Published December 6, 1984 | Version v1
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Isotopic labelling contribution to nitrogen transfer evaluation between organic and mineral compartments in soil-plant systems

Description

This report aims at studying some pathways of the nitrogen cycle by means of the stable isotope 15N. 15N-tracer techniques are explained and comments made on terms commonly used. Emission spectrometry is proposed as a substitute for mass spectrometry for 15N analysis. This technique is simpler than mass spectrometry and is described briefly. Nitrogen in the soil is continuously involved in two opposite transformation processes, namely mineralization and immobilization. The turning under of 15N-enriched crop residues with differing C/N values (green manure and cereal straw) makes it possible to follow the mineralization process of both soil and crop residue nitrogen. C/N values over 20 favours the immobilization process. Mineral N is incorporated into various organic fractions which are separated by acid hydrolysis; the tracer is recovered mainly in the amino acid forms. When evaluating the simultaneous transfers between mineral and organic nitrogen forms it was found that the amounts actually at work (gross processes) are much higher than those observed directly (net processes). A Method is suggested for measuring the amounts involved in the gross processes. It is based on the variation of the tracer amounts in the mineral form. This method allows also the determination of nitrogen leaving the soil-plant system (losses). Losses may be due to ammonia volatilization, denitrification and lixiviation. Volatilization losses were small in our experiments. Denitrification losses were high in some cases; the evaluation of these losses through an 'in vitro' method is described but the actual denitrification is difficult to be valuated in the field. Lixiviation losses as determined by lysimeter experiments were very small in normally cultivated soils but high in bare soils. The true percent plant recovery of fertilizer N was measured in several pot, lysimeter and field experiments. The average recovery value ranged between 50 and 70% though some individual values were either much lower or much higher. A nearly 100% plant recovery value is possible in thoroughly controlled conditions. Such a goal is not advisable in the long run as the amount of soil organic matter would decrease even if crop residues are ploughed in or turned under. Determination of the A value is usually utilized as a measure of the soil nitrogen available to the crop. This value bears little interest and ought to be used with care. The biological processes involved in the nitrogen cycle are complex as they are often antagonistic. 15N is a useful tool and is sometimes required for quantitative evaluations. (author)

Abstract (French)

Ce memoire est divise en trois parties: - La premiere traite des conditions generales d'utilisation des traceurs et plus particulierement des methodes d'analyses de l'azote 15. - La deuxieme porte sur l'application de cette technologie isotopique a quelques etapes du cycle de l'azote. - La troisieme aborde la partie pratique concernant les apports d'engrais indispensables a la production vegetale. Apres un rappel de differentes definitions (notamment celle de l'exces isotopique), les conditions d'emploi de la methode de dilution isotopique sont definies et les methodes analytiques exposees. Grace a la mise au point de la spectroscopie optique, une technique de mesure plus simple et moins exigeante que la spectrometrie de masse est disponible. Des precautions doivent etre prises car la facilite de manipulation du spectrometre optique peut masquer des erreurs analytiques graves commises dans la preparation anterieure des echantillons. Cette technique est decrite et les calculs des enrichissements isotopiques sont detailles. Par ailleurs une methode permettant de doser quantitativement l'azote (y compris sous forme nitrique) dans les sols et les vegetaux est proposee. Enfin l'azote etant present dans le sol sous differentes formes organiques, une technique simple de fractionnement par hydrolyse acide est mise au point. L'azote mineral marque s'incorpore dans differentes fractions de la matiere organique et principalement dans celles contenant les acides amines. Cette organisation est favorisee tant en valeur absolue qu'en vitesse par l'apport de carbone activant la microflore tellurique. Lors d'une culture cette organisation se produit dans les racines qui constituent une source de matiere organique heritee pour le sol. La distinction entre l'azote organique des racines et celui des microorganismes du sol est difficile. Une methode de separation doit etre trouvee. Enfin au cours de ces fractionnements, il est apparu une grande heterogeneite du marquage isotopique des differents composes organiques; il s'impose une grande prudence dans l'interpretation des resultats experimentaux. Les pertes d'azote hors du systeme sol-plante peuvent etre de trois sortes: volatilisation d'ammoniac, denitrification et lixiviation. Dans nos essais, hormis ceux en climat tropical, les pertes par volatilisation d'ammoniac sont faibles; par contre, suivant les conditions, celles par denitrification ou lixiviation peuvent concerner la quasi-totalite d'un engrais nitrique. Une technique utilisee pour definir la quantite d'azote du sol disponible pour la culture est celle de la valeur A; cette mesure se fait aisement avec l'utilisation des engrais marques et les calculs sont effectues sur un certain nombre d'exemples. Il en ressort des resultats tout a fait variables d'un essai sur l'autre. Plusieurs raisons expliquent ces variations. Il semble que la valeur A presente un interet limite et son utilisation a des fins agronomiques ne doit se faire qu'avec prudence. Ces resultats montrent que le cycle de l'azote dans la biosphere est un systeme complexe dont plusieurs composantes antagonistes peuvent evoluer simultanement, sous l'action de differents parametres qu'il est parfois difficile sinon impossible de controler totalement. L'emploi de l'azote quinze permet de preciser nos connaissances pour une meilleure gestion de ce 'Cycle de l'Azote'.

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Original title (French)
Contribution du marquage isotopique a l'evaluation des transferts d'azote entre les compartiments organiques et mineraux dans les systemes sol-plante

Publishing Information

Imprint Pagination
342 p.
Report number
FRCEA-TH--13131

Optional Information

Notes
[360 refs.]; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses