Home About Browse Search
Svenska


Metoder för förvaring och homogenisering av jordprover vid bestämning av mineralkväve

Lindén, Börje (2013). Metoder för förvaring och homogenisering av jordprover vid bestämning av mineralkväve. Uppsala: (NL, NJ) > Dept. of Soil and Environment
(S) > Dept. of Soil and Environment
, Sveriges lantbruksuniversitet. Rapport (Sveriges lantbruksuniversitet, Institutionen för mark och miljö) ; 11
[Report]

[img]
Preview
PDF
964kB

Abstract

I forskning och försök med bestämning av mineralkväve (ammonium- och nitratkväve) i markprofiler är det viktigt att förvara de uttagna proverna så att deras kväveinnehåll vid analys påverkas så lite som möjligt. Detta gäller under all hantering efter provtagning: transport, lagring, provberedning och extraktion. Omedelbar analys samma dag som proverna tagits ut vore naturligtvis det bästa. I praktiken är detta dock sällan möjligt. Normalt måste proverna lagras en tid. Torkning av proverna före förvaringen kan emellertid ge stora fel till följd av kvävemineralisering och nitratbildning. Då återstår i praktiken bara djupfrysning av proverna så snart som möjligt efter provtagning. Det kan dock vid provtagning i fältförsök i andra landsdelar vara svårt eller omöjligt att djupfrysa proverna under pågående fältarbete och resa. I samband med sådana provtagningar uppkommer frågan, hur jordproverna bör förvaras un¬der transporten, fram till dess att de kan djupfrysas i väntan på senare analys. När djupfrysta jord-prover skall analyseras för bestämning av ammonium- och nitratkväve, måste homogeniseringen av hela jord¬mängden (1-2 kg eller mer) ske i ursprungligt, fältfuktigt tillstånd. En möj-lighet är då upptining av de frysta proverna i kylrum, vid rumstemperatur eller t.o.m. i mikrovågsugn, så att jorden sedan kan blandas. Risk finns dock att upptiningen leder till större förändringar av innehållet av ammonium- och nitratkväve genom mineralisering av organiskt kväve och nitrifikation. Härtill har jordproverna ofta hög vattenhalt och är kladdiga i ofruset tillstånd. Detta kan göra det svårt att homogenisera dem tillfredställande före uttagning av delprover för extraktion.

Om man i bibehållet fruset tillstånd istället krossar stora, frysta jordprover till små fragment, kan provberedning och invägning utföras utan att jorden kladdar. År 1983 lanserade dåvarande Kemiska stationen i Kristianstad en kvarn för söndermalning av djupfrysta jordprover, så att små fortsatt frusna jordfragment erhölls för invägning. Arbetet kunde därmed ske snabbare och säkrare. En förbättrad version av denna ”frysmalningskvarn” utvecklades några år senare vid dåvarande Avdelningen för växtnäringslära, Institutionen för markvetenskap, SLU, där denna kvarntyp sedan dess rutinmässigt använts vid mineralkvävebestämning i jord.

