Datos de micronutrientes minerales de cereales y química del suelo obtenidos de encuestas de GeoNutrition en Etiopía y Malawi | Grupo Co., Ltd de sales inorgánicas de Yunnan

Datos científicos volumen 9, número de artículo: 443 (2022) Citar este artículo

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El conjunto de datos comprende datos primarios sobre la concentración de 29 micronutrientes minerales en granos de cereales y hasta 84 propiedades químicas del suelo procedentes de estudios del proyecto GeoNutrition en Etiopía y Malawi. El trabajo proporcionó información sobre la variación geoespacial en la concentración de micronutrientes en cultivos básicos y los posibles factores que influyen en el suelo. En Etiopía, el muestreo se realizó en las regiones de Amhara, Oromia y Tigray, durante las temporadas de cosecha de finales de 2017 y finales de 2018. En Malawi, se realizó un muestreo a escala nacional durante la temporada de cosecha de abril a junio de 2018. Las concentraciones de micronutrientes en los granos se midieron mediante espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente (ICP-MS). Las propiedades químicas del suelo reportadas incluyen el pH del suelo; nitrógeno total del suelo; carbono total del suelo (C); C orgánico del suelo; capacidad efectiva de intercambio catiónico y cationes intercambiables; un esquema de extracción secuencial de tres pasos para el fraccionamiento de azufre y selenio; fosfato disponible; oligoelementos extraíbles con ácido dietilentriaminopentaacético (DTPA); oligoelementos extraíbles utilizando Ca(NO3)2 0,01 M y CaCl2 0,01 M; y Zn isotópicamente intercambiable. Estos datos se presentan aquí de acuerdo con los principios de datos FAIR para permitir a los usuarios explorar más a fondo los vínculos entre la agricultura y la nutrición.

Mediciones)

Oligoelemento • propiedades químicas del suelo

Tipo(s) de tecnología

Por inducción de plasma espectrometría de masas

Tipo(s) de factor

Geografía • Cultivo de cereales básicos

Característica de la muestra: organismo

Cultivos alimentarios de cereales básicos

Característica de la muestra: entorno

Agricultura en pequeña escala

Característica de la muestra: ubicación

Etiopía • Malawi

Los micronutrientes son las vitaminas y minerales que nuestro organismo necesita en pequeñas cantidades y que se obtienen de los alimentos que ingerimos. Las deficiencias de micronutrientes (EMN) entre las personas siguen siendo una importante preocupación mundial; Es probable que más de 2 mil millones de personas se vean afectadas en todo el mundo, con mayores riesgos de deficiencia en el África subsahariana que en la mayoría de las demás regiones1. El riesgo de ENM en las poblaciones puede informarse comprendiendo el suministro de micronutrientes dentro de los sistemas alimentarios. Este enfoque normalmente se ha aplicado a nivel nacional, basándose en una interpretación secundaria de los datos sobre el consumo, el gasto o la oferta de alimentos procedentes de encuestas de hogares y hojas de balance de alimentos1,2,3,4,5.

Estudios recientes de Etiopía y Malawi han informado de variaciones sustanciales en la concentración de micronutrientes de los granos de los cultivos de cereales básicos a niveles subnacionales, incluidos el calcio (Ca), el hierro (Fe), el selenio (Se) y el zinc (Zn)6,7. 8. Parte de esta variación está correlacionada espacialmente a distancias de hasta varios cientos de kilómetros. Lo que esto significa es que para las personas que consumen alimentos de origen local, como es el caso de muchas comunidades de pequeños agricultores, la ubicación de residencia será un factor de influencia importante (a veces el más importante) a la hora de determinar la ingesta dietética de micronutrientes procedentes de cereales7. Además, en el caso del micronutriente Se, existe fuerte evidencia de vínculos entre las características del suelo y del paisaje, las concentraciones de granos de cereales y los biomarcadores del estado del Se en las personas9,10.

Aquí presentamos el conjunto más amplio de datos primarios para granos de cereales y suelos de estos estudios en Etiopía y Malawi (Tablas 1 y 2), centrándonos en los datos informados en Gashu et al.6,7, Mossa et al.11, y Botoman et al.12. Estos datos se obtuvieron como parte del trabajo en curso dentro de dos proyectos 'GeoNutrition', financiados principalmente por la Fundación Bill y Melinda Gates (BMGF) y el Fondo de Investigación de Desafíos Globales (GCRF) del gobierno del Reino Unido. Se recolectaron muestras de suelo y granos en ambos países utilizando diseños de muestreo espacialmente equilibrados, junto con metadatos, con el consentimiento informado de los agricultores.

El trabajo de investigación que generó estos datos implicó la recopilación de metadatos mediante cuestionarios semiestructurados y el muestreo de granos de cereales de los campos de los agricultores o almacenes de granos y suelos de los campos de cultivo correspondientes con el consentimiento informado previo de los agricultores. Los agricultores que participaron en la encuesta recibieron una hoja de información (consulte los archivos complementarios 1 y 2) que explicaba los detalles del proyecto, qué implicaría la participación y cómo se utilizarían sus datos, incluida su eventual publicación. El trabajo se realizó bajo las aprobaciones éticas de la Universidad de Nottingham, la Facultad de Sociología y el Comité de Ética en Investigación de Política Social (REC); BIO-1819-001 y BIO-1718-0004 para Etiopía y Malawi, respectivamente. Estas aprobaciones REC fueron reconocidas formalmente por los directores de investigación de la Universidad de Addis Abeba (Etiopía) y la Universidad de Agricultura y Recursos Naturales de Lilongwe (Malawi), quienes también revisaron los protocolos del estudio.

