Summary

Microplot Design og plante og jord prøve forberedelse for 15Nitrogen analyse

Published: May 10, 2020
doi:

Summary

En microplot design for 15N tracer forskning er beskrevet for å imøtekomme flere in-season plante og jord prøvetaking hendelser. Innsamlings- og prosessprosedyrer for jord og anlegg, inkludert slipings- og veieprotokoller, for 15N-analyse, legges frem.

Abstract

Mange nitrogengjødselstudier evaluerer den totale effekten av en behandling på målinger ved sesongslutt, for eksempel kornutbytte eller kumulative N-tap. En stabil isotop tilnærming er nødvendig for å følge og kvantifisere skjebnen til gjødsel avledet N (FDN) gjennom jord-avling systemet. Formålet med dette papiret er å beskrive en liten tomt forskningsdesign ved hjelp av ikke-begrensede 15N berikede mikroplott for flere jord- og planteprøvetakingshendelser over to vekstsesonger og gi prøveinnsamling, håndtering og prosesseringsprotokoller for totalt 15N-analyse. Metodene ble demonstrert ved hjelp av en replikert studie fra sør-sentrale Minnesota plantet til mais (Zea mays L.). Hver behandling besto av seks maisrader (76 cm radavstand) 15,2 m lang med en mikroplot (2,4 m med 3,8 m) innebygd i den ene enden. Gjødsel-grade urea ble brukt på 135 kg N∙ha-1 ved planting, mens mikroplottet fikk urea beriket til 5 atom % 15N. Jord og planteprøver ble tatt flere ganger gjennom vekstsesongen, og passet på å minimere krysskontaminering ved hjelp av separate verktøy og fysisk skille uenriket og berikede prøver under alle prosedyrer. Jord- og planteprøver ble tørket, malt for å passere gjennom en 2 mm skjerm, og deretter malt til en mellignende konsistens ved hjelp av en rullekannemølle. Tracer-studier krever ytterligere planlegging, prøvebehandlingstid og manuell arbeidskraft, og pådrar seg høyere kostnader for 15N beriket materialer og prøveanalyse enn tradisjonelle N-studier. Men ved hjelp av massebalansetilnærmingen, gjør tracerstudier med flere prøvetakingshendelser i sesongen forskeren i å estimere FDN-distribusjon gjennom jordavlingssystemet og estimere ugjort fdn fra systemet.

Introduction

Gjødsel nitrogen (N) bruk er avgjørende i landbruket for å møte mat, fiber, fôr, og drivstoff krav til en voksende global befolkning, men N tap fra landbruksfelt kan negativt påvirke miljøkvaliteten. Fordi N gjennomgår mange transformasjoner i jordavlingssystemet, er en bedre forståelse av N-sykling, avlingsutnyttelse og den generelle skjebnen til gjødsel N nødvendig for å forbedre forvaltningspraksisen som fremmer N-brukseffektivitet og minimerer miljøtap. Tradisjonelle N gjødsel studier primært fokusere på effekten av en behandling på slutten av sesongen målinger som avling utbytte, avling N opptak i forhold til N rate brukt (tilsynelatende gjødsel bruk effektivitet), og gjenværende jord N. Mens disse studiene kvantifiserer det generelle systemet N innganger, utganger og effektivitet, de kan ikke identifisere eller kvantifisere N i jord-avling systemet avledet fra gjødsel kilder eller jord. En annen tilnærming ved hjelp av stabile isotoper må brukes til å spore og kvantifisere skjebnen til gjødsel avledet N (FDN) i jord-avling systemet.

