фотометрическая диагностика азотного питания растений

На правах рукописи
Белоусова Ксения Викторовна
ФОТОМЕТРИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА АЗОТНОГО ПИТАНИЯ
РАСТЕНИЙ
Специальность 06.01.04-агрохимия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Москва 2013
Работа выполнена в ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт агрохимии
имени Д.Н. Прянишникова Россельхозакадемии
Научный руководитель:
доктор сельскохозяйственных наук, профессор
Афанасьев Рафаил Александрович
Официальные оппоненты: Осипова Людмила Владимировна
доктор биологических наук, Всероссийский
научно-исследовательский институт агрохимии имени
Д.Н. Прянишникова, лаб. потенциальной продуктивности
и физиологии минерального питания, главный научный
сотрудник
Верниченко Игорь Васильевич
доктор биологических наук, профессор, Российский
государственный аграрный университет – МСХА имени
К.А. Тимирязева, кафедра агрономической,
биологической химии и радиологии, профессор
Ведущее учреждение:
ГНУ Московский научно-исследовательский институт
сельского хозяйства «Немчиновка» Россельхозакадемии
Защита диссертации состоится «_____ » ____________ 2013 г. в 1400 часов
на заседании диссертационного совета Д.006.029.01 при ГНУ Всероссийский
научно-исследовательский
институт
агрохимии
имени
Д.Н.
Прянишникова
Россельхозакадемии: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, 31а.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ Всероссийский научноисследовательский институт агрохимии имени Д.Н. Прянишникова
Автореферат разослан «______» ________________ 2013 г
Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании
диссертационного совета. Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные гербовой
печатью учреждения, просим направлять по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова,
д. 31а, учёному секретарю диссертационного совета.
E-mail: dissovet_vniia@mail.ru
Ученый секретарь
диссертационного совета
Никитина Любовь Васильевна
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Азот относится к элементам, которые чаще всего находятся в
минимуме, а его регулирование на основе диагностики имеет важное
значение, так как избыток или недостаток элемента в почве вызывает
снижение урожайности сельскохозяйственных культур и ухудшение качества
продукции. Применяемые ранее методы растительной диагностики азотного
питания растений основаны на определении содержания в растениях
нитратного или общего азота с использованием химических реактивов
(тканевая диагностика по В.В. Церлинг, листовая диагностика и др.). Как
показал опыт, традиционные методы достаточно трудоемки по исполнению,
требуют значительного времени на отбор растительных проб и их
химический анализ. Методы фотометрической диагностики, проводимые в
полевых условиях, лишены этих недостатков и позволяют, при их
достаточной отработанности, за короткое время выявить нуждаемость
растений в азотном питании.
Цель
исследований:
изучить
возможность
использования
фотометрических методов в целях диагностики азотного питания звена
полевого севооборота.
Задачи исследований:
1.
Установить влияние возрастающих доз азотных удобрений на
формирование урожайности и качества культур звена полевого севооборота.
2.
Выявить
зависимость
обеспеченности
растений
азотным
питанием от внесенных доз азотных удобрений по результатам стеблевой
диагностики.
3.
Провести диагностику азотного питания культур звена полевого
севооборота фотометрическими методами и дать сравнительную оценку
показаний фотометрических приборов.
4.
Установить
зависимость
пигментации
проростков
яровых
зерновых культур от форм азотных удобрений при их облучении
светодиодами с различными характеристиками светового потока.
3
Научная
новизна
работы.
Впервые
установлено,
что
фотометрическое обследование N-тестерами «Yara», одно- и двулучевым
«Спектролюкс» посевов ярового рапса, озимой тритикале и ярового ячменя,
возделываемых
на
дерново-подзолистой
почве,
объективно
отражает
обеспеченность растений азотным питанием в соответствии с внесенными
дозами азота. При этом показано, что результаты фотометрии посевов
различными приборами и данные стеблевой диагностики показывают
практически аналогичные зависимости от возрастающих и дробных доз
азотных удобрений, что дает основание для замены традиционной
химической диагностики азотного питания растений
фотометрическими
экспресс-методами. Также впервые установлено, что из растительных
пигментов - хлорофиллов а, в и каротиноидов результаты фотометрии
наиболее тесно коррелируют с содержанием в листьях растений хлорофилла
а, что следует учитывать в дальнейших исследованиях по данному
направлению.
Основные положения, выносимые на защиту:

Содержание
основных
пигментов
в
листьях
растений
в
зависимости от доз азотных удобрений.

Влияние спектральных характеристик светового излучения и
форм азотных удобрений на процесс формирования пигментов в проростках
яровых культур.

Результаты
стеблевой
диагностики
обеспеченности
сельскохозяйственных культур азотным питанием.

Результаты фотометрической диагностики азотного статуса
растений.

Урожайность
культур
звена
полевого
севооборота,
возделываемых в условиях дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы
от возрастающих и дробных доз азотных удобрений.
4

Качество культур звена полевого севооборота при внесении
возрастающих и дробных доз азота и связь его с результатами фотометрии.
Практическая
значимость.
В
результате
исследований
для
диагностики азотного питания растений ярового рапса, озимой тритикале и
ярового ячменя в фазы трубкование-колошение, возделываемых на дерновоподзолистых почвах, рекомендуется использовать N-тестеры «Yara» и
однолучевой
«Спектролюкс»,
которые
наиболее
точно
отражают
обеспеченность растений азотом.
Личный вклад автора. Соискатель принимал непосредственное
участие в проведении полевых и вегетационных опытов. Соискателем
самостоятельно были проведены анализ и обобщение экспериментальных
данных, а также их статистическая обработка.