El diseño de muestreo lo describen en detalle Gashu et al.7. El objetivo del muestreo fue apoyar la evaluación de las relaciones entre las propiedades del cultivo y del suelo, y el mapeo espacial de estas. Por esta razón, se seleccionó el diseño muestral básico para lograr una cobertura espacial del marco muestral acordado. Luego se seleccionó un subconjunto aleatorio de la muestra de cobertura espacial y se especificó un sitio de muestra adicional de pares cercanos para cada uno de ellos, para respaldar el modelado estadístico de la variación espacial.

Se tomaron muestras de las regiones etíopes de Amhara, Oromia y Tigray (Fig. 1). Los marcos de muestreo objetivo en Etiopía se limitaron a ubicaciones en una cuadrícula de 500 m (proyección azimutal de áreas iguales de Lambert) en las que la probabilidad de que la tierra estuviera bajo producción de cultivos se había mapeado como ≥0,913. El marco de muestra se restringió aún más para incluir solo aquellas ubicaciones en la cuadrícula de 500 m que se encontraban dentro de un radio de 2,5 km de una carretera disponible en formato de mapeo digital en OpenStreetMap (OSM)14. Estas limitaciones pueden introducir posibles sesgos en las predicciones realizadas en ubicaciones fuera del marco muestral diseñado; sin embargo, de otro modo no habría sido posible visitar todas las ubicaciones de la muestra en el tiempo disponible. De una superficie total de alrededor de 558.500 km2 en las tres regiones de Etiopía, la superficie total de tierras de cultivo representaba 354.325 km2, de los cuales 220.467 km2 estaban a 2,5 km de una carretera cartografiada por OSM13. Debido a que el marco de muestra estaba algo fragmentado espacialmente, los puntos de muestra se seleccionaron para lograr equilibrio y dispersión espacial, denotando esto último cobertura espacial15. Se seleccionaron de esta manera un total de 1.825 sitios de muestreo, y 175 de ellos se seleccionaron al azar para complementarse con un sitio de par cercano.

El muestreo de suelos y granos de cereales de GeoNutrition se limitó a áreas identificadas como tierras de cultivo (sombreadas en gris) en (a) las regiones de Amhara, Oromia y Tigray de Etiopía, y (b) Malawi7. Los recuadros de los mapas (a) de Etiopía y (b) de Malawi en el mapa continental africano están sombreados en rosa.

En Malawi, la superficie de tierras de cultivo se determinó a partir de mapas de uso de la tierra de la Iniciativa sobre el Cambio Climático de la Agencia Espacial Europea16. El área agrícola utilizada se definió como todas las celdas ráster que incluían la categoría de "tierra de cultivo" en su descripción (Fig. 1). En Malawi, donde el acceso por carretera a las zonas cultivadas es generalmente mejor que en Etiopía, no se impuso ninguna restricción a la distancia desde una carretera en los lugares de muestra. Se seleccionó un total de 820 sitios de muestra de la Encuesta Demográfica y de Salud (DHS) de Malawi (REFS)17 de 2015/16, todos los puntos de la DHS en el marco de muestra. Luego se seleccionaron otros 890 sitios para completar un estudio de cobertura espacial, con la función de estratificación de la biblioteca spcosa en R18 que puede dibujar un estudio de cobertura espacial condicionado a puntos fijos. Luego se agregaron 190 sitios adicionales de pares cercanos a un subconjunto aleatorio de puntos de cobertura espacial.

La recopilación de datos de campo se llevó a cabo utilizando una herramienta de recopilación de datos de encuestas georreferenciadas de código abierto, KoBoToolBox (https://www.kobotoolbox.org/) y su aplicación móvil complementaria KoBoCollect mediante cuestionarios (consulte el archivo complementario 3). El registro de datos y el muestreo de granos de cereales y suelos fueron realizados por equipos de encuestadores capacitados en procedimientos operativos estándar y evaluaciones de riesgos participativas para navegar de manera segura hasta los sitios de muestreo objetivo. Los equipos de muestreo utilizaron su discreción para excluir sitios de muestreo que pudieran haber puesto en peligro su seguridad (por ejemplo, a través de caminos inundados), o crearon un desvío desproporcionado para la recolección de una sola muestra en regiones montañosas. Los datos de campo recopilados incluyen longitud, latitud, altitud, especies de cultivos de cereales y fuente del grano de cereal (es decir, cultivo en pie, apilado en el campo o almacén).

El muestreo de cereales y suelo (Tabla 1) de los campos de los agricultores en Etiopía se completó entre noviembre de 2017 y febrero de 2018 para la mayor parte de la región de Amhara y entre noviembre de 2018 y febrero de 2019 en las tres regiones (Fig. 1). El muestreo en Malawi se completó entre abril y junio de 2018.

En cada sitio de muestreo objetivo preseleccionado, el equipo identificaría el campo más cercano con un cultivo de cereal maduro dentro de un radio de 1 km y tomaría una muestra de grano y suelo, sujeto al consentimiento del agricultor. Si no era evidente un campo con un cultivo de cereales maduro en pie, es decir, el cultivo había sido cosechado o se había cultivado un cultivo no cereal, el equipo pedía al agricultor que identificara un campo del cual se había cosechado recientemente un cereal. recolectado y almacenado, y del cual se podría obtener una muestra. Si el muestreo no era posible, entonces el equipo buscaría un sitio alternativo más allá de un radio de 1 km o abandonaría el sitio sin tomar muestras.

