Diseño de microparplots y preparación de muestras de plantas y suelos para 15 análisisde nitrógeno
Summary
Se describe un diseño de microplot para la investigación de trazador de 15N para dar cabida a múltiples eventos de muestreo de plantas y suelos en temporada. Se presentan procedimientos de recolección y procesamiento de muestras de suelos y plantas, incluidos los protocolos de molienda y pesaje, para análisis de 15N.
Abstract
Muchos estudios de fertilizantes nitrogenados evalúan el efecto general de un tratamiento en mediciones de fin de temporada, como el rendimiento del grano o las pérdidas acumuladas de N. Un enfoque de isótopo estable es necesario para seguir y cuantificar el destino de la N derivada de fertilizantes (FDN) a través del sistema de cultivo del suelo. El propósito de este artículo es describir un diseño de investigación de pequeñas parcelas utilizando microtramas enriquecidas de 15N no confinadas para múltiples eventos de muestreo de suelos y plantas durante dos temporadas de cultivo y proporcionar protocolos de recolección, manipulación y procesamiento de muestras para un análisis total de 15N. Los métodos se demostraron utilizando un estudio replicado desde el centro-sur de Minnesota plantado en maíz (Zea mays L.). Cada tratamiento consistió en seis hileras de maíz (76 cm de 15,2 m de largo con una microplot (2,4 m por 3,8 m) incrustada en un extremo. La urea de grado fertilizante se aplicó a 135 kg de no ha-1 en la plantación, mientras que la microtrama recibió urea enriquecida a 5 átomos % 15N. Las muestras de suelo y plantas se tomaron varias veces a lo largo de la temporada de crecimiento, teniendo cuidado de minimizar la contaminación cruzada mediante el uso de herramientas separadas y separando físicamente las muestras no enriquecidas y enriquecidas durante todos los procedimientos. Las muestras de suelo y plantas se secaron, molieron para pasar a través de una pantalla de 2 mm, y luego se molieron a una consistencia similar a la harina utilizando un molino de tarro de rodillos. Los estudios de trazador requieren planificación adicional, tiempo de procesamiento de muestras y mano de obra manual, e incurren en costos más altos para materiales enriquecidos de 15N y análisis de muestras que los estudios N tradicionales. Sin embargo, utilizando el enfoque de balance de masas, los estudios de trazador con múltiples eventos de muestreo en temporada permiten al investigador estimar la distribución de FDN a través del sistema de cultivos de suelo y estimar el FDN no contabilizado del sistema.
Introduction
El uso de nitrógeno fertilizante (N) es esencial en la agricultura para satisfacer las demandas de alimentos, fibra, piensos y combustibles de una creciente población mundial, pero las pérdidas de N de los campos agrícolas pueden afectar negativamente la calidad ambiental. Debido a que N sufre muchas transformaciones en el sistema de cultivo de suelo, una mejor comprensión del ciclo N, la utilización de los cultivos y el destino general del fertilizante N son necesarios para mejorar las prácticas de gestión que promueven la eficiencia del uso de N y minimizan las pérdidas ambientales. Los estudios tradicionales de fertilizantes N se centran principalmente en el efecto de un tratamiento en las mediciones de fin de temporada, como el rendimiento de los cultivos, la absorción de N cultivos en relación con la tasa N aplicada (eficiencia aparente del uso de fertilizantes) y el suelo residual N. Si bien estos estudios cuantifican los insumos, salidas y eficiencias del sistema general N, no pueden identificar ni cuantificar N en el sistema de cultivos del suelo derivado de fuentes de fertilizantes o del suelo. Se debe utilizar un enfoque diferente utilizando isótopos estables para rastrear y cuantificar el destino de la N derivada de fertilizantes (FDN) en el sistema de cultivos del suelo.
El nitrógeno tiene dos isótopos estables, 14N y 15N, que se producen en la naturaleza a una proporción relativamente constante de 272:1 para 14N/15N1 (concentración de 0,366 átomos % 15N o 3600 ppm 15N2,3). La adición de fertilizante enriquecido de 15N aumenta el contenido total de 15N del sistema del suelo. Como 15N enriquecido fertilizante se mezcla con suelo no enriquecido N, el cambio medido de 14N /15N relación permite a los investigadores trazar FDN en el perfil del suelo y en el cultivo3,,4. Un balance de masa se puede calcular midiendo la cantidad total de 15N de trazador en el sistema y cada una de sus partes2. Debido a que los fertilizantes enriquecidos de 15N son significativamente más caros que los fertilizantes convencionales, las microtramas enriquecidas de 15N a menudo se incrustan dentro de las parcelas de tratamiento. El propósito de este documento de métodos es describir un diseño de investigación de pequeña parcela utilizando microtramas para múltiples eventos de muestreo de suelos y plantas en temporada para maíz (Zea mays L.) y presentar protocolos para la preparación de muestras de plantas y suelos para el análisis total de 15N. Estos resultados se pueden utilizar para estimar la eficiencia del uso de fertilizantes N y crear un presupuesto N parcial que tenga en cuenta el FDN en el suelo a granel y el cultivo.
Protocol
Representative Results
Discussion
La investigación estable de isótopos es una herramienta útil para rastrear y cuantificar FDN a través del sistema de cultivos de suelo. Sin embargo, hay tres supuestos principales asociados con los estudios de trazador N que si se violan pueden invalidar las conclusiones extraídas del uso de esta metodología. Son 1) el trazador se distribuye uniformemente por todo el sistema, 2) los procesos bajo el estudio se producen a las mismas tasas, y 3) N dejando el pool enriquecido 15N no devuelve<sup class="xref…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores reconocen el apoyo del Minnesota Corn Research & Promotion Council, la Hueg-Harrison Fellowship y la Minnesota’s Discovery, Research and InnoVation Economy (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).
