15窒素分析のためのマイクロプロット設計と植物および土壌サンプル調製
Summary
15Nトレーサー研究のためのマイクロプロット設計は、複数の季節内の植物および土壌サンプリングイベントに対応するために記述されています。15N分析のための粉砕および計量の議定書を含む土および植物のサンプルの収集および処理のプロシージャは出される。
Abstract
多くの窒素肥料研究は、穀物収量や累積N損失などの季節末の測定に対する治療の全体的な効果を評価します。土壌作物システムを通じて肥料由来N(FDN)の運命に従い、定量化するためには、安定した同位体のアプローチが必要です。本稿の目的は、2つの成長期にわたる複数の土壌および植物サンプリングイベントに対して、非閉じ込めの15N濃縮マイクロプロットを利用した小さなプロット研究設計を説明し、合計15N分析のためのサンプル収集、取り扱い、および処理プロトコルを提供することである。この方法は、ミネソタ州南中部からトウモロコシに植えられた複製研究(Zea mays L.)を用いて実証された。各処理は、15.2 mの6つのトウモロコシ列(76 cmの行間隔)で構成され、一方の端にマイクロプロット(2.4 m x 3.8 m)が埋め込まれています。肥料グレードの尿素は植え付け時に135kgのN∙ha-1で塗布され、尿素を受けたマイクロプロットは5原子%15N.に富んだ尿素を受け取り、土壌および植物サンプルを栽培期を通じて数回採取し、別々の工具を使用して交差汚染を最小限に抑え、すべての手順で濃縮された不富分化したサンプルを物理的に分離することに注意を払いました。土壌および植物サンプルを乾燥させ、粉砕して2mmスクリーンを通過し、ローラージャーミルを使用して小麦粉のような一貫性に粉砕した。トレーサの研究では、追加の計画、サンプル処理時間、手作業が必要であり、従来のN研究よりも15N濃縮材料とサンプル分析に高いコストがかかります。しかし、質量バランスアプローチを使用して、複数の季節サンプリングイベントを使用したトレーサー研究により、研究者は土壌作物システムを通じてFDN分布を推定し、システムから未確認のFDNを推定することができます。
Introduction
肥料窒素(N)の使用は、世界人口の増加に対する食料、繊維、飼料、燃料需要を満たすために農業に不可欠ですが、農業分野からのN損失は環境品質に悪影響を及ぼす可能性があります。Nは土壌作物システムにおいて多くの変化を遂げるため、Nの使用効率を促進し、環境損失を最小限に抑える管理慣行を改善するために、Nサイクリング、作物利用、肥料Nの全体的な運命をよりよく理解することが必要です。従来のN肥料研究は、主に収穫収量、N率に対する作物Nの取り込み(明らかな肥料の使用効率)、および残留土壌Nなどの季節の終わりの測定に対する治療の効果に焦点を当てています。これらの研究は、全体のシステムNの入力、出力、および効率を定量化するが、肥料源または土壌に由来する土壌作物系でNを同定したり定量化したりすることはできません。安定同位体を用いた別のアプローチは、土壌作物系における肥料由来N(FDN)の運命を追跡し、定量化するために使用されなければならない。
窒素は、14 N/15N1(0.366原子%15 N1または3600ppm15 15N2、3)の比較的一定の比で自然界に発生する2つの安定同位体315、14Nおよび15Nを有する。 1415Nの富化肥料の添加は土システムの合計15Nの含量を増加させる。15Nの富化肥料が富化土壌Nと混合するので、14N/15N比の測定された変化は、研究者が土壌プロファイル内および作物33、44にFDNを追跡することを可能にする。質量バランスは、システムとその各部品2の15Nトレーサの合計量を測定することによって計算することができます。15Nの濃縮肥料は従来の肥料よりもかなり高価であるため、15N濃縮されたマイクロプロットはしばしば治療プロットに埋め込まれています。この方法論文の目的は、トウモロコシ(Zea mays L.)の複数の季節内土壌および植物サンプリングイベントのマイクロプロットを利用した小さなプロットの研究設計を記述し、合計15N分析のために植物および土壌サンプルを調製するためのプロトコルを提示することである。これらの結果は、N肥料の使用効率を推定し、バルク土壌と作物のFDNの部分的なN予算会計を作成するために使用することができます。
Protocol
Representative Results
Discussion
安定同位体研究は、土壌作物システムを介してFDNを追跡し、定量化するための有用なツールです。しかし、Nトレーサー研究に関連する3つの主な仮定があり、違反した場合、この方法論を使用して得られた結論を無効にする可能性があります。それらは1)トレーサーがシステム全体に均一に分布し、2)研究の下でのプロセスは同じ速度で起こり、3)Nは15N濃縮されたプールを残して<sup cla…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者らは、ミネソタ・コーン・リサーチ・アンド・プロモーション・カウンシル、ヒューグ・ハリソン・フェローシップ、ミネソタ州のディスカバリー・リサーチ・アンド・イノヴィズ・エコノミー(MnDRIVE)フェローシップの支援を認めている。
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).
