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Soil Nutrient Analysis: Nitrogen, Phosphorus, and Potassium
  • 00:00Overview
  • 01:28Principles of Soil Nutrient Analysis
  • 04:12Extraction of Nutrients
  • 06:21Analyzing Samples for Nitrate
  • 07:52Analyzing Samples for Phosphate
  • 09:16Analyzing Samples for Potassium
  • 11:13Applications
  • 13:08Summary

土壌養分分析: 窒素、リンおよびカリウム

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Overview

マーガレット職人とキンバリー ・ フライ – デュポール大学のソース: 研究所

この実験では、3 土壌栄養素が化学的に抽出した土壌サンプルで現在の養分の濃度を決定する色を用いて分析して色ベースの試薬と組み合わせるが。

窒素、リンおよびカリウムは、土壌肥料の主要なコンポーネントです。これらのメソッドは、土壌サンプルで現在の栄養素の濃度濁度と色を使用して分析することができますソリューションに土壌から各栄養素を分離します。現在の濃度を知ること栄養素の欠乏や土壌植物生産をサポートするために使用で黒字の環境科学者を通知し、また一般的な生態系の物質循環の基本的な洞察を提供します。

Principles

化学的に土壌から分離された、このテクニックを使用して栄養素を検出できます。窒素とリン、硝酸塩やリン酸塩の形で一般的に見られる興味の栄養物を結合する化学的抽出剤と抽出されます。土壌から抽出される、各栄養素は栄養分の濃度の増加を示す暗い色の線形の関係で栄養固有色に変更する栄養解決を引き起こす知られている試薬と結合できます。各栄養素の濃度を分析するには、化学試薬は栄養分の濃度の増加を示す色強度の増加に伴い各サンプルの色に使用されます。

高い、中型の範囲の硝酸テスト カドミウム金属は硝酸塩 (3) を減らすために亜硝酸塩 (2) にされます。購入した Nitraver 5 (高および中範囲) Nitraver 6 (低域) のカドミウムが含まれている粉体の枕。

3 + Cd + 2 H+ いいえ2 + Cd2 + + H2O

亜硝酸イオン、(NitraVer 5 粉末に含まれている酸性培地) でスルファニル酸を反応中間ジアゾニウム塩を形成します。ゲンチジン酸 (NitraVer 5 にも含まれる) と相まって、琥珀色のソリューションが形成されます。 この化合物の色の鮮やかさは、試料水の硝酸態窒素濃度に比例し琥珀色ディスクの連続的な硝酸硝酸色コンパレータ ボックスを使用して定量化することができます。

リン、ナトリウム モリブデンとカリウム大量購入した PhosVer 3 試薬粉はリンモリブデン酸複合体のフォームに水溶性の反応性リン酸塩と反応します。

H2PO4 + 12 の Na2MoO4 + → PMo12O403-

複合体は、モリブデン ブルー色を形成する (また PhosVer 3 粉末に含まれている) アスコルビン酸によって減らされます。青の色は、青色ディスクの連続リン酸リン酸色コンパレータ ボックスを使用して定量化されます。

コンパレータ、色のボックスは、このメソッドの使用されています。このツールは 0-50 mg の間各濃度既知の色強度に基づいて動作する/l.(空白やサンプル) の試合まで両方の表示ウィンドウでカラー ボックスのカラー ディスクとなっています。色が一致すると、対応する栄養塩濃度 (mg/L) は色比較ボックスに別の下のウィンドウに表示されます。これらのボックスは、入門大学コースまで任意のレベルで学生に使用するのに十分な堅牢な土壌サンプリング場所で使用することができますキットのテストの一部として簡単に転送することができます。これらのメソッド使用できない機器の高価な作品を必要とせず教室ラボで基本的な栄養テストを可能にします。テストの精度、硝酸塩とリン酸塩標準溶液は現場への旅行またはラボの土壌試料の分析を開始する前の手順でサンプルの代わりに使うことをようにします。

カリウム テストでカリウム イオンを組み合わせてテトラフェニルホウ酸ナトリウム テトラフェニルホウ酸カリウム、白色沈殿物を形成するため、購入したカリウム 3 試薬を粉末に含まれています。沈殿物のサンプル、濁度の増加を引き起こしてのサスペンションのままです。

