14N /15N نسبة يسمح للباحثين لتتبع FDN في التربة الشخصية وإلى المحاصيل3،4. ويمكن حساب رصيد الكتلة عن طريق قياس المبلغ الإجمالي لل 15ن التتبع في النظام وكل من أجزائه2. لأن 15N المخصب الأسمدة هي أكثر تكلفة بكثير من الأسمدة التقليدية، 15N المخصب microplots غالبا ما تكون جزءا لا يتجزأ من قطع أراضي العلاج. الغرض من هذه الأساليب ورقة هو وصف تصميم البحوث مؤامرة صغيرة باستخدام microplots لعدة في الموسم التربة والأحداث عينات النباتات للذرة(زيا مايز L.) وتقديم بروتوكولات لإعداد عينات النبات والتربة لمجموع 15ن تحليل. ويمكن عندئذ استخدام هذه النتائج لتقدير كفاءة استخدام الأسمدة N وإنشاء حساب جزئي لموازنة N لـ FDN في التربة السائبة والمحاصيل.
Protocol
Representative Results
Discussion
10 – إن بحوث النظائر المستقرة أداة مفيدة لتتبع وقياس المدى الكمي لـ “المنظومات التي تعمل على استخدام نظم الأراضي” (FDN) من خلال نظام المحاصيل الزراعية. ومع ذلك، هناك ثلاثة افتراضات رئيسية مرتبطة بدراسات التتبع N التي إذا انتهكت قد تبطل الاستنتاجات المستخلصة من استخدام هذه المنهجية. هم 1) يتم تو?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يعترف المؤلفون بدعم مجلس أبحاث وتعزيز الذرة في مينيسوتا، وزمالة هويغ هاريسون، وزمالات اكتشاف مينيسوتا، وأبحاثها واقتصادها (MnDRIVE).
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 |
References
- 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).