I syfte att utveckla säkra förfaranden för hantering av jordprover i sam¬band med bestämning av ammonium- och nitratkväve genomfördes vid Avdelningen för växtnäringslära 1988-1992 fyra olika metodundersökningar med fältfuktiga jordprover, som lagrats och/eller homogeniserats på olika sätt. Jordarna extraherades med 2 M KCl i jord-vätskeförhållandet 1:2,5 genom skakning över en natt. Analysvärdena uttrycktes främst i kg N/ha, vanligen beräknat för ett 30 cm djupt matjordslager. För utvärdering av olikheter i mängderna mineralkväve mellan behandlingarna har den bedömningen gjorts, att skillnader mindre än omkring 4 kg N/ha inom ett sådant jordskikt kan anses godtagbara. Detta avser här skillnader mellan erhållna medelvärden. Skillnader mindre än 4 kg N/ha anses här godtagbara även om de visat sig vara statistiskt signifikanta. Mångåriga erfarenheter tyder på att så små avvikelser annars brukar vara slumpartade, och de är dessutom obetydliga jämfört med t.ex. grödornas kväveupptag.
Förvaring av fältfuktiga jordprover: djupfrysning eller lagring vid plusgrader i jämförelse med omedelbar extraktion av färsk jord
I fem jordar från Uppland gjordes följande jämförelser: omedelbar extraktion av färsk jord (dag 0), djupfrysning av jordprover (-20oC) i 10 dygn samt förvaring vid +4oC, +8oC och +20oC i 3, 6 och 10 dygn vid varje temperatur. Djupfrysning visade sig öka ammoniumkvävet något men utan att störa bedömningen av resultaten vid praktisk tillämpning. Nitratkvävet blev i stort sett oförändrat. Djupfrysning kan därför anses vara en säker förvaringsmetod. Förvaring vid plusgrader inverkade inte påtagligt på ammoniumkvävet, troligen till följd av nitrifikation av ammoniumkväve som bildats genom mineralisering under lagringen. Vid förvaring i +4oC och +8oC fram till dag 6 började en svagare ökning av nitratkvävet att märkas. Fram till dag 10 blev dock nitrattillskottet så stort, att osäkerhet i tolkningen av resultaten skulle ha kunnat uppstå. Detta gällde i ännu högre grad efter förvaring vid +20oC i 6-10 dygn. Resultaten visar att förvaring vid kylskåpstemperaturer (ofta definierad som +4oC…+8oC) i några dygn och vid +20 oC upp till ett par dygn är möjlig vid bestämning av mineralkväve, om proverna inte omedelbart kan djupfrysas.
Hantering av prover från organogena jordar: djupfrysning eller lagring vid plusgrader i jämförelse med omedelbar extraktion av färsk jord
I en undersökning med bestämning av mineralkväve i 19 mulljordsprover från Närke och Uppland jämfördes A) omedelbar extraktion av färsk jord, varefter extrakten förvarades vid +4oC i sju dygn, och B) djupfrysning i sju dygn följd av extraktion av de frusna jordproverna. Därefter analyserades extrakten från båda behandlingarna genast. Ammoniumhalterna i de kyllagrade extrakten från de färska mulljordsproverna blev i medeltal 21,5% högre än i extrakten från de frysta proverna. Om ammoniumkväveinnehållet i ett 30 cm tjockt matjordlager uppgår till 10-40 kg N/ha, vilket var fallet i jordarna från Närke, kan detta påverka den prak-tiska tolkningen av analysresultaten vid mängder i den övre hälften av detta intervall enligt ovan nämnda kriterier. Nitratkvävehalterna blev i medeltal 4,9 % högre i extrakten från den färska jorden. Det är möjligt att förvaringen av extrakten medverkade till de högre ana-lysvärdena efter extraktionen av färsk mulljord. Extraktion av färsk och av djuptfryst organogen jord synes egentligen vara i stort sett likvärdiga alternativ, men extrakten (i 2 M KCl) bör för säkerhets skull analyseras direkt utan förvaring.

I en annan undersökning togs jordprover ut på 0-30, 30-60 och 60- 90 cm djup i en organogen jord i Västmanlands län, där följande provbehandlingar studerades: omedelbar extraktion av färsk jord (dag 0), kylförvaring vid +6oC i 2, 4, 7 och 11 dygn samt frysförvaring vid omkring -20oC i 11 dygn. De frysta proverna extraherades med början i fryst tillstånd. Frågan var hur stora de summerade analysfelen kan bli vid mineralkvävebestämning i hela markprofilen 0-90 cm efter olika sätt att förvara prover från jordar med mycket stora mineralkvävemängder. Efter omedelbar extraktion av färska jordprover fastställdes 269 kg mineralkväve per ha inom 0-90 cm djup. Efter djupfrysning erhölls 264 kg N/ha. Vid kylförvaring av jordarna uppkom under de 11 dygnen inga påtagligare skillnader i mängderna ammoniumkväve jämfört med omedelbar extraktion av färsk jord. Nitratkvävemängderna i markprofilen tilltog bara sakta under de första fyra dagarna, men fram till dag 7 och 11 uppkom statistiskt signifikanta ökningar, som skulle kunna störa tolkningen av värdena. Även denna studie visar att omedelbar analys av färsk jord och frysförvaring (utan efterföljande upptining) kan ses som likvärdiga alternativ, och kylförvaring av jordprover i några få dagar tycks också vara möjlig.
Inverkan av frysmalning av frysta jordprover jämfört med upptining
Med jordprover från sex platser i Uppland studerades följande behandlingar: A) omedelbar extraktion av färsk jord (dag 0), B) djupfrysning av jord (dag 0) och upptining på en labo-ratoriebänk (rumstemperatur) över natten mellan dag 6 och 7 samt homogenisering och extraktion på morgonen dag 7 och C) djupfrysning av jord (dag 0) samt frysmalning och extraktion dag 7 (med början i fruset tillstånd). Frysmalningen gjordes med den beskrivna, modifierade kvarnen. Upptining visade sig medföra så pass stora tillskott av både ammonium- och nitratkväve, att denna metod bör undvikas. Ökningarna efter extraktion av frysmalda prover blev tydligt mindre och höll sig för summa ammonium- och nitratkväve tydligt inom den angivna gränsen på 4 kg N/ha för godtagbara skillnader inom ett 30 cm djupt jordskikt.