Dentro de un campo seleccionado, se tomaron muestras de una parcela circular de 100 m2 (0,01 ha). Esto se centró lo más cerca posible del centro del campo, a menos que esta área no fuera representativa debido a enfermedades o daños a los cultivos. Se localizaron cinco puntos de submuestra (ver Datos ampliados, figura 1 en Gashu et al.7). El primer punto estaba en el centro de la trama. Luego se seleccionaron dos puntos de submuestra en ubicaciones en una línea que pasa por el centro de la parcela a lo largo de las hileras de cultivos, y dos puntos más en una línea ortogonal a la primera que pasa por el centro de la parcela. Cuando fue posible, la ubicación central de muestreo se fijó entre las hileras de cultivos, y el eje largo del conjunto de muestras (con ubicaciones de muestra a 5,64 m y 4,89 m) se orientó en la dirección de las hileras de cultivos con el eje corto perpendicular a las hileras de cultivos. Se recolectó una única submuestra de suelo en cada uno de los cinco puntos de submuestra con una barrena holandesa con una longitud de vuelo de 0,15 my un diámetro de 0,05 m. La barrena se insertó verticalmente hasta la profundidad de un tramo y las cinco submuestras se combinaron en una sola bolsa de papel Kraft©. Cuando todavía había un cultivo maduro en el campo, un operador diferente tomaba muestras de grano cerca de cada posición de barrena, para minimizar una mayor contaminación por polvo y tierra. Para el maíz se tomó una sola mazorca en cada uno de los cinco puntos. Se quitaron los granos de maíz de aproximadamente el 50% de cada mazorca a lo largo y se combinaron en un solo sobre de muestra para cada ubicación. Para cultivos de grano pequeño, se tomaron suficientes tallos para llenar aproximadamente entre el 20% y el 50% del sobre de la muestra (dimensiones 0,15 m × 0,22 m), las muestras se colocaron primero con el grano en la bolsa de muestras y los tallos se separaron del grano. cabezas y descartadas. Si un cultivo estaba en pilas de campo, entonces se tomó una submuestra, compuesta por cinco mazorcas de maíz, o una muestra representativa de otros cultivos de cada pila disponible, tomando material del interior de la pila para minimizar la contaminación por polvo y suelo (ver Datos ampliados en la figura). .1 en Gashu et al.7). Si un cultivo estaba en el almacén de un agricultor, se consideró una muestra ya compuesta y se tomó una muestra evitando el grano del piso del almacén si el grano estaba almacenado de manera suelta y evitando el grano con tierra visible o contaminación por polvo.

Las muestras de cereales integrales se secaron al aire en sus bolsas de muestras. Luego, cada muestra se molió en un molinillo de café doméstico de acero inoxidable, que se limpió antes de su uso y después de cada muestra con un paño no abrasivo. Toda la preparación se realizó lejos de fuentes de contaminación por suelo o polvo. Luego se envió una submuestra de 20 g del material molido a la Universidad de Nottingham. Las muestras de suelo se secaron en estufa a 40 °C durante 24 a 48 h, dependiendo del contenido de humedad del suelo. La preparación se realizó en un laboratorio de suelos para evitar la contaminación cruzada con muestras de granos. De cada muestra de suelo se extrajo material vegetal, que luego se desagregó y tamizó hasta pasar 2 mm. Luego, este material se cuarteó y se cuarteó para producir divisiones de submuestras. Se vertió una submuestra de 150 g de suelo en una bolsa con cierre automático, se etiquetó y se envió al Reino Unido para su análisis en los laboratorios de Rothamsted Research y la Universidad de Nottingham.

Todos los análisis de granos y suelos se realizaron en secuencia numérica del ID de la muestra en Rothamsted Research y la Universidad de Nottingham, Reino Unido.

Las concentraciones elementales (véanse las figuras 2 y 3 y el archivo complementario 4) del grano se determinaron después de la digestión por microondas de aproximadamente 0,2 g de muestras molidas con ácido nítrico concentrado (70% HNO3, grado de análisis de trazas). Las muestras recolectadas de la región de Amhara en Etiopía en 2017 se digirieron con microondas utilizando un rotor MF50 de 48 recipientes Multiwave 3000 (Anton Paar GmbH, Graz, Austria) en 2 ml de HNO3 y 1 ml de agua Milli-Q (18,2 MΩ cm; Fisher Scientific). y 1 mL H2O2 a una potencia de 1400 W, temperatura 140 °C, presión de 2 MPa durante 45 min. Las muestras recolectadas en Malawi y Etiopía en 2018-2019 se digirieron con microondas en un Multiwave Pro con un rotor 41HVT56 y recipientes de ventilación activados por presión hechos de politetrafluoroetileno modificado ('SMART VENT' de 56 ml, Anton Paar). La digestión se logró utilizando 6 mL de HNO3. a una potencia de 1.500 W, con 10 min de calentamiento a 140 °C, 20 min de mantenimiento a 140 °C y 15 min de enfriamiento a 55 °C. Después de la digestión, las muestras se llevaron a 15 ml usando agua Milli-Q, luego se almacenaron en un tubo tapado a temperatura ambiente durante aproximadamente 1 semana hasta el análisis químico. Antes del análisis mediante espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente (ICP-MS; Thermo Fisher Scientific iCAP Q, Thermo Fisher Scientific, Bremen, Alemania), las muestras se diluyeron aún más 1:5 con agua Milli-Q.

Gráficos combinados de violín y caja y bigotes de la concentración elemental en granos de cebada, mijo africano, teff, triticale, trigo, maíz, arroz y sorgo recolectados en Etiopía. La línea media en el cuadro representa la mediana, la bisagra inferior Q1 y la bisagra superior Q3 de los cuartiles, y los extremos de los bigotes indican los valores de concentración más altos y más bajos. El eje y se muestra como una escala logarítmica. Consulte la Tabla 1 para conocer el número de muestras para cada cultivo que son mayores que el LOD para cada analito. Consulte la Tabla 2 para conocer los nombres de los elementos.

