Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Projektowanie mikrowykresów oraz przygotowanie próbek roślin i gleby do analizy 15azotu

6.5K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/61191

⸱

10 maja 2020

 , 
1Department of Soil, Water and Climate, University of Minnesota

W tym artykule

Podsumowanie

Projekt mikrodziałki do badań nad znacznikiem 15N jest opisany tak, aby pomieścić wiele wydarzeń związanych z pobieraniem próbek roślin i gleby w sezonie. Przedstawiono procedury pobierania i przetwarzania próbek gleby i roślin, w tym protokoły mielenia i ważenia, dla analizy 15N.

Streszczenie

Wiele badań nad nawozami azotowymi ocenia ogólny wpływ zabiegu na pomiary na koniec sezonu, takie jak plon ziarna czy skumulowane straty N. Podejście oparte na stabilnych izotopach jest niezbędne do śledzenia i ilościowego określenia losu N pochodzącego z nawozu (FDN) w systemie gleba-uprawa. Celem tego artykułu jest opisanie projektu badawczego na małej powierzchni z wykorzystaniem nieograniczonych mikrowykresów wzbogaconych o 15N do wielu zdarzeń pobierania próbek gleby i roślin w ciągu dwóch sezonów wegetacyjnych oraz przedstawienie protokołów pobierania, obsługi i przetwarzania próbek dla całkowitej analizy 15N. Metody zademonstrowano przy użyciu powtórzonego badania z południowo-środkowej Minnesoty posadzonego na kukurydzy (Zea mays L.). Każdy zabieg składał się z sześciu rzędów kukurydzy (rozstaw rzędów 76 cm) o długości 15,2 m z mikropoletkiem (2,4 m na 3,8 m) osadzonym na jednym końcu. Mocznik klasy nawozowej zastosowano w ilości 135 kg N∙ha-1 podczas sadzenia, natomiast na mikropoletku otrzymano mocznik wzbogacony do 5 atomów % 15N. Próbki gleby i roślin pobierano kilkakrotnie w ciągu sezonu wegetacyjnego, dbając o zminimalizowanie zanieczyszczenia krzyżowego poprzez użycie oddzielnych narzędzi i fizyczne oddzielenie próbek niewzbogaconych i wzbogaconych podczas wszystkich procedur. Próbki gleby i roślin wysuszono, zmielono tak, aby przeszły przez sito o średnicy 2 mm, a następnie zmielono do konsystencji przypominającej mąkę za pomocą młyna rolkowego. Badania znacznikowe wymagają dodatkowego planowania, czasu przetwarzania próbki i pracy ręcznej, a także wiążą się z wyższymi kosztami materiałów wzbogaconych o 15N i analizy próbek niż tradycyjne badania N. Jednak przy użyciu podejścia opartego na bilansie masy, badania znacznikowe z wieloma zdarzeniami pobierania próbek w sezonie pozwalają badaczowi oszacować rozkład FDN w systemie gleba-uprawa i oszacować nieuwzględnione FDN z systemu.

Wprowadzenie

Stosowanie nawozów azotowych (N) jest niezbędne w rolnictwie, aby zaspokoić zapotrzebowanie na żywność, błonnik, paszę i paliwo rosnącej populacji globalnej, ale straty azotu z pól uprawnych mogą negatywnie wpływać na jakość środowiska. Ponieważ azot przechodzi wiele przemian w systemie gleba-uprawa, lepsze zrozumienie obiegu azotu, wykorzystania upraw i ogólnego losu nawozu azotu jest niezbędne do poprawy praktyk zarządzania, które promują efektywność wykorzystania azotu i minimalizują straty środowiskowe. Tradycyjne badania nawozów azotowych koncentrują się przede wszystkim na wpływie zabiegu na pomiary na koniec sezonu, takie jak plon roślin, pobieranie azotu przez rośliny w stosunku do zastosowanej dawki azotu (pozorna efektywność stosowania nawozu) oraz zawartość azotu w glebie. Chociaż badania te określają ilościowo ogólne wkłady, wyniki i wydajność azotu w systemie, nie są w stanie zidentyfikować ani określić ilościowo azotu w systemie gleba-uprawa pochodzącego ze źródeł nawozów lub gleby. Inne podejście wykorzystujące stabilne izotopy musi być stosowane do śledzenia i ilościowego określania losów N pochodzącego z nawozów (FDN) w systemie gleba-uprawa.

