Summary

Projeto de microtrat e preparação de amostras de plantas e solo para 15análises de nitrogênio

Published: May 10, 2020
doi:

Summary

Um projeto de microtrama para pesquisa de rastreador de 15N é descrito para acomodar múltiplos eventos de amostragem de plantas e solos na estação. São apresentados procedimentos de coleta e processamento de amostras de solo e plantas, incluindo protocolos de moagem e pesagem, para análise de 15N.

Abstract

Muitos estudos de fertilizantes nitrogenados avaliam o efeito global de um tratamento em medições de fim de temporada, como rendimento de grãos ou perdas cumulativas n. Uma abordagem estável de isótopos é necessária para acompanhar e quantificar o destino do fertilizante derivado N (FDN) através do sistema de cultura do solo. O objetivo deste artigo é descrever um projeto de pesquisa de pequeno porte utilizando microtramas enriquecidas de 15N não confinadas para múltiplos eventos de amostragem de solo e plantas ao longo de duas estações de cultivo e fornecer protocolos de coleta, manuseio e processamento de amostras para análise total de 15N. Os métodos foram demonstrados usando um estudo replicado do centro-sul de Minnesota plantado em milho(Zea mays L.). Cada tratamento consistia em seis linhas de milho (76 cm de espaçamento de linha) de 15,2 m de comprimento com uma microtrama (2,4 m por 3,8 m) embutida em uma extremidade. A ureia de grau de fertilizante foi aplicada a 135 kg N∙ha-1 no plantio, enquanto o microempresário recebeu ureia enriquecida a 5 átomos % 15N. Amostras de solo e plantas foram colhidas várias vezes durante toda a estação de cultivo, tomando o cuidado de minimizar a contaminação cruzada usando ferramentas separadas e separando fisicamente amostras não enriquecidas e enriquecidas durante todos os procedimentos. Amostras de solo e plantas foram secas, moída para passar por uma tela de 2 mm e, em seguida, moída a uma consistência semelhante a farinha usando um moinho de pote de rolo. Estudos rastreadores requerem planejamento adicional, tempo de processamento amostral e trabalho manual, e incorrem em custos mais elevados para materiais enriquecidos em 15N e análise de amostras do que os estudos tradicionais n. No entanto, utilizando a abordagem de equilíbrio de massa, estudos rastreadores com múltiplos eventos amostrais na estação permitem ao pesquisador estimar a distribuição de FDN através do sistema de culturas de solo e estimar fdn não contabilizado do sistema.

Introduction

O uso de nitrogênio de fertilizantes (N) é essencial na agricultura para atender às demandas alimentares, fibras, rações e combustíveis de uma população global crescente, mas as perdas de N dos campos agrícolas podem impactar negativamente a qualidade ambiental. Como n passa por muitas transformações no sistema de culturas do solo, uma melhor compreensão do ciclismo N, utilização de culturas e o destino geral do fertilizante N são necessários para melhorar as práticas de manejo que promovam a eficiência do uso de N e minimizem as perdas ambientais. Os estudos tradicionais de fertilizantes N concentram-se principalmente no efeito de um tratamento em medições de fim de temporada, como rendimento da cultura, absorção de N em relação à taxa N aplicada (eficiência aparente do uso de fertilizantes) e solo residual N. Embora esses estudos quantifiquem os insumos, saídas e eficiências globais do sistema N, eles não podem identificar nem quantificar N no sistema de cultura do solo derivado de fontes de fertilizantes ou do solo. Uma abordagem diferente usando isótopos estáveis deve ser usada para rastrear e quantificar o destino do fertilizante derivado N (FDN) no sistema de cultura do solo.

O nitrogênio tem dois isótopos estáveis, 14N e 15N, que ocorrem na natureza em uma razão relativamente constante de 272:1 para 14N/15N1 (concentração de 0,366 átomo % 15N ou 3600 ppm 15N2,,3). A adição de 15N de fertilizante enriquecido aumenta o teor total de 15N do sistema de solo. Como 15N mistura de fertilizante enriquecido com solo não enriquecido N, a variação medida da razão de 14N/15N permite aos pesquisadores rastrear a FDN no perfil do solo e na cultura3,,4. Um saldo de massa pode ser calculado medindo a quantidade total de rastreador de 15N no sistema e cada uma de suas partes2. Como os fertilizantes enriquecidos de 15N são significativamente mais caros que os fertilizantes convencionais, microtraídos enriquecidos de 15N são frequentemente incorporados dentro das parcelas de tratamento. O objetivo deste artigo de métodos é descrever um projeto de pesquisa de pequeno porte utilizando microtramas para múltiplos eventos de amostragem de solo e plantas na estação para milho (Zea mays L.) e apresentar protocolos para preparação de amostras de plantas e solos para análise total de 15N. Esses resultados podem então ser usados para estimar a eficiência do uso de fertilizantes N e criar uma contabilidade parcial do orçamento N para a FDN no solo a granel e na cultura.

Protocol

1. Descrição do site de campo NOTA: Ao realizar testes de campo de rastreamento de 15N, os locais selecionados devem minimizar a variação devido ao solo, topografia e características físicas5. A contaminação cruzada pode ocorrer após o movimento lateral do solo devido à inclinação, translocação eólica ou de água, enquanto a distribuição vertical do solo N pode ser impactada pelo fluxo de água subsuperficial e drenagem de telhas<sup class="xre…

Representative Results

Os resultados apresentados neste artigo vêm de um site de campo criado em 2015 no Centro de Pesquisa e Extensão do Sul da Universidade de Minnesota, localizado perto de Waseca, MN. O local foi gerenciado como uma rotação de milho-soja [Glycine max (L.) Merr] antes de 2015, mas foi gerenciado como uma rotação de milho-milho durante as temporadas de crescimento de 2015 e 2016. O solo era um loam de argila Nicollet (fina-loamy, misto, superativo, mesic Aquic Hapludolls)-Webste…

Discussion

A pesquisa de isótopos estáveis é uma ferramenta útil para rastrear e quantificar a FDN através do sistema de cultura do solo. No entanto, existem três premissas principais associadas a estudos de rastreadores N que, se violadas, podem invalidar conclusões extraídas do uso dessa metodologia. São 1) o rastreador é uniformemente distribuído em todo o sistema, 2) processos sob o estudo ocorrem nas mesmas taxas, e 3) N deixando a piscina enriquecida de 15N não retorna3. Como est…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Os autores reconhecem o apoio do Minnesota Corn Research & Promotion Council, da Hueg-Harrison Fellowship e da Bolsa de Economia de Descoberta, Pesquisa e InnoVation de Minnesota (MnDRIVE).

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