Gráficos combinados de violín y de caja y bigotes de la concentración elemental en granos de maíz, arroz, sorgo y mijo perla recolectados en Malawi. La línea media en el cuadro representa la mediana, la bisagra inferior Q1 y la bisagra superior Q3 de los cuartiles, y los extremos de los bigotes indican los valores de concentración más altos y más bajos. El eje y se muestra como una escala logarítmica. Consulte la Tabla 1 para conocer el número de muestras para cada cultivo, que son aquellas muestras mayores que el LOD para cada analito. Consulte la Tabla 2 para conocer los nombres de los elementos.

Debido a las bajas concentraciones de Se en muchas de las muestras de granos tomadas en Malawi, un número sustancial de valores estuvieron por debajo del límite de detección (LOD) cuando se midieron con una relación masa-carga de 78 (m/z = 78) en ICP- EM. En consecuencia, las muestras recolectadas en Malawi y Etiopía se volvieron a analizar para detectar Se utilizando QQQ-ICP-MS (iCAP TQ; Thermo Fisher Scientific, Bremen, Alemania) con un desplazamiento de la masa de oxígeno del pico de Se en m/z = 80 a m/z. 96.

A menos que se especifique lo contrario, todos los análisis se realizaron en muestras tamizadas a <2 mm. El pH del suelo se midió en una suspensión de agua desionizada (pH_w) (proporción de sólido a solución de 1:2,5) utilizando un medidor Jenway 3540 (Cole-Parmer, Stone, Staffordshire, Reino Unido), con un electrodo de pH combinado con temperatura compensada. El pH del suelo también se midió en la suspensión de Ca(NO3)2 (pH_CaNO) 0,01 M utilizando un medidor de pH Mettler-Toledo AG (Mettler-Toledo, Beaumont Leys, Leicester, Reino Unido) también con un electrodo compensador de temperatura. El C y el N totales se determinaron mediante combustión seca19 utilizando un analizador de combustión Leco TruMac CN (LECO Corporation, St. Joseph, Michigan, EE. UU.). El C inorgánico se determinó mediante el analizador de carbono inorgánico Skalar Primacs (Skalar Analytical BV, Breda, Países Bajos). Las estimaciones de óxidos amorfos y óxidos poco cristalinos (EOxa) se determinaron después de la extracción con oxalato de amonio20. La capacidad de intercambio catiónico efectiva del suelo (eCEC) y los cationes intercambiables (NaExch, MgExch, KExch y CaExch) se determinaron mediante extracción en un solo paso21 con solución de cloruro de hexamina de cobalto (III) y análisis mediante espectrometría de emisión óptica de plasma acoplado inductivamente (ICP-OES; Perkin Elmer Life and Analytical, Shelton, EE.UU.). El fósforo disponible (POlsen) se determinó después de la extracción con bicarbonato de sodio como lo describe Olsen22. También se determinó el índice de amortiguación de fosfato (PBI), como indicador de la capacidad del suelo para controlar los cambios en la concentración de P en la solución del suelo23.

Las concentraciones casi totales de elementos principales y traza (ETot) en los suelos se determinaron después de la extracción con agua regia24 de muestras finamente molidas utilizando ICP-OES (ICP-OES; PerkinElmer Life and Analytical, Shelton, Connecticut, EE. UU.) e ICP-MS.

Los elementos extraíbles con DTPA (EDTPA; potencialmente fitodisponibles) se determinaron agitando c. 5 g de suelo con 10 ml de DTPA 0,005 M, trietanolamina (TEA) 0,1 M y CaCl2 0,01 M a pH = 7,3 durante 2 h en un agitador de extremo a extremo25, seguido de centrifugación (3500 rpm), filtración (0,22 µm) y análisis por ICP-MS (iCAP Q; Thermo Fisher Scientific, Bremen, Alemania). Los elementos principales y traza solubles (ESol_Ca; fácilmente disponibles) se determinaron en la fase de solución de suspensiones de suelo en Ca(NO3)2 0,01 M (relación suelo:solución 1:10) después del equilibrio durante 4 días en un agitador de extremo a extremo. . Las soluciones se aislaron mediante centrifugación y filtración (0,22 μm) antes del análisis elemental mediante ICP-MS (iCAP Q). Para las muestras de suelo recolectadas en la región de Amhara de Etiopía en 2017, también se determinaron los elementos principales y traza solubles (E_CaCl2) en la fase de solución de la suspensión del suelo en CaCl2 0,01 M (relación suelo:solución 1:10) y se equilibraron durante 2 horas en agitador de extremo a extremo seguido de centrífuga y filtración antes del análisis mediante (ICP-OES; Perkin Elmer Life and Analytical, Shelton, EE. UU.). El carbono orgánico no purgable (NPOC) también se determinó mediante extracción con CaCl2 0,01 M utilizando un analizador de carbono orgánico total por oxidación UV química (Shimadzu Corporation, Japón). Se predijeron las concentraciones de la actividad de iones libres de Zn para estas muestras (región de Amhara en Etiopía) utilizando el modelo geoquímico Windermere Humic Aqueous (WHAM) como se describe en detalle en Mossa et al.11.