Azot ma dwa stabilne izotopy, 14N i 15N, które występują w przyrodzie w względnie stałym stosunku 272:1 dla 14N/15N1 (stężenie 0,366 atomu % 15N lub 3600 ppm 15N2,3). Dodatek nawozu wzbogaconego o 15N zwiększa całkowitą zawartość 15N w systemie glebowym. Ponieważ nawóz wzbogacony w 15N miesza się z niewzbogaconym azotem w glebie, zmierzona zmiana stosunku 14N/15N pozwala naukowcom prześledzić FDN w profilu glebowym i w uprawie3,4. Bilans masy można obliczyć, mierząc całkowitą ilość znacznika 15N w systemie i każdej z jego części2. Ponieważ nawozy wzbogacone w 15N są znacznie droższe niż nawozy konwencjonalne, mikropoletka wzbogacone w 15N są często osadzane na poletkach zabiegowych. Celem niniejszej pracy metodycznej jest opisanie projektu badawczego na małej powierzchni z wykorzystaniem mikrowykresów do wielu w sezonie prób pobierania próbek gleby i roślin dla kukurydzy (Zea mays L.) oraz przedstawienie protokołów przygotowania próbek roślin i gleby do analizy całkowitej wartości 15N. Wyniki te można następnie wykorzystać do oszacowania efektywności wykorzystania nawozów N i stworzenia częściowego budżetu N uwzględniającego FDN w glebie i uprawach.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Opis terenu badań

UWAGA: Podczas przeprowadzania prób polowych z użyciem znacznika 15N, wybrane stanowiska powinny minimalizować zmienność wynikającą z rodzaju gleby, topografii oraz cech fizycznych5. Do skażenia krzyżowego może dojść w wyniku bocznego przemieszczania się gleby spowodowanego nachyleniem terenu, translokacją przez wiatr lub wodę bądź w wyniku uprawy roli, natomiast pionowy rozkład N w glebie może być pod wpływem podpowierzchniowego przepływu wody i drenażu rurkowego6.

  1. Opisz teren pola doświadczalnego, uwzględniając dotychczasowe zagospodarowanie (np. poprzednie uprawy i systemy uprawy roli), szerokość i długość geograficzną oraz fizyczne i chemiczne właściwości gleby (np. analizę teksturalną gleby, początkowe warunki żyzności, pH i gęstość objętościową gleby).
  2. Zapisz współrzędne GPS terenu badawczego oraz narożników pola.
  3. Opisz zarządzanie w sezonie wegetacyjnym, w tym zwalczanie szkodników i chorób (stosowanie herbicydów, insektycydów lub fungicydów), zarządzanie żyznością gleby (w tym dawkę, źródło, sposób umieszczenia i termin aplikacji), uprawę roli, terminy i ilość nawadniania oraz gospodarkę resztkami pożniwnymi.
  4. Ponieważ wzrost roślin i przekształcenia N zapśredniczone przez mikroorganizmy zależą od wilgotności gleby, temperatury gleby oraz temperatury powietrza, zapisuj dane klimatyczne, w tym codzienne temperatury maksymalne i minimalne, dobowe opady oraz wilgotność i temperaturę gleby na kilku głębokościach odpowiadających głębokościom poboru próbek gleby.

2. Projekt działki

  1. Zasadź sześć rzędów kukurydzy (~86 0 roślin ha-1) w odstępach 76 cm, tak aby końcowe wymiary działki wynosiły 15,2 m na 4,6 m.
    1. Wyznacz strefy brzegowe o szerokości 1,5 m na każdym końcu wymiaru podłużnego (0-1,5 m, 13,7-15,2 m) oraz dodatkową strefę brzegową o długości 1,5 m (9,8-1,3 m) przylegającą do obszarów pobierania próbek i zbioru (Rysunek 1).
    2. Wyznacz rzędy 2 i 3 jako obszar pobierania próbek roślin i gleby w sezonie wegetacyjnym (1,5-9,8 m) oraz rzędy 4 i 5 jako obszar zbioru ziarna kukurydzy (1,5-9,8 m).
    3. Wyznacz obszar mikodziałki (1,3-13,7 m) o wymiarach 2,4 m na 3,8 m, wyśrodkowany względem wymiaru szerokości. Pobierz z tego obszaru wszystkie próbki roślin i gleby wzbogacone 15N, pozostawiając niepróbkowany margines 0,38 m wzdłuż wymiarów długości i szerokości w celu zminimalizowania efektu brzegowego (Rysunek 2).
  2. Oznacz narożniki działki zabiegowej i mikodziałki flagami w różnych kolorach.

3. Środki ostrożności przy pobieraniu próbek gleby i roślin

  1. Do materiałów nie wzbogaconych i wzbogaconych należy używać osobnego sprzętu i wydzielonych obszarów roboczych. Zanieczyszczenie materiałów niewzbogaconych (nawozu, gleby lub roślin) materiałami wzbogaconymi oraz odwrotnie może drastycznie wpłynąć na wyniki.
  2. Próbki gleby i roślin wzbogacone 15N należy pobierać i przetwarzać w kolejności od najniższego do najwyższego oczekiwanego poziomu wzbogacenia 15N, aby zminimalizować kontaminację krzyżową. Należy upewnić się, że powierzchnie robocze, rękawiczki, przyrządy i urządzenia są dokładnie czyszczone pomiędzy każdą próbką, aby zminimalizować kontaminację krzyżową wynikającą z przeniesienia materiału z poprzedniej próbki.
  3. Należy ograniczyć ruch osób w obrębie mikro dialelek, aby zapobiec zanieczyszczeniu niewzbogaconych obszarów pobierania próbek. Podczas wchodzenia na obszar mikro dialelek należy stosować ochronne nakładki na obuwie i zdejmować je po opuszczeniu tego obszaru.

