Microplot Дизайн и завод и почва Пример подготовки к 15анализа азота
Summary
Микрофло дизайн для 15N трассировщик исследований описывается для размещения нескольких в сезон растений и почве выборки событий. Процедуры сбора и обработки образцов почвы и растений, включая протоколы шлифования и взвешивания, для анализа 15N выдвигаются.
Abstract
Многие исследования азотных удобрений оценивают общий эффект лечения от измерений конца сезона, таких как урожайность зерна или кумулятивные потери N. Стабильный изотопный подход необходим для того, чтобы следить и дать количественную оценку судьбы удобрений, полученных N (FDN) через систему почвоу/сельскохозяйственных культур. Цель настоящего документа состоит в том, чтобы описать небольшой участок исследования дизайн с использованием не ограниченных 15N обогащенных микрослой для нескольких почвенных и растительных случаев отбора проб в течение двух вегетационных сезонов и обеспечить сбор образцов, обработка и обработка протоколов для общего 15N анализа. Методы были продемонстрированы с помощью реплицированного исследования из южной части центральной Миннесоты посадили на кукурузу (Зеа майс Л.). Каждая обработка состояла из шести кукурузных рядов (76 см рядового интервала) длиной 15,2 м с микропроплатой (2,4 м на 3,8 м), встроенным на одном конце. Удобрение класса мочевины был применен на 135 кгН’ха-1 при посадке, в то время как микропло получил мочевину обогащенный до 5 атома % 15N. Почва и образцы растений были взяты несколько раз в течение вегетационного периода, заботясь, чтобы свести к минимуму перекрестное загрязнение с помощью отдельных инструментов и физически отделяя необогащенные и обогащенные образцы во время всех процедур. Образцы почвы и растений были высушены, измельчались, чтобы пройти через 2 мм экран, а затем измельчить до мукомольной консистенции с помощью мельницы роликовых банок. Исследования Tracer требуют дополнительного планирования, времени обработки проб и ручного труда, а также влечет за собой более высокие затраты на 15N обогащенных материалов и анализ образцов, чем традиционные исследования N. Однако, используя подход к массовому балансу, исследования трассировщика с несколькими событиями выборки в межсезонье позволяют исследователю оценить распределение FDN через систему почвообнамер и оценить неучтенные FDN из системы.
Introduction
Использование азота удобрений (N) имеет важное значение в сельском хозяйстве для удовлетворения потребностей в продовольствии, клетчатке, кормах и топливе растущего населения мира, однако потери N от сельскохозяйственных полей могут негативно сказаться на качестве окружающей среды. Поскольку N претерпевает много преобразований в системе почвоурожа, лучшее понимание N велосипедов, использования сельскохозяйственных культур, и общая судьба удобрений N необходимы для улучшения методов управления, которые способствуют эффективности использования N и свести к минимуму экологические потери. Традиционные исследования N удобрений в первую очередь сосредоточены на воздействии лечения на конце сезона измерений, таких как урожайность, урожай N поглощения по отношению к N ставка применяется (явное использование удобрений эффективности), и остаточная почва N. Хотя в этих исследованиях можно количественно оценить общие входные данные, результаты и эффективность системы N, они не могут определить и количественно оценить N в системе почвоурожайных культур, полученных из источников удобрений или почвы. Для отслеживания и количественной оценки судьбы удобрений, полученных N (FDN) в системе почвооодержащих культур, необходимо использовать иной подход с использованием стабильных изотопов.
Азот имеет два стабильных изотопа, 14N и 15N, которые происходят в природе при относительно постоянном соотношении 272:1 для 14N/15N1 (концентрация 0,366 атома % 15N или 3600 промилле 15N2,3). Добавление 15N обогащенных удобрений увеличивает общее содержание 15N почвенной системы. Как 15N обогащенных удобрений смеси с необогащенной почвы N, измеренное изменение 14N /15N соотношение позволяет исследователям проследить FDN в профиле почвы и в урожай3,4. Баланс массы может быть рассчитан путем измерения общей суммы 15N трассировщик в системе и каждой из его частей2. Поскольку 15N обогащенных удобрений значительно дороже, чем обычные удобрения, 15N обогащенных микрослой часто встроенных в очистных сооружений. Цель этого метода бумаги заключается в описании мелкого участка исследования дизайн с использованием микрослой для нескольких в сезоне почвы и растений выборки событий для кукурузы (Зеа майс Л.) и представить протоколы для подготовки образцов растений и почвы для общего 15N анализа. Эти результаты могут быть использованы для оценки эффективности использования N удобрений и создания частичного бюджета N учета FDN в объеме почвы и урожая.
Protocol
Representative Results
Discussion
Стабильные исследования изотопов являются полезным инструментом для отслеживания и количественной оценки FDN через систему почвоутводящих культур. Однако существуют три основных предположения, связанные с исследованиями N трассировщика, которые в случае нарушения могут привести к ан…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы признают поддержку Миннесота кукурузы исследований и поощрения Совета, Хьюг-Харрисон стипендий, а также Миннесота Discovery, исследований и Инновации экономики (MnDRIVE) стипендий.
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).