Este esquema de fraccionamiento fue adaptado del utilizado por Mathers et al.26 para el Se del suelo y Shetaya et al.27 para el yodo del suelo y pretende ser un esquema general para la extracción de aniones oxiácidos. El método tiene como objetivo extraer secuencialmente (i) una fracción 'soluble' en KNO3 0,01 M, (ii) una fracción 'adsorbida específicamente' en KH2PO4 0,016 M y (iii) una fracción unida orgánicamente en hidróxido de tetrametilamonio al 10% (TMAH). ). Es importante señalar que es probable que ninguna de las tres fracciones contenga el analito como una sola especie. Por ejemplo, la fracción de Se "soluble" normalmente incluirá selenato, selenito y formas orgánicas disueltas de Se. Se pesó en un tubo de centrífuga de polietileno una masa de suelo seco equivalente a ≈4,0 g, tamizada a <2 mm. Después de agregar 20 ml de KNO3 0,01 M, los tubos se agitaron durante 2 h en un agitador de extremo a extremo y luego se centrifugaron a 3500 rpm durante 30 min. Se filtró un volumen de 9 ml de sobrenadante (0,22 µm) utilizando filtros de jeringa de PTFE, en tubos que contenían 1 ml de una mezcla de KH2PO4 0,1 M y TMAH al 10% para preservar las muestras antes del análisis. Después de eliminar el exceso de sobrenadante, se pesaron los tubos de centrífuga con gránulos de tierra húmedos para tener en cuenta el exceso de extracto de KNO3 0,01 M y luego se agregaron 20 ml de KH2PO4 0,016 M. Los tubos se agitaron para desagregar el sedimento del suelo y luego se agitaron durante 1 h antes de la centrifugación a 3500 rpm durante 30 min. Se filtró un volumen de 9 ml del sobrenadante a (0,22 µm) en un tubo que contenía 1 ml de TMAH al 10 %. Después de eliminar el exceso de sobrenadante, los tubos se pesaron nuevamente antes de agregar 10 ml de TMAH al 10 %. Los tubos se agitaron para desagregar el sedimento, se taparon sin apretar y se incubaron a 70 °C durante aproximadamente 16 h antes de la centrifugación (3500 rpm durante 30 min). Luego se diluyeron los extractos (1 ml) con 9 ml de agua MQ ultrapura para dar una solución final de TMAH al 1 %. Las muestras se analizaron para determinar S y Se utilizando un QQQ-ICP-MS operado en modo de celda de oxígeno con renio (187Re; 20 µg L-1) e indio (115In; 10 µg L-1) como estándares internos para corregir la deriva instrumental. El azufre y el Se se midieron en modo de cambio de masa después de la reacción con oxígeno para formar los iones analitos SO+ (m/z 32 → 48) y SeO+ (m/z 80 → 96).

El Zn isotópicamente intercambiable se determinó utilizando el método descrito en detalle en Mossa et al.11. Brevemente, una masa de 2 g de suelo tamizado y secado al aire se equilibró con 20 ml de Ca(NO3)2 0,01 M durante 24 h. Luego se añadió a la suspensión del suelo un trazador isotópico de 70 Zn y se equilibró aún más durante 72 h. Para evitar la acidificación, el pH de la solución de adición se ajustó a un pH de 4,0 a 4,5 utilizando un tampón de acetato de amonio inmediatamente antes de su uso. Las muestras se centrifugaron (3500 rpm durante 15 minutos), se filtraron (0,22 µm) y el sobrenadante se acidificó hasta HNO3 al 2%. El análisis isotópico se llevó a cabo utilizando ICP-MS (iCAP Q) operando en modo de celda de colisión usando He para discriminación de energía cinética (KED). Las interferencias significativas y variables (70Ge+ derivadas del suelo y 140Ce++ (generado por plasma) doblemente cargado) en 70Zn requirieron corrección y se lograron analizando los estándares de Ge y Ce junto con las muestras e infiriendo la intensidad (recuento por segundo, CPS) a partir de la relación de CPS medida 72 /70 para estándares Ge y 70/140 para estándares Ce. La interferencia del Ge produjo una corrección para el CPS de 70Zn que oscilaba entre 0,01 y 25 % (mediana = 0,74 %; media = 1,68 %), mientras que la corrección resultante de la interferencia del Ce osciló entre 0,03 y 88 % (mediana = 4,63 %; media = 9,48 %) (Figura 4).

Histogramas que muestran el porcentaje de corrección en cuentas de 70 Zn por segundo (CPS) resultante de interferencias de cerio (Ce) en muestras de (a) Etiopía y (c) Malawi, y la corrección porcentual resultante de interferencias de germanio (Ge) en muestras de (b) Etiopía yd) Malawi. Las líneas discontinuas azules verticales representan valores medios.

El conjunto de datos de concentración elemental de granos de cereales y propiedades químicas del suelo se proporciona como un conjunto de libros de trabajo OpenDocument y carpetas comprimidas que contienen archivos de valores separados por comas (CSV) de las hojas de trabajo para Etiopía y Malawi. El libro de trabajo de Etiopía contiene seis hojas de trabajo: ETH_CropSoilData_Raw, ETH_CropSoilData_NA, ETH_Crop_LOD_ByICPRun, CropElements, SoilProperties y Notes. Las hojas de trabajo del libro de Malawi son MWI_CropSoilData_Raw, MWI_CropSoilData_NA, Crop_LOD_ByICPRun, CropElements, SoilProperties y Notes. El nombre del archivo CSV individual es el mismo que el nombre de la hoja de trabajo en los libros. Las hojas de trabajo de 'Notas' en los libros de trabajo de Etiopía y Malawi y las carpetas comprimidas CSV brindan más detalles sobre la estructura de datos y el contenido de cada hoja de trabajo y campos. También proporciona detalles sobre cómo se pueden vincular los datos de diferentes hojas de trabajo utilizando los distintos campos de identificador (por ejemplo, cómo se puede vincular el LOD para un registro de datos de concentración elemental de un cultivo de cereales determinado utilizando el campo Crop_ICP_Run). Actualmente se puede acceder al conjunto de datos desde el repositorio de datos de figshare28 en https://doi.org/10.6084/m9.figshare.15911973. Figshare utiliza sumas de comprobación MD5 al almacenar un archivo, que se comparan con el archivo periódicamente para garantizar que esté intacto y verificar la integridad de las descargas. Consulte las Notas de uso antes de reutilizar los datos.