Апробация
работы
и
публикации.
Результаты
исследований
доложены на 45-й международной научной конференции молодых ученых и
специалистов «Применение средств химизации для повышения урожайности
и качества сельскохозяйственных культур» (Москва, ВНИИА, 2011), 46-й
международной научной конференции молодых ученых и специалистов
«Эффективность применения средств химизации в современных технологиях
возделывания сельскохозяйственных культур» (Москва, ВНИИА, 2012) и
47-й международной научной конференции молодых ученых и специалистов
«Перспективы применения средств химизации в ресурсосберегающих
агротехнологиях» (Москва, ВНИИА, 2013). По материалам диссертации
опубликовано 7 статей, в том числе 3 - в рецензируемом журнале,
рекомендованном ВАК РФ для публикации результатов исследований
соискателями ученых степеней.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,
обзора литературы, методического раздела, пяти глав экспериментальной
части,
выводов,
литературы.
предложений
Материал
производству,
диссертации
изложен
списка
на
используемой
138
страницах
машинописного текста. Текстовая часть сопровождается 39 таблицами и 49
5
рисунками. Список литературы включает 179 наименований, в том числе 14
на иностранных языках.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Обзор литературы
В данной главе проведен анализ имеющихся отечественных и
зарубежных исследований по вопросам значимости азота и азотных
удобрений в питании растений. Рассмотрены биологические особенности
исследуемых
культур
звена
полевого
севооборота.
Освещена
функциональная роль основных пигментных систем растений, при этом
особое внимание уделено связи содержания хлорофиллов а и в с
обеспеченностью растений азотным питанием. Выявлена актуальность
фотометрической диагностики азотного статуса растений в условиях
координатного земледелия применительно к условиям центра Нечерноземья.
Показано, что, несмотря на ранее проведенные исследования, фотометрия
таких культур, как яровой рапс, озимая тритикале и яровой ячмень при их
возделывании
на
дерново-подзолистых
почвах
требует
дальнейшего
изучения.
Место, условия и методика проведения исследований
Исследования проводились в 2010-2012 гг. в краткосрочных полевых
опытах, закладываемых на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве на
Полевой опытной станции РГАУ-МСХА, а также в вегетационных опытах с
проростками яровых зерновых культур на базе фитотрона с различными
спектрами светового облучения растений. Агрохимическая характеристика
почвы полевых опытов за 2008, 2011-2012 гг. представлена в табл. 1. В 2008
г. реакция почвенной среды была среднекислой, по содержанию гумуса
почва относилась к среднегумусированным, содержание подвижных форм
фосфора было очень высоким, а подвижных форм калия – повышенное.
6
Почва опытного участка в 2011 году характеризовалась слабокислой
реакцией
среды,
средней
степенью
гумусированности,
повышенным
содержанием щелочногидролизуемого азота, очень высоким содержанием
подвижного фосфора и средним – подвижного калия. В отличие от 2011 года
агрохимические показатели почвы в 2012 году несколько изменились. Так,
реакция почвенной среды стала среднекислой, содержание подвижных форм
фосфора и калия увеличилось, причем содержание калия возросло с III до IV
класса обеспеченности. Причиной подкисления реакции почвенной среды,
вероятнее всего, стало систематическое внесение физиологически кислого
азотного удобрения - аммиачной селитры, а причиной повышения
содержания подвижных форм фосфора и калия – внесение азофоски в дозе 3
ц/га в качестве фонового удобрения опытного участка.
1. Агрохимическая характеристика пахотного слоя почвы
за 2008, 2011 - 2012 гг. по результатам отбора проб в весенний срок
Год
рНкcl
Гумус,
%
2008*
4,8
1,9
2011
5.5
1,7
2012
4,9
1,8
*Данные Сопова И.В.
Объектами
N-NO3- N-NH4+
мг/кг почввы
8,7
4,2
7,7
18,9
Nлг
67,2
66,6
исследования
служили
культуры
P2O5
K2O
283
304
444
134
83
132
звена
полевого
севооборота: яровой рапс сорт Викрос (2010 г.), озимая тритикале сорт
Валентин (2011 г.) и яровой ячмень сорт Михайловский (2012 г.). В полевых
опытах предусматривалось изучение влияния возрастающих, в том числе
дробных, доз азотных удобрений на возделываемые культуры. Схема
полевого опыта с яровым рапсом включала 8 вариантов: 1. N0 (контроль); 2.
N30; 3. N60; 4. N90; 5. N120; 6. N150; 7. N60+30; 8. N90+30. Площадь
учетной делянки 13,75 м2, повторность опыта трехкратная. Схема полевого
опыта с озимой тритикале включала 8 вариантов: 1. N0 (контроль); 2. N0+30;
3. N0+60; 4. N120; 5. N90+30; 6. N90+60; 7. N180+30; 8. N180+60. Площадь
учетной делянки 13,36 м2, повторность опыта четырехкратная. Схема
7
полевого опыта с яровым ячменем включала 8 вариантов: 1. N48P48K48-фон;
2. фон + N30; 3. фон + N60; 4. фон + N90; 5. фон + N120; 6. фон + N150; 7.
фон + N60+60; 8. фон + N90+60. Контрольный вариант в полевом опыте с
яровым ячменем предусматривал внесение азофоски (N48P48K48) в дозе 3
ц/га в качестве фонового удобрения опытного участка. Площадь учетной
делянки 16,7 м2, повторность опыта четырехкратная. Размещение вариантов
опытов во все годы проведения исследований - рендомизированное.
Агротехника для всех культур полевого севооборота общепринятая для зоны.
Азотные удобрения вносились вручную в виде аммиачной селитры весной, в
вариантах дробного внесения – весной и в середине вегетации растений.