4. Przygotowanie i zastosowanie nawozu wzbogaconego w 15N

  1. Zgodnie z wytycznymi przedstawionymi w Ref. 2 dla badań nad efektywnością wykorzystania nawozu 15N (F15NUE), rozcieńczyć mocznik wzbogacony do 10 atom % 15N do poziomu 5 atom % 15N i rozpuścić w 2 L wody dejonizowanej, aby zapewnić jednorodne wzbogacenie nawozu mocznikowego.
    UWAGA: Wymagane stężenie nawozu wzbogaconego 15N zależy od celów badania agronomicznego. Jeśli stężenie roztworu matecznego nawozu wzbogaconego 15N przekracza wymagania badacza, stężenie nawozu matecznego można rozcieńczyć analogicznym nawozem konwencjonalnym, korzystając z następującego wzoru3.
    X2 = [(C1/C2) - 1] × X1
    gdzie X2 to masa konwencjonalnego nawozu niewzbogaconego, X1 to masa nawozu znacznikowego, C1 to stężenie izotopowe [wyrażone jako nadmiar atom % (zmierzony stopień wzbogacenia atom % minus naturalne stężenie tła przyjęte jako 0,363 atom %)] pierwotnego nawozu znacznikowego, a C2 to stężenie izotopowe końcowej mieszaniny. Przykładowo, przy 100 g mocznika wzbogaconego do 10 atom %, dla uzyskania końcowego stężenia izotopowego 5 atom % wymagane byłoby 92,7 g konwencjonalnego nawozu niewzbogaconego;
    X2 = {[(10-0,363)/5] - 1} × 10.
  2. Przeanalizować roztwór pod kątem stężenia 15N, aby zweryfikować stopień wzbogacenia. Autorzy skorzystali z usług analitycznych świadczonych przez UC Davis Stable Isotope Facility.
    UWAGA: Reakcje układu gleba-roślina-mikroby na dodatek nawozów mogą zależeć od fizycznej formy nawozu. W zależności od celów badania, roztwór mocznika można zastosować w formie ciekłej lub odparować, aby ponownie utworzyć kryształy. Kryształy można sprasować w kostkę za pomocą prasy Carver przy ciśnieniu 10 0 psi, a następnie pokruszyć kostkę i przesiać cząstki do pożądanego rozmiaru3.
  3. Równomiernie nanieść roztwory mocznika wzbogaconego 15N na mikroplotsy za pomocą skalibrowanego plecakowego opryskiwacza CO2 (Rysunek 3A). W przypadku zastosowania wielu dawek N lub poziomów wzbogacenia, należy rozważyć użycie osobnych opryskiwaczy CO2 dla każdego poziomu wzbogacenia lub użycie jednego opryskiwacza i aplikowanie roztworów od najniższego do najwyższego stopnia wzbogacenia, aby zminimalizować zanieczyszczenie krzyżowe preparatów.
  4. Nawozy zawierające mocznik należy wmieszać w glebę za pomocą lekkiej uprawy, ręcznych grabi lub poprzez nawadnianie warstwą co najmniej 0,6 cm w ciągu 24 h od aplikacji, aby zminimalizować potencjalne straty wskutek ulatniania.
  5. W drugim sezonie wegetacyjnym na mikroplotsy nie nanosi się dodatkowego nawozu mocznikowego wzbogaconego 15N. Do całej jednostki badawczej należy zastosować konwencjonalny mocznik niewzbogacony, aby uniknąć różnic w wzroście kukurydzy wynikających z poziomu azotu.