Rekommendationer
För säker hantering av jordprover efter provtagning samt under transport, förvaring, homogenisering och extraktion för mineralkvävebestämning föreslås följande arbetssätt på basis av de redovisade studierna, refererade undersökningar och mångåriga erfarenheter vid Avdelningen för växtnäringslära och dess efterföljare:

● Fortast möjligt efter provtagning tas jordproverna om hand och förvaras på ett sådant sätt, att de inte värms upp. Helst bör de hållas svalt i en låda med fryselement under de årstider då det är mer än 4-8oC utomhus. Solstrålning kan dock värma upp proverna även vid svalare väder, t.ex. om de ställs in i en bil.

● Jordproverna djupfryses helst samma dag som de tagits ut, särskilt om de inte kan analyseras inom ett par dagar. Saknas möjlighet att djupfrysa proverna, vilket kan inträffa vid provtagning i en annan landsdel, är det möjligt att transportera dem i färskt tillstånd under loppet av ett eller två dygn till laboratoriet eller den plats där de kan djupfrysas. Trots att undersökningsre¬sultaten tyder på att åtminstone någon dags förvaring av färsk jord vid temperaturer upp till +20oC är möjlig, bör temperaturen för säkerhets skull hållas lägre.

● Efter djupfrysning kan jordproverna förvaras under lång tid, men de får inte tinas upp av misstag. Under de efterföljande arbetsmomenten homogenisering, invägning och extraktion hålls jorden likaså frusen tills extraktionsvätskan (2 M KCl) har tillsatts.

● I samband med provberedningen tas proverna inte ut från frysförvaringen förrän i det ögonblick då de skall frysmalas. Efter frysmalningen blandas jorden för säkerhets skull ytterligare för hand. Sedan vägs jorden genast in i fruset tillstånd, varefter extraktionsvätskan omedelbart tillsätts.

● Extraktion sker sedan i roterande skak under 1-2 timmar. Extraktion över natten underlättar visserligen fullständig dispergering av lerjordsprover, men detta kan medföra förhöjda ammoniumkvävevärden. Extrakt i 2 M KCl anses hållbara, åtminstone vid förvaring i kyla. Extrakt av organogena jordar bör dock analyseras direkt utan förvaring.

● Som ett alternativ till djupfrysning kan färska jordprover förvaras vid kylskåpstemperatur (+4-8oC) upp till tre-fyra dagar före analys. Ett problem vid förvaring av fältfuktiga jordprover vid plusgrader är emellertid, att homogeniseringen ofta blir arbetsam, tidsödande och ibland ofullständig, eftersom detta arbete är svårt att effektivisera. Detta gäller särskilt kladdiga lerjordsprover. Djupfrysning och efterföljande frysmal¬ning med kvarn underlättar detta arbete. Kvarnen möjliggör standardisering av homogeniseringen, så att denna blir lika effektiv för alla prover.

● När djupfrysta prover skall homogeniseras och analyseras, finns annars möjligheten att tina och sedan blanda dem. Förutom besvärligt homogeniseringsarbete medför dock sådan upptining risk för påtagligt förhöjda mineralkvävevärden och bör därför undvikas.