Серия вегетационных опытов в условиях фитотрона при использовании
различных цветов светодиодного излучения проводилась при обеспечении
проростков яровых зерновых культур (пшеницы, тритикале и ячменя)
различными формами азота: нитратной (кальциевая селитра), аммонийной
(сульфат аммония) и нитратно-аммонийной (аммиачная селитра). Растения
выращивались в чашках Петри в водных растворах, за исключением ячменя,
который выращивался в песке, в течение трех недель. Доза питательных
растворов по азоту составила 10 г/л, однако для ячменя эта концентрация
была уменьшена вдвое, так как концентрация азота 10 г/л вызвала угнетение
растений. Также для сравнения был введен контрольный вариант, в котором
проростки
поливались
дистиллированной
водой.
Для
нейтрализации
избыточной кислотности растворов при их приготовлении вводился
углекислый кальций в дозе 30 г/л. Полив производился по мере иссушения
корневой зоны растений одинаковыми порциями во все чашки Петри.
В почвенных образцах, отобранных на Полевой опытной станции,
определяли весной до внесения азотных удобрений: кислотность (рНксl) –
потенциометрически (ГОСТ 26483-85), гумус по методу Тюрина (ГОСТ
26213-91), легкогидролизуемый азот по методу Корнфилда (МУ, 1985),
нитратный азот (ГОСТ 26951-86) и аммонийный азот ионселективными
8
методами, содержание подвижных форм фосфора и калия по Кирсанову
(ГОСТ 26207-91).
Диагностическое обследование азотного питания растений включало в
себя проведение стеблевой диагностики по модифицированному методу В.В.
Церлинг (1990) и фотометрической диагностики с использованием ряда
фотометров
зарубежного
и
отечественного
производства:
«Yara»,
«GreenSeeker», одно- и двулучевого «Спектролюкс». У N-тестера «Yara»
показаниями обеспеченности растений азотом служит так называемый
вегетационный индекс, у «GreenSeeker» - интенсивность зеленой окраски
биомассы, у однолучевого фотометра «Спектролюкс» - соотношение
флуоресценции хлорофилла листа растений к его светопроницаемости (F/R),
у двулучевого фотометра – два показателя: величина проницаемости через
лист
растений
зеленого
света
(ПСЗ)
и
отношение
интенсивности
флуоресценции хлорофилла к ПСЗ (19/ПСЗ). Стеблевая диагностика
выполнялась на посевах озимой тритикале и ярового ячменя в отдельные
фазы развития растений по модифицированному методу В.В. Церлинг (1990).
Химическая диагностика проводилась на срезах стеблей 10 типичных
растений, отобранных с двух повторений полевого опыта с озимой тритикале
и с четырех повторений полевого опыта с яровым ячменем.
Определение
содержания
пигментов
(хлорофиллов
а,
в
и
каротиноидов) в листьях растений проводилось в отдельные фазы развития
растений по методике кафедры физиологии растений РГАУ-МСХА им. К.А.
Тимирязева. Отбор проб для аналитического определения концентрации
пигментов производили с трех повторений каждого полевого опыта, а в
вегетационных опытах отбиралась объединенная проба с каждого варианта.
Урожайность полевых культур учитывали гравиметрическим (весовым)
методом с пересчетом на стандартную влажность продукции.
Химический состав семян ярового рапса и зерна озимой тритикале и
ячменя определялся по общепринятым методам агрохимического анализа
качества продукции: содержание общего азота по Къельдалю (ГОСТ 13496.49
93); фосфора - фотоколориметрически (ГОСТ 26657-97); калия - на
пламенном фотометре (ГОСТ 30504-97); белка – на приборе «Спектран».
Содержание клейковины в зерне тритикале определяли согласно ГОСТ
13586.1-68, содержание белка в зерне ячменя - расчетным методом по
содержанию общего азота.
Статистическую
обработку
полученных
результатов
проводили
методами корреляционно-регрессионного и дисперсионного анализа по Б.А.
Доспехову (1968) с использованием специализированной программы STRAZ.
Метеорологические
показатели
в
целом
за
годы
проведения
исследований были типичными для зоны, хотя и различались по ряду
агрометеорологических показателей. Так, в июле и августе 2010 и 2011 гг.
отмечалось повышение среднедекадной температуры воздуха на фоне
снижения количества выпавших осадков. В 2010 году засушливыми
условиями, по существу, характеризовался весь период вегетации, начиная с
III декады июня. Это негативно сказалось на развитии семян ярового рапса,
вызвав неполное развитие семян в стручке. В 2011 году ГТК был близок к 1,
за исключением мая (ГТК = 0,7), что отрицательно отразилось на отрастании
озимой тритикале ранней весной. В 2012 году наблюдалось переувлажнение
в период с мая по август, наряду с этим температура воздуха превышала в
среднем на 1-2 0С значения среднемноголетних температур.
Урожайность сельскохозяйственных культур
Яровой рапс. В 2010 году в полевом опыте с яровым рапсом
урожайность семян снижалась по сравнению с контрольным вариантом на
фоне возрастания доз вносимых азотных удобрений (табл.2). В связи с тем,
что
агрометеорологические
условия
2010
г.,
по
существу,
были
засушливыми, она снижалась из-за негативного действия азотных удобрений
в
условиях
засухи.
Удобрение
растений
азотом
способствовало
интенсивному водопотреблению и, как следствие, более значительному
иссушению корнеобитаемого слоя на начальном этапе периода вегетации и
10
острому дефициту влаги в период формирования репродуктивных органов
(Тимирязев, 1948, Прянишников, 1945).
