Instrumental and Methodological Support for the Diagnostics of Nutritional Requirements of Plants

Full Text

Введение

Урожай культур во многом зависит от продуктивности фитоценоза, который является не только биологической категорией, но и агрономической. В процессе вегетации культур фотосинтезом создается примерно 95 % массы сухого органического вещества урожая. Элементы же минерального питания составляют лишь около 5 % сухой массы. Но они являются средством формирования фотосинтетического аппарата, а также его адаптации к вариабельному радиационному режиму и повышают КПД активной фотосинтетической радиации (ФАР).

Потребность растений в элементах минерального питания удовлетворяют удобрениями − неотъемлемым компонентом современных интенсивных технологий производства сельскохозяйственных культур [1]. С применением удобрений урожайность в ХХ веке возросла более чем на 50 % [2]. Без удобрений интенсивные технологии абсолютно не конкурентоспособны.

Но удобрения – дорогостоящий и экологически небезопасный ресурс, загрязняющий почву и продукты земледелия при избыточном внесении. Дефицит удобрений, так же как и избыток, негативно сказывается на урожайности и качестве растениеводческой продукции. Весьма существенны экономические предпосылки оптимизации питания культур, так как примерно треть от всех затрат на производство продукции земледелия приходится на минеральные удобрения. Наиболее рациональное их использование возможно при научно обоснованном учете биологических особенностей возделываемых культур и вариабельных почвенно-климатических условий [3].

Поэтому использование удобрений в адаптивном режиме сопряжено с необходимостью систематической диагностики потребности растений в широкой номенклатуре элементов минерального питания¹ [4].

Цель исследований – приборное и методологическое обеспечение современной функциональной диагностики потребности растений в элементах питания.

Обзор литературы

В земледелии систематически в течение длительного времени использовались преимущественно удобрения с макроэлементами питания (NPK). Однако, согласно закону ограничивающего фактора Ю. Либиха, для растений наиболее значим тот элемент питания, который более всего отклоняется от оптимального значения, то есть для продуктивного развития растений одинаково значимы как макро- (NPK), так и микроэлементы (медь, железо, марганец, бор, молибден, кобальт и др.).

Потребность растений в макроэлементах намного больше, чем потребность в микроэлементах. В то же время нехватка даже малого количества микроудобрений может явиться причиной заболевания растений и существенного снижения продуктивности вплоть до гибели.

Основным поставщиком микроэлементов для земледельческой отрасли являлись их запасы в почве, которые постепенно истощались. Например, в Белгородской области доля пашни с низким содержанием подвижных соединений цинка возросла до 90,3 %. Для кобальта и марганца данный показатель составил 99,3 и 38,6 % соответственно [5]. Аналогичное состояние с обеспеченностью пашни и другими микроэлементами питания. Таким образом, в условиях интенсификации земледелия актуальность научно обоснованного совместного применения макро- и микроудобрений резко возросла [6].

Сбалансированное использование макро- и микроудобрений обладает синергическими свойствами, так как не только повышает урожайность и качество производимых культур, но и способствует росту эффективности NPK [1; 7; 8]. Установлено позитивное использование микроудобрений в качестве средства против фитопатогенных грибов и бактерий [9; 10].

Практическое применение микроудобрений имеет некоторые особенности. Их крайне не целесообразно автономно заделывать в почву, так как 20–80 % действующего вещества малых доз связывается почвенно-поглощающим комплексом в недоступную растениям форму [10; 11]. Поэтому распространено предпосевное нанесение микроудобрений непосредственно на семена, увеличивающее жизнеспособность проростков, а также листовые подкормки [12]. Листья хорошо поглощают растворенные в воде малые дозы препаратов, и усвояемость микроудобрений может достигать 90 %.

Лучшие агротехнические результаты получены от использования хелатных форм микроудобрений [13]. В отличие от неорганических соединений хелаты в растворах не распадаются на агрессивные ионы и не разрушают структуры действующего вещества пестицидов. Вследствие чего возможно совмещение листовых подкормок микроудобрениями в баковых смесях с пестицидами.

Макроэлементы питания вносят в почву по результатам почвенной диагностики, используя преимущественно балансовый метод. Последующую же корректировку и оптимизацию питания растений проводят с учетом листовой диагностики. Дефицит элементов по ее результатам устраняют в вегетационный период корневыми и листовыми подкормками, необходимыми для формирования урожая культур высокого качества [14–16].

Листовая диагностика может быть визуальной, химической и функциональной. Визуальная диагностика базируется на анализе потребности растений в элементах питания вследствие изменения цвета листьев, коэффициента отражения света и др. [17; 18]. Но внешние визуальные признаки нарушения питания отражают уже необратимые и не поддающиеся корректировке процессы в растениях, ведущие к снижению урожайности и качества сельскохозяйственной продукции. Кроме того, симптомы проявляются на листьях растений для групп элементов, в которых сложно идентифицировать дефицитный элемент.

При химической диагностике лабораторным анализом оценивают состав тканей растений, но не учитывают изменяющуюся их реакцию на вариабельные почвенно-погодные условия. В определенные фазы вегетации требуются различные номенклатура и количество элементов питания, что обуславливает необходимость их управляемого поступления в течение всего периода жизнедеятельности растительного организма.

Перспективен метод функциональной листовой диагностики, ориентированный на активизацию процесса продуцирования урожая – фотосинтеза [19; 20]. Учитывая, что удобрения действуют не только на растения, но и на микроорганизмы почвы, оказывающие значимое влияние на развитие растений, результат биохимических процессов в растениях и почве можно оценить лишь по реакции живых растений конкретных культур на присутствие удобрений [21; 22].

