Nährstoffanalyse des Bodens: Stickstoff, Phosphor und Kalium

Bodennährstoffanalysen können durchgeführt werden, um drei wichtige Bodenmakronährstoffe, Stickstoff, Phosphor und Kalium, zu extrahieren und sie mit farbbasierten Reagenzien zu kombinieren, um ihre Konzentration zu bestimmen.

Stickstoff, Phosphor und Kalium sind Hauptbestandteile von Bodendünger. Die Kenntnis ihrer Konzentration in Böden kann Umweltwissenschaftlern Aufschluss über Nährstoffmangel oder -überschuss in Böden geben, die zur Unterstützung der Pflanzenproduktion genutzt werden, und einen allgemeinen Einblick in die grundlegenden biogeochemischen Kreisläufe eines Ökosystems geben.

Die Bodennährstoffanalyse kann mit Chemikalien durchgeführt werden, um den interessierenden Makronährstoff zu binden. Zu Stickstoff oder Phosphor werden Reagenzien zugesetzt, die auf das Vorhandensein des spezifischen Makronährstoffs reagieren und farbige Produkte erzeugen. Die Kaliumkonzentration wird durch die Bildung von Ausfällungen in einer Menge bestimmt, die proportional zur Kaliumkonzentration ist.

Diese Methoden sind einfach, kostengünstig, erfordern nur minimale Ausrüstung und können auf Wunsch vor Ort durchgeführt werden. Dieses Video veranschaulicht die Techniken, die zur Extraktion und Quantifizierung dieser gängigen Bodenmakronährstoffe verwendet werden.

Um mit der Analyse zu beginnen, werden zunächst Makronährstoffe aus gesammelten Bodenproben extrahiert. Stickstoff wird mit Hilfe von Calciumsulfat extrahiert; Phosphor und Kalium werden unter Verwendung der Mehlich-2-Lösung extrahiert, einer Lösung aus Essigsäure, Ammoniumchlorid, Salzsäure, Flusssäure und demineralisiertem Wasser. Gebundene Makronährstoffe, die in Suspension vorliegen, können dann durch Vakuumfiltration von den restlichen festen Bodenbestandteilen getrennt werden.

Sind die Makronährstoffe extrahiert, kann ihre Konzentration bestimmt werden. Bei Stickstoff wird Cadmiummetall verwendet, um Nitrate zu Nitriten zu reduzieren. Dieses Cadmium ist in vorverpackten Kissen enthalten, die dem Bodenfiltrat zugesetzt werden. Die Nitrit-Ionen reagieren mit Sulfanilsäure zu Diazoniumsalz. Diese verbindet sich mit Gentisinsäure und es entsteht eine bernsteinfarbene Lösung.

Bei Phosphor reagiert Natriummolybdat mit dem löslichen reaktiven Phosphat zu einem Phosphomolybdat-Komplex. Diese wird dann durch Ascorbinsäure reduziert, um eine molybdänblaue Farbe zu bilden.

Die Farbintensität beider Lösungen ist proportional zur Nährstoffkonzentration. Farbkomparatorboxen werden für die Analyse von Nitrat und Phosphat verwendet. Die Proben werden mit einer leeren Datei verglichen, und die Farbscheibe wird so lange gedreht, bis beide Anzeigefenster übereinstimmen. Die entsprechende Nährstoffkonzentration in mg/L wird in einem separaten Fenster angezeigt. Die Farbintensität beider Lösungen ist proportional zur Nährstoffkonzentration.

Um Kalium zu quantifizieren, verbinden sich die Ionen aus dem Bodenfiltrat mit Natriumtetraphenylborat zu Kaliumtetraphenylborat, einem weißen Niederschlag. Der Niederschlag bleibt in Suspension, was zu einer Zunahme der Trübung führt.

Ein Kaliummessstab wird verwendet, um die durch den Niederschlag verursachte Trübung zu quantifizieren. Der Ölmessstab wird in die Probe gesteckt und abgesenkt, bis der schwarze Punkt am Ende nicht mehr sichtbar ist. Das Stäbchen ist inkrementell markiert, und Messwerte auf dieser Skala können mit Hilfe einer Umrechnungstabelle in die Kaliumkonzentration umgerechnet werden.

Nachdem wir nun mit den Prinzipien hinter der Extraktion und Quantifizierung von Bodenmakronährstoffen vertraut sind, werfen wir einen Blick darauf, wie die Verfahren im Labor durchgeführt werden.

Sobald die Bodenproben entnommen, korrekt transportiert und gelagert wurden, können sie zur Analyse ins Labor gebracht werden, beginnend mit der Stickstoffextraktion. Schalten Sie zuerst die Waage ein, stellen Sie ein Wägeschiffchen darauf und tarieren Sie.