Зависимость урожайности от возрастающих и дробных доз азота
аппроксимирована кривой квадратичного уравнения регрессии (1):
y = 14,41 – 1,476х + 0,116x²; R = 0,82
(1)
2. Урожайность ярового рапса при внесении возрастающих и дробных доз
азота
Вариант
Контроль
N30
N60
N90
N120
N150
N60+30
N90+30
НСР05
Доза N,
кг/га
0
30
60
90
120
150
90
120
Урожайность, ц/га
14,0
10,8
11,0
9,6
11,3
9,6
10,2
9,5
Снижение урожая
ц/га
%
3,2
22,9
3,0
21,4
4,4
31,4
2,7
19,3
4,4
31,4
3.8
27,1
4,5
32,1
3,4
Озимая тритикале. В 2011 г. повышение урожайности озимой
тритикале в зависимости от доз азота наблюдалось только в тех вариантах
опыта, где была проведена весенняя подкормка азотными удобрениями в
процессе отрастания этой зерновой культуры (табл.3). Проведение второй
вегетационной подкормки азотом оказалось неэффективным, так как
полученные прибавки урожая зерна были статистически несущественными
или же вообще отсутствовали. С учетом НСР05 для частных различий
оптимальной следует признать дозу азота 120 кг/га, для которой прибавка
составила 14,7 ц/га, или 65 % по сравнению с контролем.
В целом, зависимость урожайности озимой тритикале от
возрастающих и дробных доз азотных удобрений описывается квадратичным
уравнением регрессии следующего вида (2), для которого величина
аппроксимирующего коэффициента составила R = 0,82 при сопряженном
коэффициенте парной линейной корреляции r = 0,79, при этом 62 %
11
изменений в урожайности вызвано увеличением и дроблением суммарной
дозы азота:
y = 13,957+6,0548х-0,4286x²; R = 0,82
(2)
3. Урожайность озимой тритикале при внесении возрастающих и дробных
доз азота
Вариант
контроль
N0+30
N0+60
N120
N90+30
N90+60
N180+30
N180+60
НСР05
Доза N,
кг/га
0
30
60
120
120
150
210
240
Урожайность, ц/га
22,6
19,5
25,3
37,3
36,3
29.7
36,2
35,3
Прибавка урожая
ц/га
%
2,7
11,9
14,7
65,0
13,7
60,6
7,1
31,4
13,6
60,2
12,7
56,2
5,6
Яровой ячмень. Анализ урожайности ярового ячменя (табл. 4) выявил
тенденцию к ее увеличению до дозы азота 120 кг/га. Дальнейшее увеличение
дозы вносимых азотных удобрений несколько снижало урожайность. При
этом все полученные прибавки, за исключением варианта фон + N60, для
которого прибавка составила 11 ц/га при НСР05 = 5,4 ц/га, были
статистически несущественными. Причиной этому могло стать избыточное
увлажнение почвы, а также, возможно, внесение азофоски (N48P48K48) в
качестве фонового удобрения.
Отсутствие четко выраженной зависимости урожайности зерна ячменя
от возрастающих и дробных доз азотных удобрений подтверждается
уравнением регрессии следующего вида на фоне относительно низкого
значения коэффициента аппроксимации R = 0,51 и низкого несущественного
коэффициента корреляции r = 0,04 (3):
y = 31,59+3,142х-0,353x²; R = 0,51
(3)
4. Урожайность ярового ячменя при внесении возрастающих и дробных
доз азота
12
Доза N,
кг/га
N48P48K48 - фон
0
фон + N30
30
фон + N60
60
фон + N90
90
фон + N120
120
фон + N150
150
фон + N60+60
120
фон + N90+60
150
НСР05
Вариант
Урожайность, ц/га
33,1
35,0
44,1
37,7
38,0
34,4
35,1
36,6
Прибавка урожая
ц/га
%
1,9
5,7
11,0
33,2
4,6
13,9
4,9
14,8
1,3
3,9
2,0
6,0
3,5
10,6
5,4
Стеблевая диагностика культур звена полевого севооборота
Диагностика азотного питания растений полуколичественным методом
стеблевой диагностики по В.В. Церлинг проводилась на посевах озимой
тритикале и ярового ячменя. Для озимой тритикале осуществлялась в две
фазы – колошение и молочная спелость зерна (табл. 5), а на посеве ячменя в
фазы трубкование, начало колошения и молочная спелость зерна (табл. 6).
При проведении стеблевой диагностики озимой тритикале в фазу
колошение для вариантов с внесением азота только во вторую подкормку
было установлено, что растения испытывали азотное голодание, на что
указывали баллы стеблевой диагностики, лежавшие в пределах от 0,1 до 0,2.
Растения в остальных вариантах нуждались в проведении дополнительной
подкормки в дозе от 30-60 кг/га N. При этом отмечено снижение величин
нитратных индексов в фазу молочная спелость зерна почти в 2 раза, что
может быть связано с аттрагирующей способностью колосьев.
У ячменя в основные фазы его развития результаты стеблевой
диагностики в целом были сходны с результатами, полученными на посеве
озимой тритикале. Обеспеченность азотом увеличивалась с возрастанием
дозы вносимой аммиачной селитры, причем дробление суммарной дозы на
две подкормки выявило тенденцию к лучшей обеспеченности растений
азотным питанием. Однако уменьшение величин нитратных индексов в фазу
13
молочная спелость зерна было более резким по сравнению с озимой
тритикале.