Los nombres de los libros de trabajo y las hojas de cálculo que contienen estos datos comienzan con el código de país ISO de tres letras para Etiopía (ETH) y Malawi (MWI), así como detalles sobre lo que se almacena. El libro de trabajo y las carpetas CSV que contienen los datos de las propiedades del suelo y los granos de cereales para Etiopía se denominan ETH_CropSoilChemData y para Malawi MWI_CropSoilChemData. Debido a la complejidad del registro y presentación de datos, los hemos reportado de dos maneras28. En cada libro de trabajo, la primera hoja de trabajo (Country_CropSoilData_Raw) contiene datos sin procesar registrados del equipo analítico y el software utilizado para procesar los datos. Para evitar celdas en blanco, aquí se utiliza “NM” (no medido) para indicar dónde no se midieron los datos. En la segunda hoja de trabajo (Country_CropSoilData_NA), los datos debajo del LOD, incluidos los valores de datos negativos y los datos faltantes, se reemplazan por NA (no disponible).

Los primeros 12 campos en las hojas de trabajo de datos de química del suelo y granos de cereales de Etiopía crudos y limpios son datos auxiliares y de campo para los pares de muestras de grano de cereal y suelo (registros). Estos se describen a continuación:

FundingSource: La fuente de financiamiento para llevar a cabo la investigación que generó estos datos. BMGF = Fundación Bill y Melinda Gates (INV-009129); GCRF = Fondo de Investigación de Desafíos Globales (BB/P023126/1).

ID: Número de identificación (ID) del registro de datos (fila) para el conjunto de datos. Se trata de identificaciones únicas que se pueden utilizar como clave principal para realizar análisis separados de los datos de las propiedades químicas del suelo y del grano de cereal.

Crop_ICP_Run: el número de ejecución del ICP-MS (espectrómetro de masas de plasma acoplado inductivamente) para determinar el LOD elemental del cultivo para el conjunto de datos de granos de cereal crudo utilizando los datos LOD en la hoja de trabajo ETH_Crop_LOD_ByICPRun.

Latitud: En grados decimales, datum WGS84, sistema de referencia de coordenadas EPSG:4326.

Longitud: En grados decimales, datum WGS84, sistema de referencia de coordenadas EPSG:4326.

Altitud: La altitud en metros sobre el nivel del mar.

LocationPrecision: La precisión posicional horizontal y vertical, en metros.

SamplingStart: fecha y hora de inicio del muestreo, UTC + 3. Esta es la fecha y hora registradas automáticamente por la aplicación KoBoCollect cuando los enumeradores comienzan a registrar información de muestras de suelo y granos de cereal en el campo. La fecha de inicio del muestreo para el ID ETH1219 era incorrecta y se eliminó.

SamplingEnd: fecha y hora de finalización del muestreo, UTC + 3. Esta es la fecha y hora que la aplicación KoBoCollect registra automáticamente cuando los encuestadores guardan o envían el cuestionario de registro de metadatos de muestra.

Cultivo: Tipo de cultivo del que se tomaron muestras de los granos de cereal.

GrainSource: Fuente del grano de cereal (es decir, cultivo en pie, apilado en el campo o almacén).

Sitio: Si el sitio es “principal” o “par cercano”. Consulte Gashu et al.7 para obtener más detalles al respecto.

Al igual que el conjunto de datos de Etiopía, los primeros 12 campos en las hojas de trabajo de datos de química del suelo y granos de cereales crudos y limpios de Malawi son datos auxiliares y de campo para los pares de muestras (registros) de granos de cereales y suelo. Los detalles de los datos que varían con respecto a los anteriores son los siguientes:

Crop_ICP_Run: el número de ejecución de ICP-MS para determinar el LOD elemental del cultivo para el conjunto de datos de granos de cereal sin procesar, excepto Se, utilizando los datos de la hoja de trabajo Crop_LOD_ByICPRun.

Crop_ICP_Run_Se: el número de ejecución de ICP-MS para determinar el LOD de la concentración de Se del grano de cereal para el conjunto de datos del grano de cereal crudo utilizando los datos LOD en la hoja de trabajo Crop_LOD_ByICPRun.

En los conjuntos de datos de Etiopía y Malawi, se informó la concentración elemental del grano de cereal para 29 elementos (columnas o campos de datos) (Tabla 2). Estos aparecen en orden alfabético del símbolo del elemento junto al campo y los datos auxiliares descritos en las secciones anteriores. Los nombres de los campos de datos también contienen el sufijo _grain después del símbolo elemental.

En los conjuntos de datos de Etiopía y Malawi, se informaron 84 y 69 propiedades químicas del suelo, respectivamente (Tabla 1 solo en línea). Consulte el conjunto de datos de cada país para saber qué propiedades químicas del suelo se analizaron e informaron. Estos se presentan en orden alfabético después de las columnas de datos de concentración elemental del grano de cereal.

Los protocolos de control de calidad para el análisis de granos incluyeron dos blancos operativos en cada lote de digestión y muestras duplicadas de un material de referencia certificado (CRM) (harina de trigo SRM 1567b, Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, Gaithersburg, MD, EE. UU.) en aproximadamente uno de cada cuatro lotes de digestión. . Se calculó un LOD como 3 veces la desviación estándar de 10 a 14 espacios en blanco, suponiendo una masa hipotética de 0,2 g de muestra. Los datos de porcentaje de recuperación de CRM se muestran en la Tabla 3.