5. Przetwarzanie próbek terenowych: nadziemna biomasa kukurydzy

  1. Na każdym etapie pobierania prób należy zebrać zbiorczą próbkę z sześciu nadziemnych części roślin kukurydzy z obszaru pobierania próbek (nie wzbogacony 15N) oraz zbiorczą próbkę z sześciu nadziemnych części roślin kukurydzy z mikrodziałki wzbogaconej 15N. Pomiędzy każdą pobraną rośliną powinny znajdować się co najmniej dwie inne rośliny, aby uniknąć znaczącego naruszenia dynamiki wzrostu roślin. Autorzy pobierali próbki roślin w stadiach rozwoju fizjologicznego kukurydzy V8 i R11 oraz w momencie dojrzałości fizjologicznej (Rycina 2).
  2. Zgodnie z zasadami opisanymi w krokach 3.1 i 3.2, należy posiekać biomasę nadziemną w fazach V8 i R1 (≤5 cm na ≤5 cm); odpowiednią opcją jest rozdrabniarka do odpadów ogrodowych. Posiekaną biomasę umieścić w oznakowanych torbach materiałowych lub papierowych i suszyć w suszarce z wymuszonym obiegiem powietrza w temperaturze 60 °C aż do uzyskania stałej masy. Odnotować suchą masę biomasy (Rycina 3B).
  3. Fizjologicznie dojrzałe rośliny kukurydzy należy podzielić na frakcje: słomy (wszystkie tkanki wegetatywne, w tym liście, liście okrywające kolbę i łodygi), ziarna oraz kolby. Posiekać i suszyć w suszarce z wymuszonym obiegiem powietrza w temperaturze 60 °C aż do uzyskania stałej masy. Odnotować suchą masę biomasy.
  4. W obrębie mikrodziałki należy ściąć wszystkie łodygi kukurydzy przy powierzchni gleby, powiązać w wiązkę, oznakować zgodnie z działką i usunąć z pola (Rycina 3C). Flagi narożne mikrodziałki należy ustawić niemal na równi z powierzchnią gleby, aby zminimalizować ryzyko ich usunięcia przez kombajn podczas zbioru lub uprawy po zbiorach.
  5. Zebrać ziarno z obszaru zbioru i podać plon przy zawartości wilgoci 15,5%12. Pozostałe obszary badawcze zebrać za pomocą kombajnu do mikrodziałek.
  6. Zgrabić nie wzbogaconą biomasę z obszaru mikrodziałki. Posiekać i ponownie nanieść nadziemną biomasę z mikrodziałki na właściwą działkę (Rycina 3D).
  7. Wprowadzić resztki w powierzchnię gleby za pomocą uprawy, dbając o zminimalizowanie transportu gleby i resztek kukurydzy do obszaru mikrodziałki lub z niego. Odnowić wszelkie flagi narożne mikrodziałki, które zostały usunięte podczas uprawy.
  8. Zasiać kukurydzę w drugim roku w tych samych rzędach, co kukurydzę w pierwszym roku.
  9. Nadziemną biomasę kukurydzy z drugiego roku zbierać wyłącznie w momencie dojrzałości fizjologicznej i przetwarzać w taki sam sposób jak próbki kukurydzy z pierwszego roku, zgodnie z opisem w kroku 5.3. Próbki z mikrodziałek pobierać z centrum obszaru mikrodziałki (1,52 m na 0,76 m), aby uniknąć potencjalnego rozcieńczenia sygnału po uprawie (Rycina 2). Zebrać ziarno z obszaru zbioru i podać plon przy zawartości wilgoci 15,5%.
  10. Zgodnie z zasadami z kroków 3.1 i 3.2, dokładnie wymieszać i zmielić od 10 do 20 g wysuszonego materiału roślinnego tak, aby przeszedł przez sito o oczkach 2 mm. Dokładnie wymieszać zmielony materiał i przechowywać podpróbkę w oznakowanej kopercie na monety do dalszego przetwarzania.
    UWAGA: Młyn Thomas Wiley jest odpowiednią opcją do mielenia tkanek roślinnych, natomiast Perten Laboratory Mill 3610 jest odpowiednią opcją do mielenia ziarna.
    OSTRZEŻENIE: Osoby mielące próbki roślin powinny stosować ochronniki słuchu oraz chronić się przed wdychaniem pyłu, używając zatwierdzonego przez National Institute for Occupational Safety and Health respiratora filtrującego cząsteczki N95.