Authors/Creators:Lindén, Börje
Title:Metoder för förvaring och homogenisering av jordprover vid bestämning av mineralkväve
Alternative abstract:
LanguageAbstract
English

In research with determination of soil mineral nitrogen (ammonium and nitrate nitrogen), it is important to preserve soil samples under such conditions that their nitrogen contents remain unaltered. After sampling, this is valid for transport, storage, homogenisation, weighing and finally extraction of the soil. Following sampling, immediate analysis would be most reliable, but this is seldom possible in practical research work. Normally, soil samples must be stored for some time. Air-drying of samples as a preservation method, however, may lead to analysis errors due to additions of ammonium and nitrate nitrogen caused by mineralisation and nitrifi-cation during the drying procedure. Therefore, the most convenient method of soil sample preservation seems to be deep-freezing (about -20oC) as soon as possible after soil sampling for mineral nitrogen determination. However, following sampling in field experiments in regions far from the laboratory, it may be difficult to freeze soil samples during the on-going field work and during the subsequent transport. Under such circumstances it is important to know how to handle the samples during this time (sometimes as much as 2-3 days) until they can be deep-frozen after the arrival in, e.g., the laboratory.

Before determination of ammonium and nitrate nitrogen, the whole of an individual frozen soil sample (1-2 kg or even more) must be homogenised in its original field-moist state. For this, the frozen samples may be thawed in a refrigerator, in room temperature or even in a microwave oven. However, thawing may increase the contents of ammonium and nitrate nitrogen due to mineralisation and nitrification. This would influence the nitrogen content of individual samples differently as thawing of large soil samples requires more time than smaller samples. Moreover, soil samples are frequently wet and smeary, making homogenisation of the soil and subsequent weighing of subsamples before extraction laborious and timeconsuming. Under such conditions, the accuracy of the work may often be questioned.

In principle, every small part of a composite soil sample, and every piece of an individual soil core, should be represented in the small amount taken out for extraction. This requirement can be fulfilled if a frozen soil sample (at -20oC or colder) is dashed to small, still frozen pieces similar to gravel in size. Soil samples consisting of such small, frozen pieces can rapidly be weighed for extraction. This also makes standardisation of the homogenisation procedure possible. In 1983, a laboratory (Kemiska Stationen) in Kristianstad, Sweden introduced a soil mill for grinding frozen soil samples (see the cover and Figures 5-12). In this mill a frozen soil sample is pressed down into a vertical square conduit by means of a wooden piston. The soil is crushed to small pieces when passing a narrow passage between the front wall and a rotating roller, with grating edges, in the lower part of the conduit. The dashed soil sample is collected in a box under the conduit. However, this mill had certain drawbacks causing some thawing and therefore smeary conditions in the interior of the mill due to frictional heat. Moreover, soil residues frequently remained in the mill due to incomplete grinding of the sample. The construction was later modified at the former Division of Soil Fertility, Department of Soil Sciences, Swedish University of Agricultural Sciences. In the new version, equipped with a front steel door, the passage between the roller and the front door is adjusted so that the soil sample can pass faster, without generating frictional heat and smeary conditions. Thereby the sample is ground to pieces remaining frozen, with a diameter of 5-10 mm and smaller, and without unground soil residues. The distance between the front door and the grating wheel is adjustable, thus allowing for grinding soil to particles of a desired size.