В целом показатели стеблевой диагностики озимой тритикале и ячменя
в фазу колошение коррелировали с дозами азота (r = 0,90 и 0,86
соответственно), содержанием хлорофилла а (0,96 и 0,56), хлорофилла в (0,89
и 0,62), каротиноидов (0,95 и 0,41), данными фотометрического обследования
посевов озимой тритикале в фазу цветение N-тестером «Yara» (0,94) и F/R
однолучевого «Спектролюкс» (0,94), а также ячменя в фазу выхода в трубку
– тестером «Yara» (0,70) и F/R однолучевого «Спектролюкс» (0,82),
урожайностью этих культур (0,87 и 0,26). Коэффициенты корреляции
нитратных индексов с основными диагностическими показателями, лежащие
в пределах от 0,70 до 0,96, являются значимыми.
5. Результаты стеблевой диагностики озимой тритикале по фазам в баллах
Вариант
контроль
N0+30
N0+60
N120
N90+30
N90+60
N180+30
N180+60
НСР05
Фаза колошение
0,2
0,2
0,1
1,9
1,4
1,6
2,5
1,4
0,5
14
Фаза молочная спелость
зерна
0,1
0,2
0,2
0,5
0,8
0,5
0,9
0,9
0,3
6. Результаты стеблевой диагностики ярового ячменя по основным фазам
развития в баллах
Дозы азота,
внесенные в
первую
подкормку,
кг/га
Фаза выхода
в трубку
0
30
60
60
90
90
120
150
НСР05
0,1
1,3
2,0
2,5
2,5
2,3
2,6
2,7
0,6
Дозы азота,
внесенные
суммарно за
первую и
вторую
подкормки,
кг/га
0
30
60
90
120
60+60 (120)
150
90+60 (150)
-
Фаза начало
колошения
Фаза
молочная
спелость
зерна
0
0,3
1,5
2,5
2,7
2,7
2,1
2,2
1,1
0
0,7
0,9
0,7
0,3
0,8
0,3
0,5
1,1
Содержание основных пигментов в листьях культур звена
полевого севооборота
Основная часть пигментов изучаемых культур звена полевого
севооборота приходилась на темно-зеленый хлорофилл а. Содержание же
такого зеленого пигмента, как хлорофилл в, характеризующегося желтозеленым оттеноком, было в 2-3 раза меньше по сравнению с хлорофиллом а.
Концентрация каротиноидов в листьях ярового рапса было в 4-5 раз ниже
концентрации хлорофилла а и примерно в 2 раза меньше – хлорофилла в
(рис. 1). В листьях озимой тритикале и ярового ячменя содержание
каротиноидов было близким к содержанию хлорофилла в, однако составляло
несколько меньшую величину. Концентрация всех основных пигментов
исследуемых культур заметно увеличивалась при внесении азотных
удобрений в дозах до 90 кг/га в первую подкормку. Дальнейшее повышение
доз азота не всегда сопровождалось увеличением содержания пигментов.
Коэффициенты парной линейной корреляции между возрастающими
дозами азотных удобрений, с одной стороны, и концентрацией зеленых
15
пигментов в листьях рапса и тритикале в фазу цветения составляли 0,72-0,91,
ячменя в фазу колошения – 0,49 – 0,58.
Величины коэффициентов парной линейной корреляции между
концентрацией зеленых пигментов в листьях изучаемых культур и
содержанием общего азота в товарной продукции были средними и в
основном находились на уровне r = 0,5-0,7.
Рис. 1. Зависимость содержания основных пигментов в листьях ярового
рапса в фазу цветение от доз азотных удобрений
Фотометрическая диагностика культур звена полевого севооборота
При проведении фотометрической диагностики азотного питания
растений ярового рапса в фазу цветение (табл. 7) была выявлена
определенная
сопряженность
показаний
различных
фотометров
с
возрастающими дозами азотных удобрений, содержанием пигментов в
листьях растений, урожайностью культуры, содержанием азотистых веществ
в товарной продукции. Усредненный коэффициент парной линейной
корреляции показаний фотометров «Yara», однолучевого и двулучевого
«Спектролюкс» с перечисленными выше диагностическими показателями
составил r = 0,74. При этом наибольший коэффициент корреляции (r = 0,91) с
16
дозами азотных удобрений отмечен с показаниями фотометра «Yara» ,
наименьший - с показаниями «GreenSeeker». Зависимость показаний
фотометрических приборов от содержания хлорофилла а в листьях ярового
рапса была выше, чем от хлорофилла в. Коэффициенты парной линейной
корреляции составляли, в среднем, соответственно 0,64 и 0,60.
Коэффициенты парной линейной корреляции между показаниями
фотометров и другими биологическими показателями озимой тритикале в
фазу колошение-цветение составили в среднем 0,9. В частности, наиболее
тесная корреляционная связь показаний фотометров была установлена с
дозами азота (r = 0,94), урожайностью тритикале (r = 0,88), баллами
стеблевой диагностики (r = 0,95), содержанием пигментов (r = 0,94). При
этом для показаний фотометров «Yara», однолучевого «Спектролюкс» и
19/ПСЗ двулучевого «Спектролюкс» с вышеперечисленными показателями
отмечалась прямая корреляция, а для ПСЗ двулучевого «Спектролюкс» –
обратная из-за снижения светопроницаемости листовых пластинок. Меньшая
теснота корреляционной связи между диагностическими показателями и
данными фотометрии была выявлена при проведении диагностики азотного
питания растений озимой тритикале в фазу молочная спелость зерна.
Вероятней
всего,
это
объясняется
оттоком
азотистых
веществ
в
репродуктивные органы, происходящим на этой стадии развития растений.