Los protocolos de control de calidad incluyeron dos blancos operativos en cada lote de digestión y dos muestras de un material de referencia interno o externo. El diez por ciento de las muestras se repitió durante las etapas de extracción/digestión y análisis, y se esperaba que los resultados estuvieran dentro del ± 5%; de lo contrario, el lote de muestras se repitió, aparte de los resultados cercanos al LOD (lo que ocurre con algunas muestras que tienen bajas concentraciones de oligoelementos). Todos los instrumentos utilizados fueron corregidos durante cada ejecución como parte del procedimiento de calibración. En cada lote de determinación de pH_w del suelo, se repitieron el 10% de las incógnitas y se incluyeron muestras duplicadas del estándar interno Broadbalk 082 (Rothamsted Research) para el control de calidad, y participamos en el interlaboratorio de los Programas de Evaluación de Laboratorios Analíticos de Wageningen (WEPAL). Pruebas de aptitud para el pH del suelo. El análisis de C y N total se configuró con el estándar de suelo LECO LCRM 502–697, lote 1000, y se validó a lo largo del tiempo mediante pruebas de competencia WEPAL. No había CRM disponible para el C inorgánico, por lo que en cada lote se utilizaron estándares internos Summerdells, Broadbalk, Sacrewell (Rothamsted Research), así como pruebas de competencia WEPAL. No había CRM disponible para EOxa y se utilizaron estándares internos de Leuven y Woburn (Rothamsted Research). No había CRM disponible para eCEC y se utilizó suelo estándar interno de Lovaina (Rothamsted Research). No había CRM disponible para POlsen, y se utilizaron Hoosfield Plot 714 y Plot 444 (Rothamsted Research) internos, así como pruebas de competencia WEPAL. No había ningún CRM disponible para PBI y se utilizaron los estándares internos de Leuven y Woburn.

Para concentraciones casi totales, se incluyeron blancos al 10 % (solución de extracción) para comprobar la posible contaminación de los analitos de interés. Los lotes se rechazaron si los blancos mostraban señales aparentes superiores a 3 veces el DE de la señal de fondo del instrumento (límite de detección). Se utilizó el material de referencia de suelos WEPAL ISE 962 para verificar la precisión analítica de cada lote (Tabla 2 solo en línea), así como las pruebas de competencia WEPAL. La comparación de los resultados promedio después de la resta en blanco para todos los elementos con los resultados de ISE 962 de WEPAL muestra recuperaciones de +/-10% para la mayoría de los 20 elementos. Las excepciones son As, Cd, Na y Ti por ICP-OES, y Cd, Mo y Se por ICP-MS (Tabla 3 solo en línea). Tenga en cuenta que ICP-OES determinó As, Cd y Pb solo para las muestras de GCRF de Etiopía (11 lotes), pero para todas las demás muestras del proyecto BMGF estos elementos se determinaron mediante ICP-MS. El análisis por ICP-MS frente a ICP-OES mejoró tanto la recuperación como la variación del As; para Cd el valor medio disminuyó y también la variación; Pb fue similar pero con menor variación. La recuperación de Na mediante ICP-OES y extracción con agua regia puede ser incompleta, y los resultados proporcionados por WEPAL para Ti son solo valores indicativos. Los límites de detección para cada uno de los métodos de análisis de suelo anteriores, excepto el pH, se muestran en las Tablas 4, 6, 8, 10, 12 solo en línea para permitir a los usuarios decidir si los resultados de muestras individuales son confiables. Los resultados de los espacios en blanco también se muestran en las Tablas 5, 7, 9, 11, 13 únicamente en línea y, excepto los elementos cuasi totales, estos no se han restado de los resultados en los datos del suelo. Sin embargo, esta información se ha proporcionado para permitir a los usuarios juzgar la magnitud de los blancos en comparación con los resultados de la muestra para cada método, y para permitirles decidir si los restan.

Para el esquema de extracción secuencial de tres pasos de S y Se en suelo, se realizó un experimento preliminar para probar la estabilidad temporal de los analitos en una matriz de TMAH al 1%; Los analitos se midieron después de completarse la extracción y luego nuevamente después del almacenamiento durante 4 días. Los resultados mostraron que la concordancia entre las dos mediciones fue bastante pobre para la extracción de KNO3, especialmente en el caso de Se (Fig. 5), mientras que hubo muy buenas concordancias entre las dos mediciones en el caso de las extracciones de KH2PO4 y TMAH. En consecuencia, las concentraciones en las fracciones solubles (KNO3 0,01 M) se conservaron en una mezcla de KH2PO4 0,01 M y TMAH al 1%.

Concentraciones de selenio en el suelo medidas inmediatamente después de (a) extracción de nitrato de potasio (KNO3); (b) extracción con fosfato de potasio (KH2PO4); (c) Extracción de hidróxido de tetrametilamonio (TMAH) y medida nuevamente después de 4 días de almacenamiento de suelos de la región de Amhara, Etiopía.

La reproducibilidad del análisis de dilución isotópica se probó repitiendo c. 10% de las muestras con precisión determinada calculando la desviación estándar relativa (RSD; %) de los duplicados. La RSD promedio (error) fue del 6,34% (sd = 7,68%), y el 80% de las muestras repetidas tuvieron valores de RSD <10% (Fig. 6).

Frecuencia de la desviación estándar relativa (RSD) de mediciones duplicadas del valor E en un subconjunto de suelos de Etiopía y Malawi. La línea azul discontinua vertical representa el valor medio de RSD. El gráfico insertado muestra un diagrama de caja de bigotes de la distribución de la RSD de mediciones duplicadas.

La información auxiliar sobre las muestras de suelo para los diversos enfoques analíticos del suelo se presenta en los archivos complementarios 5 y 6.