In order to develop reliable methods of handling soil samples for determination of ammo¬nium and nitrate nitrogen, four investigations were carried out at the Division of Soil Fertility in 1988-1992 with field-moist soil samples stored and/or homogenised in different ways. The soils were extracted with 2 M KCl overnight and with a soil/extractant ratio of 1:2.5. The results were generally expressed in kg N/ha for a 0-30 cm topsoil layer. For the evaluation of differences in the amounts of soil mineral nitrogen between the treatments, it has been as-sumed that differences less that about 4 kg N/ha within such a depth are acceptable. This refers to differences between averages obtained. Differences according to this criterion (<4 kg N/ha) are here considered acceptable also if they are statistically significant. Otherwise, experience shows that such small discrepancies normally are random, and they are insignificant in comparison with, e.g., crop uptake of nitrogen.
Preservation of field-moist soil sample: storage at degrees above zero or deep-freezing in comparison with immediate extraction of fresh soil
With five soils, the following sample treatments were compared: immediate extraction of fresh soil (day 0), deep-freezing (-20oC) for 10 days and nights, and storage of soil samples at +4 oC, +8 oC and +20 oC for 3, 6 and 10 days and nights at each temperature. The frozen soil samples remained frozen until extraction. After extraction at the times mentioned, extracts were stored deep-frozen until analysis on day 16. Deep-freezing soils led to somewhat increased amounts of ammonium nitrogen, but without jeopardising the evaluation of the results for practical applications according to the criterion stated above. Nitrate nitrogen remained largely unaltered. Thus deep-freezing can be regarded a reliable method of soil preservation. Storage at degrees above zero did not affect ammonium nitrogen distinctly, probably due to nitrification of ammonium formed through mineralisation during storage. After keeping the samples at +4 oC and +8 oC until day 6, a smaller increase in the contents of nitrate nitrogen occurred. Until day 10, however, the additions of nitrate nitrogen were so large that the evaluation of the results in practice would be uncertain. This was still more evident after storage at +20 oC for 6-10 days. The results show that storage of soil samples at +4oC…+8oC for some days and at +20 oC for one or two days is possible prior to mineral nitrogen determination, if the samples cannot be stored deep-frozen.
Preservation of samples from organic soils: storage at degrees above zero or deep-freezing in comparison with immediate extraction of fresh soil
In this investigation, with determination of mineral nitrogen in 19 cultivated organic soils, the following two sample treatments were compared: A) immediate extraction of fresh soils (day 0), followed by storage of the extracts for 7 days and nights at +4oC , and B) deep-freezing soils for 7 days and nights followed by extraction of the still frozen samples. The extracts from both treatments were then analysed immediately and simultaneously. The concentrations of ammonium nitrogen were found to be, on average, 21.5% higher in the extracts of fresh organic soil samples than in the extracts of the frozen organic soils. Assuming contents of ammonium nitrogen amounting to 10 or 40 kg N/ha in a 30-cm topsoil layer, as found in part of the organic soils, such a difference may affect the interpretation of the results in case of amounts in the upper half of this interval, according to the criterion for acceptable differences stated. The concentrations of nitrate nitrogen were 4.9 % higher in the extracts of fresh soils. The storage of the extracts was probably the reason for the higher values following ex¬traction of fresh soils. After all, extraction of fresh and of deep-frozen organic soils seems to give largely equal results, but the extracts (in 2 M KCl) should be analysed directly.

In another investigation, in which samples were taken from the 0-30, 30-60 and 60-90 cm layers of an organic soil, the following sample treatments were compared: immediate extrac-tion of fresh soil (day 0), cold-storage of soil at +6oC for 2, 4, 7 and 11 days and nights, and deep-freezing (-20oC) for 11 days and nights. The frozen soil samples were extracted in frozen condition. The question was how analysis errors, caused by different methods of preserving samples from soils with large contents of mineral nitrogen, can affect the sum of the analysed amounts of ammonium and nitrate nitrogen in the whole soil profile (0-90 cm). Following immediate extraction of fresh soil samples, 269 kg of mineral nitrogen per ha was obtained, and after deep-freezing 264 kg N/ha. During cold-storage of the samples, no obvious differences in ammonium nitrogen occurred within 11 days and nights as compared with immediate extraction of fresh soil. The amounts of nitrate nitrogen increased just slowly during the first four days. Until day 7 and 11, however, statistically significant increases occurred, large enough to make the interpretation of results uncertain. Also this study shows that immediate analysis of fresh organic soil and deep-freezing (without subsequent thawing) may be regarded equal alternatives, and cold-storage for a few days also seems to be possible.
Effect of grinding frozen soil samples as compared with thawing before homogenisation
With six soils, the following treatments were studied: A) immediate extraction of fresh soil (day 0), B) deep-freezing (-20oC), followed by thawing the samples at room temperature during the night between day 6 and 7, and C) deep-freezing (-20oC) followed by grinding the samples in frozen state and extraction of the ground, still frozen soils on day 7. Grinding was performed with the modified soil mill described above. Thawing caused such large additions of ammonium and nitrate nitrogen that this method should be avoided. The increases following extraction of ground frozen samples were distinctly smaller and remained clearly within the limit of 4 kg N/ha stated for certain interpretation, as regards the sum of ammonium and nitrate nitrogen within a 30-cm soil layer.
Recommendations
For preservation of soil samples unaltered after sampling and until extraction for mineral nitrogen determination, the following procedures are proposed based on the studies reported, cited publications and laboratory experiences.