Диагностика азотного питания ярового ячменя в различные фазы
проводилась
фотометрами
«Yara»,
однолучевым
«Спектролюкс»
и
«GreenSeeker». Наибольшие коэффициенты парной линейной корреляции
между показаниями фотометров и дозами азота получены в фазу выхода в
трубку (r = 0.46 – 0,86) и молочной спелости зерна (r = 0,66 – 0,9). При этом
наиболее тесная зависимость от показателей обеспеченности ячменя азотным
питанием, включая концентрацию в листьях растений хлорофиллов а и в,
была отмечена у однолучевого фотометра «Спектролюкс».
Значения
коэффициентов
парной
линейной
корреляции
между
показаниями фотометрических приборов и основными диагностическими
17
показателями,
которые
превышают
или
равняются
0,70,
являются
значимыми.
7. Коэффициенты парной линейной корреляции между показаниями
фотометрических приборов с дозами азота и основными биологическими
показателями
Показатели
18
«GreenSeeker»
Яровой рапс фаза цветение
дозы азота
0,91 0,79 -0,88
урожайность
-0,79 -0,94 0,69
содержание хлорофилла а
0,77 0,83 -0,77
содержание хлорофилла в
0,70 0,77 -0,62
содержание каротиноидов
0,85 0,83 -0,79
содержание общего азота в товарной
-0,36 -0,39 0,63
продукции
Озимая тритикале фаза колошение-цветение
дозы азота
0,97 0,93 -0,98
урожайность
0,90 0,92 -0,90
баллы стеблевой диагностики
0,94 0,94 -0,96
содержание хлорофилла а
0,95 0,96 -0,95
содержание хлорофилла в
0,94 0,94 -0,91
содержание каротиноидов
0,95 0,94 -0,96
содержание общего азота в товарной
0,73 0,70 -0,71
продукции
Озимая тритикале фаза молочная спелость
дозы азота
0,81 0,52
урожайность
0,72 0,59
баллы стеблевой диагностики
0,70 0,45
содержание хлорофилла а
0,52 0,57
содержание хлорофилла в
0,41 0,59
содержание каротиноидов
0,31 0,30
содержание общего азота в товарной
0,67 0,52
19/ПСЗ
двулучевой
«Спектролюкс»
ПСЗ двулучевой
«Спектролюкс»
F/R однолучевой
«Спектролюкс»
«Yara»
Фотометрические приборы
0,87
-0,78
0,77
0,78
0,79
-0,42
0,34
-0,51
0,07
0,15
0,17
-0,11
0,86
0,81
0,94
0,95
0,96
0,92
0,65
-
-
-
продукции
Яровой ячмень фаза выход в трубку
дозы азота
0,46 0,86
урожайность
0,85 0,29
баллы стеблевой диагностики
0,70 0,82
содержание общего азота в товарной
0,40 0,80
продукции
Яровой ячмень фаза начало колошения
дозы азота
0,45 0,74
урожайность
0,06 0,48
баллы стеблевой диагностики
0,24 0,76
содержание хлорофилла а
0,47 0,77
содержание хлорофилла в
0,56 0,83
содержание каротиноидов
0,27 0,63
содержание общего азота в товарной
0,19 0,61
продукции
Яровой ячмень фаза молочная спелость
дозы азота
0,84 0,90
урожайность
0,13 0,15
баллы стеблевой диагностики
0,01 -0,10
содержание общего азота в товарной
0,83 0,71
продукции
-
-
-
-
-
-
-
-
0,66
0,52
0,22
0,68
Качество культур звена полевого севооборота
Содержание общего азота в семенах ярового рапса было почти
одинаковым во всех вариантах опыта, на что указывают НСР05 = 0,4 % при
наибольшей разнице с контролем -0,37, а также невысокие незначимые
коэффициенты аппроксимации и корреляции с дозами азота: R=0,66; r= -0,52.
Содержание общего азота в зерне озимой тритикале увеличивалось на
фоне повышения доз азота и варьировало от 1,4 % на контроле и до 2,11 % в
варианте с наибольшей дозой N180+60. Проведение второй вегетационной
подкормки повысило содержание этого элемента в зерне. Так, например, в
варианте N0+30 содержание азота увеличилось с 1,46 до 1,82 %. Содержание
фосфора и калия было выровненным по всем вариантам опыта и составило в
среднем для фосфора – 1,0 %, для калия – 0,54. Содержание белка и
клейковины возрастало на фоне увеличения суммарной дозы азота до 90+60
кг/га (рис. 2). При этом соотношение между содержанием белка и
19
клейковины находилось на уровне от 1:1 до 1:1,4 и было более узким, чем
соотношение между белком и клейковиной в зерне пшеницы (по
литературным данным), гибридом которой является тритикале.
Следует также отметить, что увеличение доз азота, включая дробное их
внесение, в ареале невысоких доз сопровождалось повышением массы 1000
зерен, в вариантах с высокими дозами - снижением данного показателя, т.е
характеризовалось
параболической
зависимостью
(при
коэффициенте
аппроксимации R = 0,76).
Что касается ярового ячменя, то можно сказать, что внесение азотных
удобрений в возрастающих дозах не повлияло на массу 1000 зерен, что
подтверждается низким и несущественным значением коэффициента парной
линейной корреляции (r = 0,1). Содержание азота по всем вариантам
увеличивалось планомерно с увеличением дозы азота, что подтверждается
коэффициентом аппроксимации R = 0,92 и парной линейной корреляции r =
0,89. При этом 79 % вариабельности в содержании общего азота было
вызвано изменением дозы азотных удобрений. Аналогичная зависимость
отмечена также для белковости зерна. Содержание фосфора в зерне в
среднем по всем вариантам опыта составило 0,9 % P2O5, а калия – 0,55 %
К2О.