3 + Cd + 2 H+ NaB ない Na+ ++ K → KB (C6H5)4 (C6H5)4

カリウム測定のディップスティックを使用して、カリウム濃度に変換される濁度の量を定量化します。ディップスティックは、ドットが白色の沈殿物によって表示されなくなるまで、サンプルに配置されている 1 つの端に黒い点があります。ディップスティックは段階的変換グラフとカリウム濃度に変換し、可視性の大きさを示すためにマークされます。このメソッドは、入門大学コースまですべてのレベルの学生で使用される屋外のサンプリング サイトに、十分に堅牢に運ぶことができる最小限の設備と安価な手順です。

Procedure

1. 窒素の抽出 (硝酸なし3-) バランス オン上では、重量ボートを設定し、残高をゼロします。 ヘラを使って、10 g (乾燥し、ふるわれた) 土壌の重量を量り、ラベル 100 mL ビーカーに転送。 カルシウム硫酸塩 0.1 g を量りし、それをビーカーに転送します。 25 mL を使用してシリンダーのメジャー 20 mL の脱イオン水、ビーカーに転送を卒業しました。 窒素土壌ごとの 1.1 から 1.4 の手順を繰り返します。 徹底的に攪拌棒で各ビーカーの内容を混ぜます。 テーブル トップ シェーカーでサンプルを確保し、1 分間振る。 2. リンおよびカリウムの抽出 バランスをオンに上に、重量を量るボートを設定し、残高ゼロします。 土 (乾燥し、ふるわれた) の 2 g を量りにヘラを使用して、ラベル付き 100 mL ビーカーに転送。 25 mL のメスシリンダーを使用すると、シリンダー内に Mehlich 2 土壌抽出用溶液の 20 mL を測定します。ビーカーに転送します。 リンとカリウムの各サンプルに対して 2.1 2.3 の手順を繰り返します。 徹底的に攪拌棒で各ビーカーの内容を混ぜます。 テーブル トップ シェーカー テーブルにサンプルを確保し、5 分間振る。 3. 栄養抽出濾過 – この手順はすべての 3 検体 (硝酸態窒素、リン酸、カリウム) の実行 真空ジェットに漏斗ホースの片方の端を固定します。 フラスコのサイドアームにホースのもう一方の端を固定します。 シリンダーを一緒に撮って、漏斗をアセンブルし、上のディスクを穿孔します。場所フラスコの上部にゴム栓を挿入することによって側枝フラスコの上に組み立てられた漏斗の上に漏斗をセキュリティで保護します。 場所 1 漏斗の上にきれいなフィルター ペーパー。 真空ジェットを入れます。 ゆっくりとドレインと漏斗フラスコの底に土から抽出を許可する漏斗に土壌抽出液を注ぐ。 フィルタ リングの抽出を新しい、ラベル 50 mL ビーカーに注ぐ。この濾液をそのまま分析します。 脱イオン水をフラスコとリンス漏斗破棄ろ紙、目標到達プロセスを削除します。漏斗およびフラスコを乾燥するのに空気ジェットを使用します。 土壌ごとの 3.3 3.7 の手順を繰り返します。 4 硝酸イオン色コンパレータ付けサンプル分析 チューブを表示する 1 つの色”S”サンプルのチューブ”B”を表示する別の色のラベル空白。 脱イオン水で両方の色の表示管を徹底的にすすいでください。残りの洗浄水を削除する管を振る。 追加サンプル抽出物 (の準備手順 1.1 1.7) の少量約 ¼”深い色のマーク チューブを視野に”S”。ゴム栓とチューブをキャップし、このソリューション 3 s. 破棄の振る。 半月板は、チューブ (霜で覆われた領域の下部) に 5 mL のマークもまで両方のチューブにサンプル抽出を追加します。 チューブに 1 つ NitraVer 5 粉末枕の内容を追加”S”マーク。キャップし、チューブをシェイク積極的に正確に 1 分。 すぐに外穴と内側の管”S”チューブ”S”と”B”コンパレータにチューブ”B”を置く穴。 5 分を待つし、光源色のコンパレータを保持します。チューブ”B”のウィンドウの色チューブ”S”のウィンドウの色を一致するまでディスクが回転します。色比較演算子ボックスの下のウィンドウに表示される濃度値 (mg/L) を記録します。 すべて複製の手順 4.1 4.7、平均を記録します。 すべての硝酸態窒素のサンプル手順 4.8. 5 リン酸の色コンパレータ付けサンプル分析 2.5 mL スポイトを使用して、25 mL のメスシリンダーにフィルター処理された検体抽出液に (手順 2.1-2.6 の準備) の 2.5 mL を追加します。 脱イオン水、ストッパー付きカード, キャップの 25 mL マークを希釈し、ミックスに反転します。 チューブを表示する 1 つの色”S”サンプルのチューブ”B”を表示する別の色のラベル空白。 脱イオン水で両方の色の表示管を徹底的にすすいでください。残りの洗浄水を削除する管を振る。 希釈抽出約 ¼”の少量を追加深い色の表示管マーク”S”。ゴム栓とチューブをキャップし、数秒間振る、このソリューションを破棄します。 半月板は、チューブ (霜で覆われた領域の下部) に 5 mL のマークもまで両方のチューブにサンプル抽出を追加します。 “S”チューブに 1 つ PhosVer 3 粉末枕の内容を追加します。キャップし、精力的に 1分間がチューブを振る。 すぐに外穴と内側の管”S”チューブ”S”と”B”コンパレータにチューブ”B”を置く穴。 ステップ 5.8 を完了した後 3 分光源色コンパレータを保持します。チューブ”B”のウィンドウの色チューブ”S”のウィンドウの色を一致するまでディスクが回転します。ボックスの下の表示領域、色ディスク同時に選択された色の輝度に対応する濃度の値が表示されます。ウィンドウに表示濃度の値を記録します。 すべて複製の手順 5.1 5.10 を繰り返し、平均値を記録します。 すべてのリンのサンプル手順 5.10. 6. 試薬の追加とカリウムの分析 1 mL のスポイトを使用して、25 ミリリットル シリンダーにカリウム検体抽出液に (手順 2.1-2.6 の準備) の 3 mL を追加します。 シリンダーに 21 mL マークに DI 水を追加します。しっかりゴム ストッパー付きシリンダーのキャップし、ミックスに反転します。 1 カリウム 2 試薬粉枕をシリンダーに追加します。 アルカリ EDTA 溶液 3 mL をシリンダーに追加します。 シリンダーのキャップし、ミックスする数回を反転します。3 分のために立つソリューションを許可します。 1 カリウム 3 試薬粉枕の内容を追加します。 しっかりとシリンダーのキャップ、積極的に 10 振る s。 白濁りが発展するにつれ、3 分間立ってソリューションを許可します。 見ながらまっすぐにシリンダーに、ゆっくりと挿入カリウム ディップスティック垂直ソリューションまで黒い点はシリンダーの上から表示されなくなります。 その位置にディップスティックを保持し、シリンダーを回転することができますスケールは、ディップスティック。ディップスティックのスケールの表面を見てください。試料の表面が尿スケールを満たしているディップスティック スケールの番号を記録します。 すべての複製および平均 6.1 6.10 を繰り返します。すべてのカリウム サンプル 6.11 を繰り返します。 土壌試料中のカリウムの濃度を決定するカリウムの変換テーブルを参照してください。左のコラムで読んでディップスティックを検索し、右側の列に対応する mg/L の濃度を記録します。