6. Przetwarzanie próbek terenowych: gleba

  1. Pobierz próbki gleby w pierwszym roku 8 dni po aplikacji nawozu wzbogaconego o 15N, w fazach V8, R1 oraz po zbiorach przed uprawą. Pobierz próbki gleby w drugim roku przed sadzeniem i po zbiorach. Ze względu na ograniczenia logistyczne podczas pobierania próbek, autorzy pobrali próbki gleby w trakcie sezonu z głębokości 0-15, 15-30 i 30-60 cm, próbki po zbiorach z głębokości 0-15, 15-30, 30-60 i 60-90 cm oraz próbki przed sadzeniem w drugim roku z głębokości 0-30, 30-60 i 60-120 cm.
    UWAGA: Jeśli sonda glebowa nie pozwala na pobranie rdzenia z maksymalnej pożądanej głębokości jako pojedynczy rdzeń, należy pobrać rdzenie z głębszych warstw z tych samych otworów co próbki z górnych warstw, odrzucając górny 1 cm gleby, aby uniknąć zanieczyszczenia glebą spadającą z wyższych głębokości.
    1. Pobierz złożoną próbkę gleby składającą się z czterech rdzeni (średnica 1,8 cm) z obszaru nie-wzbogaconego w fazach V8 i R1, używając sondy ręcznej. Pobierz jeden rdzeń z rzędu kukurydzy i trzy rdzenie pomiędzy rzędami kukurydzy.
    2. Pobierz złożoną próbkę gleby składającą się z dwóch rdzeni (średnica 5 cm) z obszaru nie-wzbogaconego przed sadzeniem i po zbiorach, używając sondy hydraulicznej.
    3. Pobierz złożoną próbkę gleby składającą się z 15 rdzeni (średnica 1,8 cm) z obszaru mikroplotu 8 dni po aplikacji nawozu wzbogaconego o 15N, w fazach V8 i R1, używając sondy ręcznej. Pobierz od trzech do czterech rdzeni z rzędu kukurydzy i od 1 do 12 rdzeni pomiędzy rzędami kukurydzy.
      UWAGA: Gleby są niezwykle niejednorodne. Większa liczba rdzeni pobranych z wnętrza wzbogaconego mikroplotu zapewnia lepszą ocenę rzeczywistego wzbogacenia 15N w azocie glebowym N13.
    4. Pobierz złożoną próbkę gleby składającą się z trzech rdzeni (średnica 5 cm) z obszaru mikroplotu przed sadzeniem i po zbiorach, używając sondy hydraulicznej.
    5. Uhomogenizuj każdą złożoną próbkę gleby w wiadrze i umieść ją w wcześniej opisanym papierowym worku.
  2. Susz próbki gleby w temperaturze 35 °C w suszarce z wymuszonym obiegiem powietrza aż do uzyskania stałej masy. Zmiel każdą próbkę tak, aby przeszła przez sito o oczkach 2 mm. Mechaniczna młynka do gleby jest odpowiednia, pod warunkiem, że można ją dokładnie oczyścić pomiędzy każdą próbką.
    UWAGA: Próbki gleby można suszyć na powietrzu, rozkładając je cienką warstwą na tackach. Tacki powinny znajdować się w miejscu wolnym od zanieczyszczeń zewnętrznymi źródłami N. Próbki nie-wzbogacone i wzbogacone powinny być fizycznie odseparowane, aby zapobiec zanieczyszczeniu krzyżowemu.
    OSTROŻNIE: Osoby mielące próbki gleby powinny stosować ochronniki słuchu oraz chronić drogi oddechowe przed wdychaniem pyłu, używając maski filtrującej cząsteczki N95 zatwierdzonej przez National Institute for Occupational Safety and Health.

7. Przetwarzanie próbek laboratoryjnych: rozcieranie próbek gleby i roślin

  1. Suszyć zmielone próbki roślin (2 mm) przez noc w piecu w temperaturze 60 °C.
  2. Zgodnie z zasadami opisanymi w kroku 3, zmielić wysuszone próbki roślin lub materiał glebowy do konsystencji drobnego proszku. Satysfakcjonującym rozwiązaniem jest młyn kulowy z walcami.
    UWAGA: Młyn kulowy autorów to system z taśmociągiem zbudowany na zamówienie, który może przetwarzać 54 pojemniki jednocześnie.
    1. Napełnić każdy pojemnik (250 mL naczynie z borokrzemianowego szkła z nakrętką) od 10 do 20 g zmielonej próbki rośliny lub gleby oraz siedmioma prętami ze stali nierdzewnej (długość 8,5 cm, średnica 0,7 cm).
    2. Obracać pojemniki z prędkością 0,4 x g przez 6-24 h lub do momentu, aż próbki osiągną konsystencję drobnego proszku.
    3. Przenieść drobno zmielony materiał do czystej, oznakowanej fiolki scyntylacyjnej o pojemności 20 mL.
    4. Między każdą próbką myć pojemniki, pręty ze stali nierdzewnej i nakrętki za pomocą wody z mydłem, aby usunąć wszelkie pozostałości.
      1. Zanurzyć pojemniki i nakrętki na noc w kąpieli z 5% HCl (przygotowanej z 36-38% stężonego roztworu zapasowego)14.
        OSTRZEŻENIE: Kwas solny jest substancją żrącą. Może powodować poważne oparzenia skóry, uszkodzenia oczu i jest szkodliwy w przypadku wdychania. Zawsze należy nosić odzież ochronną, rękawice oraz ochronę oczu i twarzy. Tkanki, które miały kontakt z kwasem, należy dokładnie wypłukać wodą. Podczas transportu kwasów zawsze należy używać pojemnika zewnętrznego. Kwas zawsze należy dolewać do wody, ponieważ reakcja ta jest egzotermiczna. Rozlane kwasy należy natychmiast zneutralizować sodą oczyszczoną.
        UWAGA: Dużą kąpiel kwasową można przygotować jako 10 L 5% HCl w plastikowym pojemniku o pojemności 208 L. Przygotować kilka mniejszych objętości w dygestorium, a następnie przenieść roztwory do plastikowego pojemnika. Roztwór należy wymieniać co trzy miesiące.
      2. Trzykrotnie wypłukać pojemniki i nakrętki wodą dejonizowaną i wysuszyć na powietrzu.
      3. Zanurzyć pręty ze stali nierdzewnej na noc w kąpieli 0,05 M NaOH (przygotowanej przez rozpuszczenie 2 g NaOH w 1 L wody dejonizowanej)14. Każdego dnia należy przygotować nową kąpiel 0,05 M NaOH.
        OSTRZEŻENIE: Wodorotlenek sodu może powodować poważne oparzenia skóry i uszkodzenia oczu. Zawsze należy nosić odzież ochronną i ochronę oczu. Należy natychmiast zdjąć zanieczyszczoną odzież i płukać skórę lub oczy wodą przez kilka minut.
      4. Płukać pręty pod bieżącą gorącą wodą z kranu przez 5 minut. Odlać wodę i trzykrotnie wypłukać pręty wodą dejonizowaną. Pozostawić pręty do wyschnięcia na powietrzu na tacy wyłożonej ręcznikiem papierowym.

