Mikroplot-Design und Pflanzen- und Bodenprobenvorbereitung für 15Stickstoffanalysen
Summary
Ein Mikroplot-Design für 15N Tracer-Forschung wird beschrieben, um mehrere saisonale Pflanzen- und Bodenproben-Ereignisse zu berücksichtigen. Für die 15-N-Analyse werden Boden- 15und Pflanzenprobenentnahme- und -verarbeitungsverfahren, einschließlich Schleif- und Wägeprotokolle, durchgeführt.
Abstract
Viele Stickstoffdüngerstudien bewerten die Gesamtwirkung einer Behandlung auf Messungen am Ende der Saison wie Getreideertrag oder kumulative N-Verluste. Ein stabiler Isotopenansatz ist notwendig, um das Schicksal von Dünger aus Dem N (FDN) durch das Boden-Pflanzen-System zu verfolgen und zu quantifizieren. Der Zweck dieses Papiers besteht darin, ein kleines Forschungsdesign zu beschreiben, das nicht beschränkte 15N angereicherte Mikroplots für mehrere Boden- und Pflanzenprobenereignisse über zwei Vegetationsperioden verwendet, und Probensammlungs-, Handhabungs- und Verarbeitungsprotokolle für insgesamt 15N-Analysen bereitzustellen. Die Methoden wurden mit hilfe einer replizierten Studie aus dem südlichen Zentralen Minnesota auf Mais gepflanzt (Zea mays L.) demonstriert. Jede Behandlung bestand aus sechs Maisreihen (76 cm Reihenabstand) von 15,2 m Länge mit einem Mikroplot (2,4 m x 3,8 m), der an einem Ende eingebettet war. Bei der Pflanzung wurde Harnstoff in Düngemittelqualität bei 135 kg Nha-1 aufgetragen, während der Mikroplot Harnstoff erhielt, der auf 5 Atom % 15N angereichert war. Boden- und Pflanzenproben wurden während der gesamten Vegetationsperiode mehrmals entnommen, wobei darauf geachtet wurde, die Kreuzkontamination durch die Verwendung separater Werkzeuge zu minimieren und während aller Verfahren nicht angereicherte und angereicherte Proben physisch zu trennen. Boden- und Pflanzenproben wurden getrocknet, gemahlen, um durch einen 2 mm Sieb zu gehen, und dann mit einer Walzenglasmühle zu einer mehlartigen Konsistenz gemahlen. Tracer-Studien erfordern zusätzliche Planung, Probenverarbeitungszeit und manuelle Arbeit und verursachen höhere Kosten für 15N angereicherte Materialien und Probenanalyse als herkömmliche N-Studien. Mit dem Massenbilanzansatz ermöglichen Tracer-Studien mit mehreren saisonalen Stichprobenereignissen dem Forscher jedoch, die FDN-Verteilung durch das Boden-Pflanzen-System zu schätzen und nicht für FDN aus dem System ermittelte FDN zu schätzen.
Introduction
Der Einsatz von Düngemittelstickstoff (N) ist in der Landwirtschaft unerlässlich, um den Nahrungsmittel-, Faser-, Futtermittel- und Brennstoffbedarf einer wachsenden Weltbevölkerung zu decken, aber N-Verluste aus landwirtschaftlichen Feldern können sich negativ auf die Umweltqualität auswirken. Da N viele Veränderungen im Boden-Pflanzen-System durchläuft, ist ein besseres Verständnis von N-Zyklus, Erntenutzung und dem Gesamtschicksal von Dünger N notwendig, um Managementpraktiken zu verbessern, die N-Effizienz fördern und Umweltverluste minimieren. Traditionelle N-Düngemittelstudien konzentrieren sich in erster Linie auf die Auswirkungen einer Behandlung auf Messungen am Ende der Saison, wie z. B. Ernteertrag, Ernte N-Aufnahme im Verhältnis zur angewandten N-Rate (scheinbare Düngemittelnutzungseffizienz) und Restboden N. Während diese Studien das Gesamtsystem N Inputs, Outputs und Effizienz quantifizieren, können sie N im Boden-Pflanzen-System, das aus Düngemittelquellen oder dem Boden stammt, nicht identifizieren oder quantifizieren. Ein anderer Ansatz mit stabilen Isotopen muss verwendet werden, um das Schicksal von Dünger aus Dem N (FDN) im Boden-Pflanzen-System zu verfolgen und zu quantifizieren.
Stickstoff hat zwei stabile Isotope, 14N und 15N, die in der Natur mit einem relativ konstanten Verhältnis von 272:1 für 14N/15N1 auftreten (Konzentration von 0,366 Atom % 15N oder 3600 ppm 15N2,3). Die Zugabe von 15N angereichertem Dünger erhöht den Gesamtgehalt des Bodensystems um 15N. Da 15N angereicherter Dünger mit nicht angereichertem Boden N vermischt, ermöglicht die gemessene Veränderung des Verhältnisses von 14N/15N den Forschern die Rückverfolgung von FDN im Bodenprofil und in die Ernte3,4. Eine Massenbilanz kann berechnet werden, indem die Gesamtmenge von 15N Tracer im System und jedem seiner Teile2gemessen wird. Da 15N angereicherte Düngemittel deutlich teurer sind als herkömmliche Düngemittel, sind oft 15N angereicherte Mikroplots in die Behandlungsflächen eingebettet. Der Zweck dieses Methodenpapiers besteht darin, ein Kleines-Plot-Forschungsdesign zu beschreiben, bei dem Mikroplots für mehrere Boden- und Pflanzenprobenereignisse für Mais(Zea mays L.) verwendet werden, und Protokolle für die Vorbereitung von Pflanzen- und Bodenproben für eine Gesamtanalyse von 15N vorzulegen. Diese Ergebnisse können dann verwendet werden, um die Effizienz des N-Düngemitteleinsatzes zu schätzen und ein teilweises N-Budget für FDN im Schüttgut und in der Ernte zu erstellen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Stabile Isotopenforschung ist ein nützliches Werkzeug zur Verfolgung und Quantifizierung von FDN durch das Boden-Pflanzen-System. Es gibt jedoch drei Hauptannahmen im Zusammenhang mit N Tracer-Studien, die, wenn sie verletzt werden, Schlussfolgerungen aus der Anwendung dieser Methode entkräften können. Sie sind 1) der Tracer ist gleichmäßig über das gesamte System verteilt, 2) Prozesse im Rahmen der Studie treten mit den gleichen Raten auf, und 3) N verlassen den 15N angereicherten Pool gibt nicht<sup cl…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren würdigen die Unterstützung des Minnesota Corn Research & Promotion Council, des Hueg-Harrison Fellowship und des Minnesota es 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 |
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