Results

Each nutrient analysis will result in a concentration reported in mg/L.

Nitrate and Phosphate concentrations will be determined with the color comparator boxes and display the result in the window.

Figure 1
Figure 1. Example color disks for nitrate (left) and phosphate (right) color comparator boxes. Color intensities are on the outer edge of the disks and nutrient concentration (mg/L) are on the inner edge of the disks.

Table 1
Table 1. Potassium Conversion Table used to convert dipstick potassium reading into mg/L. Locate the dipstick reading on the left column and record the corresponding mg/L concentration on the right column.

Nitrogen Phosphorus Potassium
Nutrient level range in ppm
Low 0-15 0-25 0-60
Medium 15-30 25-50 60-100
High 30+ 50+ 100+

Table 2. Table of nutrient ranges arranged by categories.

Applications and Summary

Determining the nutrient concentrations for nitrate, phosphates, and potassium can reveal how a soil is functioning in regards to its intended use and how nutrients are cycling through a soil. A nutrient test provides a report of average nutrient concentration (mg/L) for all nutrients tested.  In an agricultural setting, knowing the concentration of nutrients can help food producers know when to add fertilizer, how much to add, and which nutrients need supplemented and in what amount. Consistently high nitrogen soils, for instance, would be good for growing nitrogen-demanding crops such as soy and corn. High nitrogen levels are also particularly useful for non-flowering plants because nitrogen is required for any green part of plants. High nitrogen levels can suppress flowering however, if they remain higher than phosphorus levels. Phosphorus controls flowering in plants and is important to any plant production involving flowering or fruiting plants and phosphorus is often added to soils or directly to plants before and during flowering and fruiting life-cycle stages to increase agricultural yields in larger crop size and increased amounts of fruit production per plant. Potassium is involved in catalyzing many chemical reactions required to support plant life including drought tolerance and moisture regulation. Low potassium soils will likely need to be irrigated if soil amendment is not possible. Nutrient concentration can also inform of nutrient deficiencies or surpluses that can be detrimental to plant growth.  If a nutrient is too high, amendments can be performed to reduce a surplus, such as adding mulch or tilling the soil. If nutrients are too low to support plant production, fertilization can be used to add nutrients in an amount needed for a specific crop. Low nutrient soil may also have more applicable uses to land managers for recreational or developed (paved surfaces or building construction) spaces. 