Los datos de concentración elemental de granos de cereal presentados en el Archivo complementario 4 se derivaron de datos que excluyeron valores de concentración ≤ LOD, incluidos los valores negativos. Para algunos elementos, donde hay un mayor número de muestras de granos de cereales con concentraciones ≤ LOD, esto puede llevar a una sobreestimación de los valores de concentración mediana en comparación con cuando se utilizan todos los datos. Por ejemplo, si se utilizan todos los datos, incluidos los ≤ LOD, la concentración mediana de Se en el maíz en Malawi es 0,0168 mg kg-1 (n = 1.603). Cuando se excluyen los valores de datos ≤ LOD, la concentración mediana de Se en el maíz es 0,02448 mg kg-1 (n = 1199). Los usuarios que deseen utilizar datos descriptivos de tablas de resumen deben ser conscientes de esto y seleccionar datos en formatos que sean apropiados para su propósito. Esta nota también se aplica a algunas de las tablas de resumen de la química del suelo donde hay muchas concentraciones negativas en los datos.

Los usuarios deben tener en cuenta que algunas propiedades del suelo no se midieron en las filas financiadas por el GCRF y por el BMGF en el conjunto de datos de Etiopía. Los siguientes datos de química del suelo no se midieron en los registros financiados por el GCRF: Cd_DTPA, Co_DTPA, Cu_DTPA, Fe_DTPA, Mn_DTPA, Ni_DTPA y Pb_DTPA. De manera similar, las siguientes propiedades químicas del suelo no se midieron en los registros financiados por el BMGF: Co_CaCl2, Cu_CaCl, Fe_CaCl, K_CaCl, Mg_CaCl, Mn_CaCl, Mo_CaCl, Na_CaCl, Ni_CaCl, NOPC, P_CaCl, Se_CaCl, Zn_CaCl y Zn_FIA.

Los usuarios que deseen realizar análisis geoespaciales utilizando los campos de latitud y longitud en estos datos deben asegurarse de que la precisión espacial (horizontal y vertical) informada cumpla con los requisitos de sus análisis.

No existe ningún código específico desarrollado para acceder a estos datos. Los usuarios pueden utilizar y procesar los datos en el software de su elección.

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Descargar referencias

Este artículo cuenta con el apoyo de proyectos GeoNutrition financiados por la Fundación Bill y Melinda Gates (INV-009129) y el Consejo de Investigación en Biotecnología y Ciencias Biológicas de UKRI (BBSRC)/Fondo de Investigación de Desafíos Globales (GCRF) (BB/P023126/1). Los financiadores no participaron en el diseño del estudio; la recopilación, gestión, análisis e interpretación de datos; la redacción del artículo o la decisión de enviar el artículo para su publicación. Los límites, denominaciones y cualquier otra información que se muestra en estos mapas no implican ningún juicio sobre el estado legal de ningún territorio ni constituyen ningún respaldo o aceptación oficial de ningún límite por parte de ningún gobierno. Reconocemos las contribuciones hechas a esta investigación por los agricultores participantes y los equipos de muestreo de campo. En Etiopía, los equipos de muestreo de campo estaban formados por la Oficina Regional de Agricultura de Amhara, Oromia y Tigray. En Malawi, los equipos de muestreo de campo estaban formados por el Departamento de Servicios de Investigación Agrícola y la Universidad de Agricultura y Recursos Naturales de Lilongwe. El apoyo a la capacitación para actividades de campo en Malawi fue facilitado por fondos de la Royal Society-Oficina de Asuntos Exteriores, Commonwealth y Desarrollo (FCDO) del Reino Unido, en el marco del proyecto AQ140000, “Fortalecimiento de la capacidad africana en geoquímica del suelo para la agricultura y la salud”. B. Broadley, S. Vasquez Reina, S. Dunham, J. Carter y J. Hernandez brindaron apoyo analítico de minerales con el apoyo del Proyecto Estratégico Suelo para la Nutrición del Instituto BBSRC (BBS/E/C/000I0310). La contribución de ELA se publica con el permiso del Director del Servicio Geológico Británico (UKRI).

Estos autores contribuyeron igualmente: Kumssa DB, Mossa AW.

Estos autores contribuyeron igualmente: Broadley MR, Gashu D, Nalivata PC.

Facultad de Biociencias, Universidad de Nottingham, Sutton Bonington Campus, Loughborough, LE12 5RD, Reino Unido

Kumssa DB, Mossa AW, Bailey EH, Chagumaira C, Davis K, Lark RM, Muleya P, Wilson L, Young SD, Haji IR y Broadley MR

Instituto Internacional de Investigación de Cultivos para los Trópicos Semiáridos (ICRISAT), ILRI Sholla Campus, PO Box 5689, Addis Abeba, Etiopía

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L. Botoman, C. Chagumaira, JG Chimungu, IS Ligowe y PC Nalivata

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K. Hailu

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MG Walsh

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

DG, PCN, TA, ELA, SG, EJMJ, AAK, RML, SPM, EKT y MRB conceptualizaron el estudio y adquirieron y administraron la financiación del proyecto. DG, PCN, ELA, EHB, LB, CC, SMH, KH, EJMJ, DBK, RML, IRH, PM, ISL, KD, SPM, AEM, AWM, MM, MGW, LW, SDY y MRB contribuyeron a los estudios de campo y análisis de laboratorio. DBK gestionó los datos; DBK y AWM desarrollaron las visualizaciones de datos. DBK, AWM y MRB escribieron el borrador principal del artículo con aportes de edición y revisión de otros autores.

Correspondencia a MR Broadley.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Kumssa, DB, Mossa, AW, Amede, T et al. Datos de micronutrientes minerales de cereales y química del suelo procedentes de estudios de GeoNutrition en Etiopía y Malawi. Datos de ciencia 9, 443 (2022). https://doi.org/10.1038/s41597-022-01500-5

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Recibido: 06 de enero de 2022

Aceptado: 28 de junio de 2022

Publicado: 25 de julio de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41597-022-01500-5

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