8. Odważenie zmielonych próbek roślin i gleby do analizy całkowitego N oraz 15N

  1. Przeanalizuj kilka reprezentatywnych próbek roślin i gleby w celu oznaczenia całkowitej zawartości N (np. analiza spalania15). Oblicz masę próbki, która zapewni odpowiednią zawartość N do analizy 15N, zgodnie ze specyfikacją analizatora.
    UWAGA: Autorzy korzystali z usług analitycznych zapewnianych przez UC Davis Stable Isotope Facility. Wagi próbek wzbogaconych zostały zoptymalizowane dla 20 µg N, z maksymalną wartością 10 µg N.
  2. Uporządkuj próbki o podobnych właściwościach od najniższego do najwyższego oczekiwanego wzbogacenia w 15N. Wykonaj powtórzenia dla każdej ósmej do dwunastej próbki w każdej serii, aby sprawdzić precyzję pomiaru. Uwzględnij co najmniej jedną próbkę kontrolną w każdej serii16.
  3. Oznacz czystą płytkę 96-dołkową oraz dopasowaną pokrywę z indywidualnymi pierścieniami zapobiegającymi parowaniu w dołkach. Wytnij z czystej karty indeksowej element pasujący do wnętrza pokrywy, aby zapobiec przemieszczaniu się próbek między dołkami podczas transportu.
  4. W rękawiczkach nitrylowych oczyść mikrowagę, powierzchnie robocze, szpatułkę i pincetę za pomocą chusteczek laboratoryjnych i etanolu. Umieść oczyszczone narzędzia na chusteczce Kimwipe na blacie laboratoryjnym.
    UWAGA: Próbki niewzbogacone i wzbogacone należy przetwarzać przy użyciu oddzielnych wag i narzędzi, aby zapobiec kontaminacji krzyżowej.
  5. Za pomocą pincety umieść gotową kapsułkę cynową o wymiarach 5 mm x 9 mm na czystej powierzchni roboczej, np. na bloku ze stali nierdzewnej z dołkiem 5 mm x 8 mm. Delikatnie wciśnij kapsułkę dołka, aby przywrócić jej cylindryczny kształt i, jeśli to konieczne, spłaszczyć dno.
    UWAGA: Ze względu na bardzo małe masy próbek ryzyko kontaminacji jest wysokie. Nigdy nie dotykaj kapsułek rękawiczkami. Wyrzuć kapsułkę, jeśli dotknie jakiejkolwiek powierzchni poza pincetą, czystą powierzchnią roboczą, spodkiem wagi lub płytką 96-dołkową.
  6. Za pomocą pincety delikatnie rozszerz górny 1 mm kapsułki, aby ułatwić manipulację. Aby uniknąć uszkodzenia wagi podczas taryzowania masy kapsułki, zwolnij ją 1 do 2 mm nad spodkiem mikrowagi. Taryzuj kapsułkę. Używając pincety, przenieś kapsułkę z powrotem na czystą powierzchnię roboczą.
  7. Za pomocą szpatułki ostrożnie dodaj wymaganą masę drobno zmielonego materiału próbnego do kapsułki. Unikaj rozsypania materiału na zewnętrzną powierzchnię kapsułki lub na powierzchnie robocze.
  8. Używając pincety, powoli zaciśnij górną jedną trzecią kapsułki i zagiń ją, aby zamknąć. Kontynuuj zaginanie i kompresowanie kapsułki do kształtu sferycznego za pomocą pincety, uważając, aby nie przebić ani nie przerwać cyny.
    UWAGA: Próbki o niskiej zawartości N mogą wymagać objętości przekraczającej pojemność kapsułki 5x9 mm. W takich przypadkach można zastosować większe kapsułki (np. 9 mm x 10 mm).
  9. Za pomocą pincety upuść zamkniętą kapsułkę kilka razy z wysokości 1 cm na czystą, ciemną powierzchnię lub lustro, aby sprawdzić szczelność. Jeśli nie pojawi się pył, zważ próbkę, stosując tę samą technikę, która została opisana w kroku 8.6. Zapisz masę próbki. Umieść kapsułkę w płytce 96-dołkowej i zapisz numer dołka.
    1. Jeśli na ciemnej powierzchni pojawi się pył, zapisz masę próbki. Zamknij próbkę w drugiej kapsułce cynowej, ponownie sprawdź szczelność i umieść ją w czystej płytce 96-dołkowej.
      UWAGA: Jeśli zamknięta kapsułka jest zbyt duża, aby zmieścić się w płytce 96-dołkowej, użyj płytki 24- lub 48-dołkowej.
  10. Pomiędzy próbkami oczyszczaj każde z narzędzi i powierzchni etanolem i chusteczkami laboratoryjnymi, zwracając szczególną uwagę na krawędzie szpatułki i pincety.
  11. Przymocuj pokrywę do płytki 96-dołkowej za pomocą taśmy i przechowuj w eksykatorze.