Transcript

Soil nutrient analyses can be carried out to extract three major soil macronutrients, nitrogen, phosphorus, and potassium, and combine them with color-based reagents to determine their concentration.

Nitrogen, phosphorus, and potassium are major components of soil fertilizer. Knowing their concentration in soils can inform environmental scientists of nutrient deficiency or surplus in soils used to support plant production, and provide a general insight into the basic biogeochemical cycles of an ecosystem.

Soil nutrient analysis can be carried out using chemicals to bind the macronutrient of interest. For nitrogen or phosphorus, reagents are added which react to the presence of the specific macronutrient and produce colored products. Potassium concentration is determined by forming precipitates in an amount proportional to potassium concentration.

These methods are simple, inexpensive, require minimal equipment, and can be carried out in a field setting if desired. This video will illustrate the techniques used to extract and quantify these common soil macronutrients.

To begin analysis, macronutrients are first extracted from collected soil samples. Nitrogen is extracted using calcium sulfate; phosphorus and potassium are extracted using Mehlich 2 solution, a solution of acetic acid, ammonium chloride, hydrochloric acid, hydrofluoric acid, and demineralized water.Boundmacronutrients present in suspension can then be separated from the remaining solid soil components by vacuum filtration.

Once macronutrients have been extracted, their concentration can be determined. For nitrogen, cadmium metal is used to reduce nitrates to nitrites. This cadmium is present in pre-packaged pillows that are added to the soil filtrate. The nitrite ions react with sulfanilic acid to form diazonium salt. This couples with gentisic acid and an amber solution is formed.

For phosphorus, sodium molybdate reacts with the soluble reactive phosphate to form a phospho-molybdate complex. This is then reduced by ascorbic acid to form a molybdenum blue color.

The color intensity of both solutions is proportional to the nutrient concentration. Color comparator boxes are used for analysis of nitrate and phosphate. Samples are compared to a blank, and the color disk is turned until both viewing windows match. The corresponding nutrient concentration in mg/L will be displayed in a separate window. The color intensity of both solutions is proportional to the nutrient concentration.

To quantify potassium, the ions from the soil filtrate combine with sodium tetraphenylborate to form potassium tetraphenylborate, a white precipitate. The precipitate remains in suspension, causing an increase in turbidity.

A potassium dipstick is used to quantify turbidity caused by the precipitate. The dipstick is placed in the sample and lowered until the black dot at the end is no longer visible. The stick is incrementally marked, and readings on this scale can be converted to potassium concentration using a conversion chart.

Now that we are familiar with the principles behind extraction and quantification of soil macronutrients, let’s take a look at how the procedures are carried out in the laboratory.

Once the soil samples have been collected, correctly transported, and stored, they can be brought into the laboratory for analysis, beginning with the nitrogen extraction. First, turn on the balance, set a weigh boat on top, and tare.

Using a spatula, weigh out 10 g of dried, sieved soil sample and transfer to a labeled 100-mL beaker. Next, weigh 0.1 g of calcium sulfate and transfer it to the beaker.

Measure out 20 mL of deionized water with a graduated cylinder and transfer to the beaker. Thoroughly mix the contents of the beaker with a stirring rod. Repeat these additions for each test soil sample. Secure samples on a tabletop shaker and agitate for 1 min.

To begin extraction of phosphorus and potassium from the soils, use a spatula to weigh out 2 g of dried, sieved soil sample, and transfer to a labeled 100-mL beaker. With a graduated cylinder, measure 20 mL of Mehlich 2 soil extractant and transfer to the beaker. Thoroughly mix the contents of the beaker with a stir rod. Secure samples on a tabletop shaker and agitate for 5 min. After extraction, all three nutrient sample sets should be vacuum filtered using a vacuum flask and Büchner funnel.

First, turn on the vacuum jet and slowly pour the soil extract solution into the funnel. Extract should drain from the funnel, into the flask. Pour the filtrate into a clean, labeled 50-mL beaker. Remove the funnel, discard filter paper, and rinse funnel and flask with deionized water. Use an air jet to dry the funnel and flask.