Рис. 2. Зависимость содержания белка и клейковины в зерне озимой
тритикале от доз азотных удобрений
20
Влияние различных форм азотных удобрений на содержание пигментов
при разных спектрах облучения растений в условиях фитотрона
Хлорофилл а в листьях яровой пшеницы (рис. 3) наиболее интенсивно
синтезировался при разных спектрах светового излучения (за исключением
синего) при обеспечении проростов сочетанием нитратной и аммонийной
форм азота, так как наибольшее содержание этого пигмента было отмечено
при поливе растений раствором аммиачной селитры. Оно составило для
белого светоизлучения 1,7 мг/г сырой массы растений, для зеленого – 0,8 мг/г
и для красного – 1,3 мг/г. Процесс биосинтеза хлорофилла в в основном
подчинялся аналогичной зависимости.
У яровой тритикале хлорофилл а наиболее интенсивно синтезировался
при белом и красном излучении в условиях обеспечения аммонийнонитратной формой азотного удобрения, а при менее эффективных цветах
светодиодов (синего и зеленого) – при подкормке нитратной и аммонийной
формами азота, соответственно. Содержание хлорофилла в увеличивалось
для всех цветов применяемого облучения при поливе раствором кальциевой
селитры, за исключением белого. Зависимость процесса накопления
оранжевых пигментов от цветов светоизлучения и форм азота сходна с
зависимостью биосинтеза хлорофилла а от изучаемых факторов.
Данные вегетационного опыта в условиях фитотрона с яровым ячменем
свидетельствуют о том, что хлорофилл а синтезировался наиболее активно
при всех цветах облучения, когда проростки поливались раствором
кальциевой селитры. Как и в случае вегетационного опыта с яровой
тритикале, белый и красный цвета при обеспечении нитратной формой
оказались наиболее продуктивными, поскольку для них концентрация
хлорофилла а составила: при белом светодиоде – 1,1 мг/г сырой массы
растений, красном – 0,8 мг/г. Содержания хлорофилла в и каротиноидов
имели одинаковую зависимость: нитратная форма азота при всех цветах
светоизлучения, за исключением синего для хлорофилла в, способствовала
21
накоплению этих пигментов. На синем же светодиоде процесс биосинтеза
хлорофилла в увеличивается при подкормке растений аммиачной селитрой.
Если сравнить соотношения между содержанием хлорофиллов а и в как
в условиях полевого опыта, так и в условиях фитотрона, то следует отметить,
что для тритикале это соотношение было более широким и лежало в
интервале от 2,8 до 3,5, а для ярового ячменя от 2,5 до 2,7. Причем для этих
двух культур наиболее эффективно биосинтез зеленых пигментов на фоне
применения аммиачной селитры шел при белом освещении в условиях
фитотрона, который имитирует дневной свет в полевых условиях.
Рис. 3. Зависимость содержания пигментов в проростках яровой пшеницы от
форм азотных удобрений и спектров светодиодного облучения в условиях
фитотрона
ВЫВОДЫ
1. Полученные результаты исследований по зависимости показаний
изучаемых фотометров от возрастающих и дробных доз азота позволяют
использовать фотометрическую диагностику азотного питания растений
вместо традиционной стеблевой, что определяется меньшей трудоемкостью и
высокой оперативностью фотометрического экспресс-метода, а также
подтверждается достаточно высокими значениями статистических критериев
опытных данных. При этом выбор прибора для проведения диагностического
обследования посева должен основываться на ценовой доступности и
простоте эксплуатации, поскольку контактные N-тестеры («Yara», одно- и
22
двулучевой «Спектролюкс») объективно отражают обеспеченность растений
азотным питанием, что дает основание для замены или, в отдельных случаях,
дополнения традиционной химической диагностики. Несмотря на то, что
результаты, полученные при помощи N-сенсора «GreenSeeker», были более
низкими по сравнению с другими приборами, необходимо продолжать
исследования
с
его
использованием,
так
как
его
неоспоримым
преимуществом является возможность проведения подкормки азотом в
режиме «on-line».
2.
Результаты
стеблевой
диагностики
выявили
особенности
обеспеченности культур звена полевого севооборота азотом в зависимости от
применяемых доз азотных удобрений. Стеблевая диагностика озимой
тритикале, проведенная в фазы колошение и молочная спелость зерна,
выявила острое азотное голодание растений в контрольном варианте, а также
в вариантах с проведением только поздней подкормки (N0+30; N0+60). У
ячменя нитратные индексы, полученные при проведении стеблевой
диагностики в фазы выход в трубку и начало колошения, свидетельствуют о
том, что растения в вариантах с весенним внесением азота в дозах 90 – 150
кг/га не нуждались в проведении вегетационных подкормок, ввиду
изначально высокой обеспеченностью азотом.
3. Определение концентрации основных растительных пигментов в
листьях выявило, что для каждой изучаемой культуры наблюдалось разное
соотношение зеленых пигментов и каротиноидов, причем их количество и
соотношение менялись в зависимости от фазы онтогенеза растений. С
наступлением более поздних фаз развития культур наблюдалось снижение
концентрации хлорофилловых пигментов и увеличение – каротиноидов.
Показания фотометрических приборов в большей степени зависели от
содержания хлорофилла а, и в меньшей – от хлорофилла в, что обусловлено
более высоким содержанием и более зеленой окраской хлорофилла а.
