Mikroplottedesign og forberedelse af plante- og jordprøver til 15 kvælstofanalyser
Summary
En mikroplot design for 15N sporstof forskning er beskrevet for at imødekomme flere i sæsonen plante-og jord prøvetagning begivenheder. Indsamling og forarbejdning af jordprøver og planteprøver, herunder slibe- og vejeprotokoller, til 15N-analyse frembrings.
Abstract
Mange kvælstofgødning undersøgelser evaluere den samlede effekt af en behandling på slutningen af sæsonen målinger såsom korn udbytte eller kumulative N tab. En stabil isotop tilgang er nødvendig for at følge og kvantificere skæbne gødning afledt N (FDN) gennem jord-afgrøde system. Formålet med dette papir er at beskrive en lille-plot forskning design udnytte ikke-begrænset 15N beriget mikroplots for flere jord og plante prøvetagning begivenheder over to vækstsæsoner og give prøve indsamling, håndtering og forarbejdning protokoller for i alt 15N analyse. Metoderne blev påvist ved hjælp af en replikeret undersøgelse fra syd-centrale Minnesota plantet tilmajs (Zea mays L.). Hver behandling bestod af seks majsrækker (76 cm rækkeafstand) 15,2 m lang med en mikroplot (2,4 m med 3,8 m) indlejret i den ene ende. Gødningsstof blev anvendt ved 135 kg N∙ha-1 ved plantning, mens mikroplotet fik urea beriget til 5 atom % 15N. Jord- og planteprøver blev udtaget flere gange i løbet af vækstsæsonen, idet der blev gjort en indsats for at minimere krydskontaminering ved hjælp af separate værktøjer og fysisk adskille usigede og berigede prøver under alle procedurer. Jord og plante prøver blev tørret, jorden til at passere gennem en 2 mm skærm, og derefter jorden til en mel-lignende konsistens ved hjælp af en rullekrukke mølle. Sporstofundersøgelser kræver yderligere planlægning, prøvebehandlingstid og manuel arbejdskraft og medfører højere omkostninger for 15N-berigede materialer og prøveanalyse end traditionelle N-studier. Ved hjælp af massebalancemetoden gør sporundersøgelser med flere prøvetagningshændelser i sæsonen det imidlertid muligt for forskeren at anslå FDN-fordelingen gennem jordbundsafgrødesystemet og anslå fdn-fdn-status fra systemet.
Introduction
Gødning kvælstof (N) brug er afgørende i landbruget for at opfylde de fødevarer, fiber, foder og brændstof krav fra en voksende global befolkning, men N tab fra landbrugsområder kan have en negativ indvirkning på miljøkvaliteten. Fordi N gennemgår mange transformationer i jord-afgrøde system, en bedre forståelse af N cykling, afgrøde udnyttelse, og den samlede skæbne gødning N er nødvendige for at forbedre forvaltningen praksis, der fremmer N brug effektivitet og minimere miljøtab. Traditionelle N-gødningsundersøgelser fokuserer primært på virkningen af en behandling på sæsonmålinger som f.eks. Mens disse undersøgelser kvantificerer det samlede system N-input, output og effektivitet, kan de ikke identificere eller kvantificere N i jordbundsafgrødesystemet, der stammer fra gødningskilder eller jorden. Der skal anvendes en anden metode ved hjælp af stabile isotoper til at spore og kvantificere skæbnen for gødning afledt N (FDN) i jordbundssystemet.
Nitrogen har to stabile isotoper, 14N og 15N, der forekommer i naturen i et relativt konstant forhold på 272:1 for 14N/15N1 (koncentration på 0,366 atom % 15N eller 3600 ppm 15N2,3). Tilsætningen af 15N beriget gødning øger det samlede 15N-indhold i jordsystemet. Da 15N beriget gødning blandes med ikke-beriget jord N, giver den målte ændring af forholdet 14N/15N forskerne mulighed for at spore FDN i jordprofilen og ind iafgrøden 3,4. En massebalance kan beregnes ved at måle den samlede mængde 15N sporstof i systemet og hver af dets dele2. Fordi 15N beriget gødning er betydeligt dyrere end konventionelle gødning, 15N beriget mikroplots er ofte indlejret i behandlingen parceller. Formålet med dette metodepapir er at beskrive et forskningsdesign til små områder, der anvender mikroplots til flere jord- og planteprøvetagningshændelser formajs (Zea mays L.) og at fremlægge protokoller for forberedelse af plante- og jordprøver til i alt 15N-analyse. Disse resultater kan derefter bruges til at anslå N gødning brug effektivitet og skabe en delvis N budget tegner sig for FDN i bulk jord og afgrøden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Stabil isotopforskning er et nyttigt værktøj til sporing og kvantificering af FDN gennem jordbundssystemet. Der er imidlertid tre hovedantagelser forbundet med N-sporstofundersøgelser, som, hvis de overtrædes, kan gøre konklusioner, der er draget ved hjælp af denne metode, ugyldige. De er 1) sporstof er jævnt fordelt i hele systemet, 2) processer i henhold til undersøgelsen forekommer i samme satser, og 3) N forlader 15N beriget pulje returnererikke 3. Da denne undersøgelse er …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne anerkender støtte fra Minnesota Corn Research & Promotion Rådet, Hueg-Harrison Fellowship, og Minnesota’s Discovery, Forskning og 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 |
Riferimenti
- 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).