Now the nutrient samples have been filtered, content analysis can begin. For each nutrient test, begin by labeling a color viewing tube with an “S”, for sample. Label a second with a “B” for blank.

Thoroughly rinse both color viewing tubes with deionized water, then shake to remove the remaining rinse water. Add the sample extract to a depth of ¼ inch in the color viewing tube marked “S”. Cap the tube with a rubber stopper and shake for 3 s, then discard the solution.

Next, add the sample extract to both tubes until the meniscus is even with the 5-mL mark on the tubes, at the bottom of the frosted area. Add the contents of one nitrogen reagent pillow to the tube marked “S”. Cap and shake the tube vigorously for 1 min. Immediately place both tubes into the comparator, with tube “B” in the outside hole, and tube “S” on the inside. Leave for 5 min.

Hold the comparator up to a light source and rotate the disc until the color in the window for tube “B” matches that in the window for tube “S”. Record the concentration value displayed in the lower window of the color comparator box.

Samples can also be analyzed for phosphate content using the color comparator. Using a dropper, add 2.5 mL of the filtered phosphorus sample extract to a 25 mL graduated cylinder. Add deionized water to the 25 mL mark, cap with a stopper, and invert to mix. Add the diluted sample extract to about ¼ inch deep in the color viewing tube marked “S” to rinse the tube. Cap with a rubber stopper, and shake for a few seconds before discarding the solution.

Into both tubes, add the sample extract until the meniscus is even with the 5 mL mark. Add the contents of one phosphorus reagent pillow to the “S” tube, cap, and shake vigorously for 1 min. Immediately place the color tubes into the color comparator, with the blank tube in the outside hole, and the sample tube in the inside hole. Leave for 3 min. Hold the comparator up to a light source, and rotate the disc until the window for tube “B” matches the color in the window for tube “S”. Record the value displayed in the window.

Finally, samples can be analyzed for potassium content. Using a dropper, add 3 mL of potassium sample extract to a 25 mL cylinder. Add deionized water to the 21 mL mark on the cylinder, cap firmly with a rubber stopper, and invert. Next, add one potassium 2 reagent pillow to the cylinder. Add 3 mL of an alkaline EDTA solution to the cylinder, cap with a rubber stopper, and invert several times to mix. Let the solution stand for 3 min. Add the contents of one potassium reagent pillow, cap the cylinder and shake vigorously for 10 s. Allow the solution to stand for 3 min as a white turbidity develops.

Looking straight down into the cylinder, slowly insert the potassium dipstick vertically into the solution until the black dot is no longer visible from above. Hold the dipstick in position and rotate the cylinder to view the scale. Record the number on the dipstick scale where the surface of the sample meets the dipstick. Refer to the potassium conversion table to determine the concentration of samples in mg/L. Locate the dipstick reading in the left hand column, and record the corresponding mg/L concentration reported in the right hand column.

Once concentrations are obtained, a table of nutrient ranges can be used to assess sample quality and determine whether sampled soil needs nutrient amendment, and if so, how much. Nutrient amendment can be carried out by application of specific fertilizers.

The ability to analyze the soil nutrient composition of soils has a wide variety of applications, with potential implications for human populations or agricultural ecosystems.

Different crop plants will have different potential nutrient requirements for optimal growing. For example, high nitrogen levels are needed for growing nitrogen-demanding crops, such as soy and corn. High levels of phosphorus can stimulate and enhance flower or fruit production. The ability to measure soil nutrient composition in an intended crop growing area can therefore allow farmers or land managers to supplement the soil with necessary nutrients to grow their intended crop successfully.

The composition of soil can also have implications for its ability to retain water, which can in turn influence its ability to support different flora or fauna. For example, low potassium soils have poor drought tolerance, and may require nutrient amendment, by fertilization of the soil with appropriate amounts of the missing nutrient. Alternatively, irrigation may be necessary to grow any plants that do not display high drought tolerance.

Soil composition and nutrient quality can also help inform land managers to designate appropriate land-use. In areas where the soil has poor nutrient quality, that would require heavy modification or supplementation to grow crop plants, setting aside land for development of buildings or structures may be more appropriate. Alternatively, areas with ideal composition for intended crop growing can be earmarked and set aside, protected from development.

You’ve just watched JoVE’s introduction to Soil Nutrient Analysis. You should now understand the importance of soil macronutrients, how to extract them from soils, and how to determine their concentrations. Thanks for watching!

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JoVE Science Education Database. JoVE Science Education. Soil Nutrient Analysis: Nitrogen, Phosphorus, and Potassium. JoVE, Cambridge, MA, (2023).

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