Mit einem Spatel 10 g getrocknete, gesiebte Bodenprobe abwiegen und in ein beschriftetes 100-ml-Becherglas geben. Wiegen Sie anschließend 0,1 g Calciumsulfat ab und geben Sie es in das Becherglas.

20 mL entionisiertes Wasser mit einem Messzylinder abmessen und in das Becherglas umfüllen. Den Inhalt des Bechers mit einem Rührstab gründlich vermischen. Wiederholen Sie diese Zugabe für jede Bodenprobe der Untersuchung. Befestigen Sie die Proben auf einem Tischschüttler und rühren Sie 1 Minute lang.

Um mit der Extraktion von Phosphor und Kalium aus den Böden zu beginnen, verwenden Sie einen Spatel, um 2 g getrocknete, gesiebte Bodenprobe abzuwiegen und in ein beschriftetes 100-ml-Becherglas zu geben. Mit einem Messzylinder 20 mL Erdextraktionsmittel Mehlich 2 abmessen und in das Becherglas geben. Den Inhalt des Bechers mit einem Rührstab gründlich vermischen. Sichern Sie die Proben auf einem Tischschüttler und rühren Sie 5 Minuten lang. Nach der Extraktion sollten alle drei Nährstoffprobensätze mit einem Isolierkolben und einem B?chner-Trichter vakuumfiltriert werden.

Schalten Sie zuerst den Vakuumstrahl ein und gießen Sie die Bodenextraktlösung langsam in den Trichter. Der Extrakt sollte aus dem Trichter in den Kolben abfließen. Gießen Sie das Filtrat in ein sauberes, beschriftetes 50-ml-Becherglas. Entfernen Sie den Trichter, entsorgen Sie das Filterpapier und spülen Sie den Trichter und den Kolben mit entionisiertem Wasser aus. Trocknen Sie den Trichter und den Kolben mit einem Luftstrahl.

Sind die Nährstoffproben nun gefiltert, kann die Inhaltsanalyse beginnen. Beginnen Sie für jeden Nährstofftest damit, ein Farbbetrachtungsröhrchen mit einem "S" für die Probe zu beschriften. Beschriften Sie eine zweite mit einem "B" für leer.

Spülen Sie beide Farbbetrachtungsröhren gründlich mit entionisiertem Wasser aus und schütteln Sie sie, um das restliche Spülwasser zu entfernen. Geben Sie den Probenextrakt bis zu einer Tiefe von ?? Zoll in das Farbbetrachtungsrohr mit der Bezeichnung "S". Verschließen Sie das Röhrchen mit einem Gummistopfen und schütteln Sie es 3 s lang, dann entsorgen Sie die Lösung.

Geben Sie dann den Probenextrakt in beide Röhrchen, bis der Meniskus mit der 5-ml-Markierung auf den Röhrchen am unteren Rand des matten Bereichs übereinstimmt. Geben Sie den Inhalt eines Stickstoffreagenzkissens in das mit "S" gekennzeichnete Röhrchen. Verschließen Sie die Tube und schütteln Sie sie 1 Minute lang kräftig. Setzen Sie sofort beide Röhrchen in den Komparator ein, wobei sich das Röhrchen "B" im äußeren Loch und das Röhrchen "S" auf der Innenseite befindet. 5 Min. einwirken lassen.

Halten Sie den Komparator an eine Lichtquelle und drehen Sie die Scheibe, bis die Farbe im Fenster für die Röhre "B" mit der Farbe im Fenster für die Röhre "S" übereinstimmt. Notieren Sie den Konzentrationswert, der im unteren Fenster des Farbkomparatorfelds angezeigt wird.

Proben können auch mit dem Farbkomparator auf ihren Phosphatgehalt analysiert werden. Geben Sie mit einer Pipette 2,5 ml des gefilterten Phosphorprobenextrakts in einen 25-ml-Messzylinder. Deionisiertes Wasser bis zur 25-ml-Markierung geben, mit einem Stopfen verschließen und zum Mischen umdrehen. Geben Sie den verdünnten Probenextrakt zu ca. ?? Zoll tief in das mit "S" gekennzeichnete Farbbetrachtungsrohr, um das Rohr zu spülen. Verschließen Sie die Kappe mit einem Gummistopfen und schütteln Sie sie einige Sekunden lang, bevor Sie die Lösung verwerfen.

Geben Sie den Probenextrakt in beide Röhrchen, bis der Meniskus auf einer Höhe mit der 5-ml-Markierung ist. Geben Sie den Inhalt eines Phosphor-Reagenz-Kissens in das "S"-Röhrchen, verschließen Sie es und schütteln Sie es 1 Minute lang kräftig. Setzen Sie die Farbröhrchen sofort in den Farbkomparator ein, wobei sich das leere Röhrchen im äußeren Loch und das Probenröhrchen im inneren Loch befindet. 3 Min. ziehen lassen. Halten Sie den Komparator an eine Lichtquelle und drehen Sie die Scheibe, bis das Fenster für die Röhre "B" mit der Farbe des Fensters für die Röhre "S" übereinstimmt. Notieren Sie sich den im Fenster angezeigten Wert.