4. Наиболее интенсивно процесс биосинтеза зеленых пигментов в
проростках яровой тритикале и ярового ячменя протекал при обеспечении их
23
нитратной формой азота (в среднем 0,7 мг/г сырой массы), а для проростков
яровой пшеницы - при одновременной подкормке как нитратной, так и
аммонийной формами азота (1,6 мг/г). На фоне подкормки растений
различными формами азота наиболее эффективным цветом светового
излучения в отношении синтеза основных растительных пигментов оказался
белый (в среднем для всех культур 1,2 мг/г), несколько уступал ему по
эффективности красный (0,9 мг/г), а облучение проростков растений синим и
зеленым светом оказалось малоэффективным.
5. Возрастающие дозы азотных удобрений вызвали неоднозначную
реакцию у культур звена полевого севооборота на формирование их
урожайности, обусловленную главным образом агрометеорологическими
условиями. В 2010 году урожайность ярового рапса снижалась из-за
негативного действия азотных удобрений в засуху вследствие иссушения
корнеобитаемого слоя. Наибольшая прибавка урожайности озимой тритикале
в 2011 году, более благоприятном по погодным условиям, получена в
варианте с внесением азотных удобрений в дозе 120 кг/га. Поэтому данную
дозу азота следует принять как оптимальную. В избыточно влажном 2012
году достоверная прибавка урожайности ячменя получена только в варианте
с дозой азота 60 кг/га. Дальнейшее увеличение количества вносимого азота и
дробление суммарной дозы не дало положительного результата, что было
связано с полеганием растений, произошедшим, прежде всего, из-за
переувлажнения почвы.
6. Применение возрастающих доз азотных удобрений оказало
различное влияние на показатели качества растительной продукции тестовых
культур. Отсутствие определенной зависимости содержания общего азота в
семенах ярового рапса от доз азотных удобрений может быть объяснено
засушливыми погодными условиями 2010 года. С возрастанием доз азотных
удобрений содержание общего азота, белка и клейковины в зерне озимой
тритикале в расчете на воздушно-сухую массу увеличивалось, причем
перенесение части азотных удобрений во вторую подкормку дало
24
положительный эффект. Содержание общего азота в зерне ярового ячменя
было
невысоким,
но
при
этом
прослеживалась
достаточно
четкая
зависимость повышения содержания этого элемента при увеличении доз
вносимых азотных удобрений.
Предложения производству
1.
В целях экономии рабочего времени и материальных затрат на
определение нуждаемости посевов в проведении азотной подкормки, а в
конечном итоге, - экономии азотных удобрений и охраны среды от
загрязнения в условиях ведения современного сельскохозяйственного
производства, особенно применительно к системам точного земледелия,
рекомендуется проводить фотометрическую диагностику азотного питания
растений. Для проведения диагностического обследования зерновых культур
в фазы выход в трубку – колошение, а для масличных культур - в фазу
цветение возможно применение целого ряда фотометрических приборов.
2.
Для
проведения
диагностического
обследования
лучше
использовать N-тестеры «Yara» и однолучевой «Спектролюкс» (при условии
его регистрации), которые почти в одинаковой мере объективно отражают
азотный статус растений. Вопрос выбора для использования того или иного
прибора
заключается
в
его
себестоимости
и
в
непосредственных
материальных возможностях потребителей.
Список работ, опубликованных по теме диссертации
1.
Белоусова К.В. Принципы фотометрической диагностики азотного
питания растений / О.А. Щуклина, К.В. Белоусова, В.А. Литвинский //
Доклады ТСХА. – Москва: Изд-во ТСХА, 2011. – Вып. 283. – С. 93-95.
2.
Белоусова К.В. Влияние различных форм азотных удобрений на
содержание пигментов при разном режиме освещения проростков яровой
пшеницы / К.В. Белоусова, В.А Литвинский, О.А. Щуклина // Материалы 45й международной научной конференции молодых ученых и специалистов
(ВНИИА) «Применение средств химизации для повышения урожайности и
25
качества сельскохозяйственных культур». – Москва: Изд-во ВНИИА, 2011. –
С. 10-12.
3.
Белоусова К.В. Фотометрическая диагностика азотного питания
ярового рапса и озимой тритикале в условиях центрального Нечерноземья /
Р.А. Афанасьев, К.В. Белоусова, В.А. Литвинский, П.М. Пугачев, Т.В.
Мочкова, О.А. Щуклина // Плодородие. – 2012. –№ 4(67). – С. 51-52.
4.
Белоусова К.В. Влияние форм азотных удобрений на содержание
пигментов при разных спектрах облучения растений в условиях фитотрона /
К.В. Белоусова, М.О. Смирнов, В.В. Носиков, В.А. Литвинский, О.А.
Щуклина // Плодородие. – 2012. –№ 5(68). – С. 5-7.
5.
Белоусова К.В. Влияние различных форм азотных удобрений на
содержание пигментов при разном режиме освещения проростков яровой
тритикале и ярового ячменя / К.В. Белоусова, В.А. Литвинский, О.А.
Щуклина // Материалы 46-й международной научной конференции молодых
ученых и специалистов (ВНИИА) «Эффективность применения средств
химизации в современных технологиях возделывания сельскохозяйственных
культур». – Москва: Изд-во ВНИИА, 2012. – С. 14-17.
6.
Белоусова К.В. Диагностика азотного питания озимой пшеницы и
ярового рапса / Р.А. Афанасьев, К.В. Белоусова, Е.В. Березовский, А.В.
Мельников, О.А. Щуклина // Доклады ТСХА. – Москва: Изд-во РГАУМСХА, 2012. –– Вып. 284. – Ч. I. – С. 3-5.
7.
Белоусова К.В. Зависимость основных пигментных систем ярового
ячменя от обеспеченности растений азотным питанием / Р.А. Афанасьев,
К.В. Белоусова, В.А. Литвинский, О.А. Щуклина // Плодородие. –2013. –№
2(71). – С. 15-18.
26