Microplot Ontwerp en Plant en Bodem Monster Voorbereiding voor 15Stikstof Analyse
Summary
Een microplot ontwerp voor 15N tracer onderzoek wordt beschreven om meerdere in-season plant en bodem bemonstering gebeurtenissen tegemoet te komen. Voor de analyse van 15 N worden bodem- en verwerkingsprocedures voor monsters, met inbegrip van slijp- en weegprotocollen, voor 15N-analyse naar voren gebracht.
Abstract
Veel stikstof meststof studies evalueren het totale effect van een behandeling op end-of-season metingen, zoals graan opbrengst of cumulatieve N verliezen. Een stabiele isotopenbenadering is noodzakelijk om het lot van kunstmest afkomstig N (FDN) via het bodemgewassysteem te volgen en te kwantificeren. Het doel van dit document is om een klein onderzoek ontwerp gebruik te maken van niet-beperkte 15N verrijkte microplots voor meerdere bodem en planten bemonstering gebeurtenissen over twee groeiseizoenen te beschrijven en monster verzameling, behandeling en verwerking protocollen voor totaal 15N analyse. De methoden werden aangetoond met behulp van een gerepliceerde studie van zuid-centraal Minnesota geplant om maïs(Zea mays L.). Elke behandeling bestond uit zes maïsrijen (76 cm rijafstand) van 15,2 m lang met een microplot (2,4 bij 3,8 m) aan één uiteinde. Ureum van kunstmestkwaliteit werd bij het planten toegepast op 135 kgN·ha -1, terwijl de microplot ureum kreeg verrijkt tot 5 atoom % 15N. Tijdens het groeiseizoen werden meerdere malen bodem- en plantenmonsters genomen, waarbij ervoor werd gezorgd dat kruisbesmetting wordt geminimaliseerd door gebruik te maken van afzonderlijke gereedschappen en tijdens alle procedures niet-verrijkte en verrijkte monsters fysiek worden gescheiden. Bodem- en plantenmonsters werden gedroogd, gemalen om door een 2 mm scherm te gaan en vervolgens met behulp van een rolpotmolen tot een bloemachtige consistentie te vermalen. Tracer studies vereisen extra planning, monster verwerkingstijd en handenarbeid, en maken hogere kosten voor 15N verrijkte materialen en monsteranalyse dan traditionele N-studies. Echter, met behulp van de massa balans aanpak, tracer studies met meerdere in-season sampling gebeurtenissen kunnen de onderzoeker om FDN verdeling te schatten via de bodem-gewas systeem en schatten onverklaarbare FDN uit het systeem.
Introduction
Kunstmest stikstof (N) gebruik is essentieel in de landbouw om te voldoen aan de voedsel-, vezel-, diervoeders en brandstof eisen van een groeiende wereldbevolking, maar N verliezen van agrarische velden kan een negatieve invloed hebben op de kwaliteit van het milieu. Omdat N ondergaat vele transformaties in de bodem-gewas systeem, een beter begrip van N fietsen, gewas gebruik, en het algemene lot van kunstmest N zijn noodzakelijk om het beheer praktijken die N gebruik efficiëntie te bevorderen en te minimaliseren milieuverliezen te verbeteren. Traditionele N kunstmeststudies richten zich voornamelijk op het effect van een behandeling op eindseizoenmetingen zoals gewasopbrengst, gewas N opname ten opzichte van de toegepaste N-snelheid (schijnbare efficiëntie van het gebruik van meststoffen) en restgrond N. Hoewel deze studies het totale systeem N-inputs, -outputs en efficiëntieverbeteringen kwantificeren, kunnen zij N niet identificeren of kwantificeren in het bodemgewassysteem dat is afgeleid van kunstmestbronnen of de bodem. Een andere aanpak met behulp van stabiele isotopen moet worden gebruikt om het lot van kunstmest afgeleide N (FDN) in het bodemgewassysteem op te sporen en te kwantificeren.
Stikstof heeft twee stabiele isotopen, 14N en 15N, die in de natuur voorkomen met een relatief constante verhouding van 272:1 voor 14N/15N1 (concentratie van 0,366 atoom % 15N of 3600 ppm 15N2,3). De toevoeging van 15N verrijkte meststof verhoogt het totale 15N-gehalte van het bodemsysteem. Aangezien 15N verrijkte meststof mengt met niet-verrijkte bodem N, de gemeten verandering van 14N /15N verhouding kunnen onderzoekers FDN traceren in het bodemprofiel en in het gewas3,4. Een massabalans kan worden berekend door het totale bedrag van 15N-tracer in het systeem en elk van zijn onderdelen2te meten. Omdat 15N verrijkte meststoffen aanzienlijk duurder zijn dan conventionele meststoffen, worden 15N verrijkte microplots vaak ingebed in de zuiveringspercelen. Het doel van deze methoden papier is om een kleine plot onderzoeksontwerp met behulp van microplots voor meerdere in-season bodem en plant bemonstering gebeurtenissen voor maïs (Zea mays L.) te beschrijven en protocollen voor de voorbereiding van plant en bodemmonsters voor totaal 15N-analyse te beschrijven. Deze resultaten kunnen vervolgens worden gebruikt om de efficiëntie van het gebruik van N-meststoffen te schatten en een gedeeltelijke N-begroting te creëren die fdn in de bulkgrond en het gewas verantwoordt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Stabiel isotopenonderzoek is een nuttig instrument voor het volgen en kwantificeren van FDN via het bodemgewassysteem. Er zijn echter drie belangrijke veronderstellingen in verband met N tracer studies die, indien geschonden conclusies uit het gebruik van deze methode ongeldig kan maken. Ze zijn 1) de tracer is uniform verdeeld over het systeem, 2) processen in het kader van de studie optreden op dezelfde tarieven, en 3) N het verlaten van de 15N verrijkte pool keert niet terug3. Omdat …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs erkennen de steun van de Minnesota Corn Research & Promotion Council, de Hueg-Harrison Fellowship, en de 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 |
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).