Schließlich können die Proben auf ihren Kaliumgehalt analysiert werden. Geben Sie mit einer Pipette 3 ml Kaliumprobenextrakt in einen 25-ml-Zylinder. Geben Sie entionisiertes Wasser zur 21-ml-Markierung auf dem Zylinder, verschließen Sie es fest mit einem Gummistopfen und drehen Sie es um. Geben Sie als nächstes ein Kalium-2-Reagenzkissen in den Zylinder. Geben Sie 3 ml einer alkalischen EDTA-Lösung in den Zylinder, verschließen Sie ihn mit einem Gummistopfen und drehen Sie ihn mehrmals um, um ihn zu mischen. Lassen Sie die Lösung 3 min ziehen. Den Inhalt eines Kaliumreagenzkissens hinzufügen, den Zylinder verschließen und 10 s kräftig schütteln. Lassen Sie die Lösung 3 Minuten stehen, während sich eine weiße Trübungen entwickelt.

Schauen Sie geradeaus in den Zylinder und führen Sie den Kaliummessstab langsam senkrecht in die Lösung ein, bis der schwarze Punkt von oben nicht mehr sichtbar ist. Halten Sie den Ölmessstab in Position und drehen Sie den Zylinder, um die Skala zu sehen. Notieren Sie die Zahl auf der Ölmessstabwaage, an der die Oberfläche der Probe auf den Ölmessstab trifft. Beziehen Sie sich auf die Kaliumumrechnungstabelle, um die Konzentration der Proben in mg/L zu bestimmen. Lokalisieren Sie den Messstab in der linken Spalte und notieren Sie die entsprechende mg/L-Konzentration in der rechten Spalte.

Sobald die Konzentrationen ermittelt wurden, kann eine Tabelle mit Nährstoffbereichen verwendet werden, um die Qualität der Proben zu beurteilen und zu bestimmen, ob und wie viel Nährstoffänderung im beprobten Boden erforderlich ist. Die Nährstoffergänzung kann durch die Anwendung von speziellen Düngemitteln erfolgen.

Die Fähigkeit, die Nährstoffzusammensetzung von Böden im Boden zu analysieren, hat eine Vielzahl von Anwendungen, mit potenziellen Auswirkungen auf die menschliche Bevölkerung oder landwirtschaftliche Ökosysteme.

Unterschiedliche Kulturpflanzen haben einen unterschiedlichen potenziellen Nährstoffbedarf für einen optimalen Anbau. Zum Beispiel werden hohe Stickstoffgehalte für den Anbau von stickstoffintensiven Pflanzen wie Soja und Mais benötigt. Ein hoher Phosphorgehalt kann die Blüten- oder Fruchtproduktion stimulieren und verbessern. Die Möglichkeit, die Nährstoffzusammensetzung des Bodens in einem beabsichtigten Anbaugebiet zu messen, kann es Landwirten oder Landbewirtschaftern daher ermöglichen, den Boden mit den notwendigen Nährstoffen zu ergänzen, um ihre beabsichtigte Kultur erfolgreich anzubauen.

Die Zusammensetzung des Bodens kann sich auch auf seine Fähigkeit auswirken, Wasser zu speichern, was wiederum seine Fähigkeit beeinflussen kann, verschiedene Flora oder Fauna zu unterstützen. Zum Beispiel haben Böden mit niedrigem Kaliumgehalt eine schlechte Trockenheitstoleranz und erfordern möglicherweise eine Nährstoffergänzung durch Düngung des Bodens mit angemessenen Mengen des fehlenden Nährstoffs. Alternativ kann eine Bewässerung erforderlich sein, um Pflanzen anzubauen, die keine hohe Trockenheitstoleranz aufweisen.

Die Bodenzusammensetzung und die Nährstoffqualität können auch dazu beitragen, dass die Landbewirtschafter eine angemessene Landnutzung festlegen können. In Gebieten mit schlechter Nährstoffqualität, die für den Anbau von Nutzpflanzen stark modifiziert oder ergänzt werden müssten, kann es sinnvoller sein, Flächen für die Entwicklung von Gebäuden oder Bauwerken stillzulegen. Alternativ können Flächen mit idealer Zusammensetzung für den beabsichtigten Anbau von Pflanzen ausgewiesen und vor Bebauung geschützt beiseite gelegt werden.

Sie haben gerade die Einführung von JoVE in die Bodennährstoffanalyse gesehen. Sie sollten nun verstehen, wie wichtig Makronährstoffe im Boden sind, wie man sie aus dem Boden extrahiert und wie man ihre Konzentrationen bestimmt. Danke fürs Zuschauen!