9. Obliczenia

  1. Oblicz masę N (kg∙ha⁻¹)-1) zawarte w próbkach roślin lub gleby, przy użyciu następujących równań.
    Równanie obliczania całkowitej zawartości azotu, przedstawiające analizę próbek roślin pod kątem zawartości azotu.
    Wzór obliczeniowy całkowitej zawartości azotu w glebie dla analizy gleby; równanie obejmuje parametry masy i gęstości.
  2. Oblicz frakcję N z nawozu (Nf), azot pochodzący z nawozów (FDN), oraz azot pochodzenia glebowego (SDN (sieci definiowane programowo)) dla próbek roślin i gleby17.
    Wzór na równowagę statyczną, równanie Nf opisujące przepływ składników odżywczych, klucz do zrozumienia dynamiki składników odżywczych w glebie.
    gdzie A czy jest to % atomowy 15Wzbogacenie w N.
  3. Równanie azotu w roślinie lub glebie, \(FDN_{Roślina\ lub\ Gleba} = N_f \times Total\ N_{Roślina\ lub\ Gleba}\).
    Równanie bilansu azotu; SDN = całkowity N - FDN; wzór analizy składników odżywczych gleby.
  4. Obliczenie dawki nawozu 15efektywność wykorzystania N17.
    Równanie efektywności wykorzystania azotu z nawozów, schemat obliczania F15NUE z wykorzystaniem danych roślinnych i nawozowych.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Wyniki przedstawione w niniejszej pracy pochodzą z obszaru badań polowych utworzonego w 2015 roku w University of Minnesota Southern Outreach and Research Center znajdującym się w pobliżu miejscowości Waseca w stanie MN. Przed 2015 rokiem teren ten był zarządzany w systemie płodozmianu kukurydza-soja [Glycine max (L.) Merr], natomiast w sezonach wegetacyjnych 2015 i 2016 stosowano system kukurydza-kukurydza. Gleba stanowiła kompleks gliniasto-piaskowych gleb Nicollet (fine-loamy,...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Badania nad stabilnymi izotopami są użytecznym narzędziem do śledzenia i ilościowego określania FDN w systemie gleba-uprawa. Istnieją jednak trzy główne założenia związane z badaniami znacznika N, których naruszenie może unieważnić wnioski wyciągnięte przy użyciu tej metodologii. Są to: 1) znacznik jest równomiernie rozmieszczony w całym układzie, 2) procesy w badaniu zachodzą z tą samą szybkością oraz 3) N opuszczając pulę wzbogaconą 15N nie zwraca3. Ponieważ badanie to jest zaintereso...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Autorzy dziękują za wsparcie Rady ds. Badań i Promocji Kukurydzy w Minnesocie, Stypendium Hueg-Harrison oraz Stypendium Minnesota's Discovery, Research and InnoVation Economy (MnDRIVE).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
20 ml fiolka scyntylacyjnaDOWOLNA; Fisher Scientific jest jednym z przykładów0334172C
250 ml butelka ze szkła borokrzemianowegoQORPAK264047
48-dołkowa płytkaEA Materiały eksploatacyjneE2063
96-dołkowa płytkaEA Materiały eksploatacyjneE2079
Torba na części z tkaniny (30x50 cm)DOWOLNANADo kłosów kukurydzy
Opryskiwacz plecakowy CO2DOWOLNY; Bellspray Inc jest jednym z przykładówModel T
(6,4x10,8 cm)DOWOLNA; ULINE jest jednym z przykładówS-6285Dla 2-milimetrowych próbek roślin mielonych
Rębak do kukurydzyANY; Jednym z przykładów jest DR Chipper ShredderSKU:CS23030BMN0Do rozdrabniania biomasy kukurydzianej
Nasiona kukurydzyDOWOLNANAHybryda odpowiednia dla regionu
Jednorazowy pokrowiec na butyDOWOLNY; Boardwalk jest jednym z przykładówBWK00031L
Etanol 200 ProofANY; Decon Laboratories Inc. jest jednym z przykładów2701TP
Worki tkaninowe ze sznurkiem (90x60 cm)DOWOLNANADo pobierania próbek roślin
Nawóz Mocznik (46-0-0)DOWOLNENA~ 0,366 atomu % 15N
Grabie ręczneDOWOLNE; Jednym z przykładów jest firma Fastenal5098-63-107
Sierp ręcznyDOWOLNY; Home Depot jest jednym z przykładówNJP150Do pobierania próbek roślin:
Ręczna sonda glebyDOWOLNA; AMS jest jednym z przykładów401.01
Hydrauliczna sonda glebyANY; Giddings jest jednym z przykładówGSPS
Kwas solny, 12NRicca ChemicalR37800001A
Jar millANY; Cole-Parmer jest jednym z przykładówSI-04172-50
Młyn laboratoryjnyPerten3610Do mielenia ziarna
Mikrowaga z dokładnością do czterech miejsc po przecinkuDOWOLNY; Jednym z przykładów jest METTLER TOLEDOXPR2
N95 Maska oddechowa z filtrem cząstek stałychDOWOLNA, ULINE jest jednym z przykładówS-9632
Rękawice z neoprenu lub kauczuku butylowegoDOWOLNANADo pracy w kąpieli kwasowej HCl
Worki na sprzęt papierowy (13,3x8,7x27,8 cm)DOWOLNE; ULINE jest jednym z przykładówS-8530Do próbek gleby i ziarna kukurydzy
Młynek do roślinDOWOLNY; Jednym z przykładów jest młyn Thomas Wiley Model 41188Y47-TSDo mielenia rozdrobnionej biomasy kukurydzianej na cząstki 2 mm
Etykiety plastikoweULINES-5544Y-PWDo etykietowania worków materiałowych i wiązek łodyg mikroplotek
Granulki wodorotlenku sodu, ACSSpectrum ChemicalSPCM-S1295-07
Młynek do glebyDOWOLNY; Jednym z przykładów jest młynek ze stali nierdzewnej AGVISE z silnikiemNA Domielenia gleby przechodzi przez sito 2 mm
Kapsułka cynowa 5x9 mmCostech Analytical Technologies Inc.
Kapsuła cynowa 9x10 mmCostech Analytical Technologies Inc.
Mocznik (46-0-0)MiliporeSigma49097010 atomów % 15N
Koperta na monety : 041061041073