Nitrogen har to stabile isotoper, 14N og 15N, som forekommer i naturen i et relativt konstant forhold på 272:1 for 14N /15N1 (konsentrasjon på 0,366 atom % 15N eller 3600 ppm 15N2,3). Tilsetning av 15N beriket gjødsel øker det totale 15N-innholdet i jordsystemet. Som 15N beriket gjødsel blander med uenriket jord N, den målte endringen av 14N /15N ratio tillater forskere å spore FDN i jordprofilen og inn i avlingen3,4. En massebalanse kan beregnes ved å måle den totale mengden 15N-sporing i systemet og hver av delene2. Fordi 15N beriket gjødsel er betydelig dyrere enn konvensjonell gjødsel, 15N beriket mikroplott er ofte innebygd i behandlingsplottene. Formålet med denne metoden papir er å beskrive en liten tomt forskningsdesign utnytte mikroplots for flere in-season jord og plante prøvetaking hendelser for mais (Zea mays L.) og å presentere protokoller for å forberede plante og jord prøver for totalt 15N analyse. Disse resultatene kan deretter brukes til å estimere N gjødsel bruk effektivitet og opprette en delvis N budsjett regnskap for FDN i bulk jord og avlingen.

Protocol

1. Beskrivelse av feltområde MERK: Når du utfører 15N-prøver i sporingsfelt, bør valgte områder minimere variasjon på grunn av jord, topografi og fysiske funksjoner5. Krysskontaminering kan oppstå etter sideveis jordbevegelse på grunn av helling, vind- eller vannoverføring eller jord, mens den vertikale fordelingen av jord N kan påvirkes av undergrunnsvannføring og flisdrenering6. Beskriv det eksperimentelle felto…

Representative Results

Resultatene som presenteres i denne artikkelen kommer fra et feltområde etablert i 2015 ved University of Minnesota Southern Outreach and Research Center i nærheten av Waseca, MN. Nettstedet ble administrert som en mais-soyabønne [Glycine max (L.) Merr] rotasjon før 2015, men ble administrert som en mais-mais rotasjon i løpet av 2015 og 2016 vekstsesongene. Jorda var en Nicollet leire leire loam (fin-loamy, blandet, superaktiv, mesic Aquic Hapludolls)-Webster leire loam (fin…

Discussion

Stabil isotopforskning er et nyttig verktøy for sporing og kvantifisering av FDN gjennom jordavlingssystemet. Det er imidlertid tre hovedforutsetninger knyttet til N-sporingsstudier som hvis det brytes kan ugyldiggjøre konklusjoner hentet fra å bruke denne metoden. De er 1) tracer er jevnt fordelt i hele systemet, 2) prosesser under studien oppstår i samme hastigheter, og 3) N forlater 15N beriket bassenget returnerer ikke3. Fordi denne studien er interessert i fordelingen av total …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne anerkjenner støtten fra Minnesota Corn Research & Promotion Council, Hueg-Harrison Fellowship og Minnesota’s 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

References

  1. Sharp, Z. . Principles of Stable Isotope Geochemistry. , (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. , (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. Gomez, K. A., Gomez, A. A. . Statistical Procedures for Agricultural Research. , (1984).
  13. 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).
  14. Horneck, D. A., Miller, R. O. Determination of Total Nitrogen in Plant Tissue. Handbook of Reference Methods for Plant Analysis. , 75-84 (1998).
  15. . Carbon (13C) and Nitrogen (15N) Analysis of Solids by EA-IRMS Available from: https://stableisotopefacility.ucdavis.edu/13cand15n.html (2019)
  16. 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).
  17. . Fertilizing Corn in Minnesota Available from: https://extension.umn.edu/crop-specific-needs/fertilizing-corn-minnesota (2018)
  18. Blake, G. R., Hartge, K. H. Bulk Density. Methods of Soil Analysis: Part 1 Physical and Mineralogical Methods. , 363-375 (1986).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Olson, R. V. Fate of tagged nitrogen fertilizer applied to irrigated corn. Soil Science Society of America Journal. 44 (3), 514-517 (1980).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).

Play Video

Cite This Article
Spackman, J. A., Fernandez, F. G. Microplot Design and Plant and Soil Sample Preparation for 15Nitrogen Analysis. J. Vis. Exp. (159), e61191, doi:10.3791/61191 (2020).

View Video