● As soon as possible after sampling, soil samples must be handled and stored in such a way that they do not get warm. During sampling work in seasons with more than +4…+8oC, the samples should be kept a cooler box, preferably with ice packs. Sunshine may warm up the samples also in cool weather, e.g. if kept in a car.

● Preferably, the soil samples should be deep-frozen in the same day as they were taken, especially if they cannot be analysed within a couple of days. If it is impracticable to freeze the samples, as may be the case during sampling in remote field trials, the samples may be transported in fresh condition for one or two days and nights to the laboratory. Although the results of the investigations reported indicate that storage at about +20oC for 1-2 days and nights is possible, the temperature should be kept lower as a precaution.

● In deep-frozen state, soil samples may be stored for a long time, but they must not be thawed by mistake. Also during homogenisation, weighing and extraction, the soil should remain frozen until the extractant (2 M KCl) has been added.
● Before soil preparation, the samples should not be taken out of the freezer until the very moment of grinding in frozen state. As a precaution, the soil should be further mixed after grinding for complete homogenisation. Then the soil is weighed in frozen condition, whereupon the extraction solution should be added immediately.

● The extraction bottles are shaken for 1-2 hours. Extraction over night may contribute to complete dispersion of clay soil samples, but this may lead to enhanced concentrations of ammonium nitrogen. Extracts prepared with 2 M KCl are considered to permit safe pre-servation, at least during cold-storage. However, extracts of organic soils should be ana-lysed immediately, without storage.

● Instead of deep-freezing, soil samples may be stored in fresh condition at +4…+8oC for, at most, three-four days prior to analysis. A problem with storage at degrees above zero, however, is that homogenisation of field-moist soil samples frequently is laborious and time-consuming and sometimes becomes incomplete. This especially applies to clayey samples. Deep-freezing and subsequent grinding in frozen state facilitates this work. Moreover, the mill allows for standardised homogenisation, being equally effective for all samples.

● Thawing frozen soil samples before homogenisation would be another possibility. In addition to the difficult homogenisation work, however, thawing leads to risks of significantly enhanced mineral nitrogen concentrations and should thus be avoided.

Series/Journal:Rapport (Sveriges lantbruksuniversitet, Institutionen för mark och miljö) (11698476)
Year of publishing :March 2013
Number:11
Number of Pages:43
Place of Publication:Uppsala
Publisher:Institutionen för mark och miljö
ISBN for printed version:978-91-576-9124-8
Language:Swedish
Publication Type:Report
Full Text Status:Public
Agris subject categories.:P Natural resources > P33 Soil chemistry and physics
Subjects:(A) Swedish standard research categories 2011 > 1 Natural sciences > 104 Chemical Sciences > Other Chemistry Topics
(A) Swedish standard research categories 2011 > 4 Agricultural Sciences > 401 Agricultural, Forestry and Fisheries > Soil Science
Agrovoc terms:soil analysis, nitrogen, soil sampling, thawing, storage, temperature
Keywords:Färska jordprover, upptining, frysmalning, förvaringstemperatur, frysta jordprover, ammoniumkväve, nitratkväve, Fresh soil samples, grinding in frozen state, ammonium nitrogen, frozen soil samples, storage temperature, nitrate nitrogen, thawing
URN:NBN:urn:nbn:se:slu:epsilon-e-906
Permanent URL:
http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:slu:epsilon-e-906
ID Code:9480
Department:(NL, NJ) > Dept. of Soil and Environment
(S) > Dept. of Soil and Environment
Deposited By: Anna Nyberg
Deposited On:12 Mar 2013 15:20
Metadata Last Modified:22 Jan 2015 21:35

Repository Staff Only: item control page