Bibliografia

  1. Sharp, Z. Principles of Stable Isotope Geochemistry. , 2nd Edition, (2017).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Peterson, R. G. Agricultural Field Experiments: Design and Analysis. , Marcel Dekker, Inc. New York. (1994).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Abendroth, L. J., Elmore, R. W., Boyer, M. J., Marlay, S. K. Corn Growth and Development. , (2011).
  12. Lauer, J. G. Methods for calculating corn yield. , http://corn.agronomy.wisc.edu/AA/pdfs/A033.pdf (2002).
  13. Gomez, K. A., Gomez, A. A. Statistical Procedures for Agricultural Research. , 2nd Edition, John Wiley and Sons. (1984).
  14. 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).
  15. Horneck, D. A., Miller, R. O. Determination of Total Nitrogen in Plant Tissue. Handbook of Reference Methods for Plant Analysis. , 75-84 (1998).
  16. UC Davis Stable Isotope Facility. Carbon (13C) and Nitrogen (15N) Analysis of Solids by EA-IRMS. , https://stableisotopefacility.ucdavis.edu/13cand15n.html (2019).
  17. 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).
  18. Kaiser, D. E., Fernandez, F. G., Coulter, J. A. Fertilizing Corn in Minnesota. , University of Minnesota Extension. https://extension.umn.edu/crop-specific-needs/fertilizing-corn-minnesota (2018).
  19. Blake, G. R., Hartge, K. H. Bulk Density. Methods of Soil Analysis: Part 1 Physical and Mineralogical Methods. , 363-375 (1986).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Jokela, W., Randall, G. A nitrogen-15 microplot design for measuring plant and soil recovery of fertilizer nitrogen applied to corn. Agronomy journal (USA). 79 (APRIL), http://agris.fao.org/agris-search/search/display.do?f=1988/US/US88241.xml;US875113688 322-325 (1987).
  23. Olson, R. V. Fate of tagged nitrogen fertilizer applied to irrigated corn. Soil Science Society of America Journal. 44 (3), 514-517 (1980).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Analiza azotu 15pobieranie pr bek glebypobieranie pr bek ro linaplikacja nawoz wprzetwarzanie pr bekizotopowy znacznikefektywno wykorzystania azotubiomasa kukurydzyprofil glebowy
Projektowanie mikrowykresów oraz przygotowanie próbek roślin i gleby do analizy 15azotu
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.