Метод функциональной диагностики отражает свойство хлоропластов растений изменять фотохимическую активность пропорционально их потребности в элементах питания [23]. Но ему присущи серьезные недостатки. Диагностирование каждого из элементов питания проводят обособленно от других компонентов питательной среды. Поэтому невозможно оценить их взаимное влияние и, соответственно, оптимальное соотношение, соблюдение которого оказывает определяющее действие на продуктивность растений и качество урожая. Дефицит или избыток каких-то элементов может нарушить усвоение растениями других элементов, что негативно сказывается на урожайности культур и состоянии почвы [2; 24].

Более того, актуальность учета синергетических последствий дополнительно возрастает при вынужденном ограничении использования элементов питания по экологическим причинам. Так, с 2021 года в Германии вступили в силу правила внесения удобрений, согласно которым в районах чувствительных к нитратам, ограничивают использование азота вопреки потребности растений [25]. Экологические ограничения на использование удобрений, очевидно, будут применяться и другими странами, в том числе и РФ.

Поэтому предложено реализовывать неограниченный резерв экономного расходования удобрительных ресурсов за счет синергии взаимодействия между элементами питания при сбалансированном их внесении. Такой подход предполагает оценку фотохимической активности хлоропластов растений на присутствие в питательной среде не единичных элементов питания, а различных их неповторяющихся смесей. Варианты смесей заведомо подбирают в соответствии с матрицей планирования эксперимента, ориентированной на построение модели с последующей оптимизацией питательной среды цифровыми методами [26].

Характер изменения фотохимической активности исследуется посредством прибора «Аквадонис», способного в стационарных и полевых условиях оценивать потребность растений в макро- и микроэлементах для проведения корневых или листовых подкормок любых сельскохозяйственных культур². Основой прибора является фотометр (рис. 1).

Рис.  1.  Прибор «Аквадонис» для диагностики потребности растений в элементах питания

Fig.  1.  The device Aquadonis for diagnosing nutritional requirements of plants

Прибор прошел производственную проверку на сельскохозяйственных культурах Центрально-Черноземной машиноиспытательной станции, а также в 10 регионах России, Украине, Белоруссии и Казахстане. В трехлетних опытах установлено, что использование синергии взаимодействия между элементами питания позволило за счет роста урожайности и минимизации расхода удобрений повысить эффективность производства ячменя до 40 %, а озимой пшеницы до 16,4 % [27; 28].

Возможности прибора позволяют в автоматическом режиме оптимизировать обеспеченность растений элементами питания и наглядно демонстрировать уровень потребности по каждому из них.

Количественное значение фотохимической активности хлоропластов получают после засветки на фотометре раствора их суспензии в совокупности со смесями элементов питания. Для поддержания необходимых свойств выделенная суспензия хлоропластов в неизменной концентрации используется при анализах совместно с другими постоянными компонентами раствора: хлористым натрием и краской Тильманса. С фотометра считывают данные фотохимической активности хлоропластов, формализуют модель взаимоувязанного факторного пространства и оптимизируют питательную среду [29]. Избыточные элементы питания в питательной среде посредством математической обработки модели нейтрализуют коррекцией величины дефицитных элементов. Выявленный дефицит питания покрывают листовыми подкормками, компоненты которых устанавливают соотношением стандартных удобрений [24].

По известному способу диагностики каждый из вариантов различных смесей элементов питания готовится индивидуально в промежуточных пластиковых пробирках совместно с постоянными компонентами раствора. Образцы растворов из промежуточных пробирок поочередно отбирают в кварцевую пробирку, способную пропускать ультрафиолетовое излучение, и засвечивают на фотометре. Аналогичные действия проводят последовательно со всеми неповторяющимися смесями солей в объеме диагностики [23].

Однако одним из факторов достоверности результатов функциональной диагностики является минимизация ошибки опыта. Этому способствуют одинаковые исходные условия для всех обследуемых вариантов, где постоянные компоненты раствора в кварцевой пробирке перед засветкой должны иметь однородную оптическую плотность, что достигается неизменной их концентрацией в растворе.

Но многократный отбор постоянных компонентов в каждую из промежуточных пробирок производится индивидуально пипеточными дозаторами. Они обладают собственными погрешностями, которые увеличивают вариацию исходной оптической плотности растворов в кварцевой пробирке за опыт. В результате возрастает ошибка и понижается достоверность диагностики.

Немаловажно, что фотохимическая активность живых хлоропластов после отбора проб листьев для анализа нестабильна. Она постепенно угасает до нуля в течение примерно 40 минут. Поэтому в меню фотометра предусмотрено 8 контрольных точек, размещенных с одинаковым шагом по времени выполнения диагностики, относительно которых автоматически корректируются данные по ходу анализа. Для повышения достоверности диагностических данных необходимо стремиться ускорить процесс исполнения диагностики, что достигается обоснованным сокращением количества необходимых операций в ее процедуре. 

Материалы и методы

Исследования выполнены в 2021 и 2022 гг. в лаборатории севооборотов и адаптивных агротехнологий ФГБНУ «Курский ФАНЦ». Для достижения цели исследований предложен инновационный способ, исключающий необходимость в многочисленных промежуточных пробирках с операциями их заполнения (рис. 2a) [30].

Существенное отличие нового способа состоит в создании однородной концентрации раствора постоянных компонентов в эластичной светозащитной емкости, единой на всю разовую программу испытаний. В качестве светозащитной емкости используется эластичная промывалка, помещенная в светонепроницаемый мешок (рис. 2b). Из нее удобно заполнять раствором постоянных компонентов кварцевые пробирки, индивидуальные для каждой испытываемой смеси элементов питания. Однородная смесь в единой емкости исключает ошибку концентрации компонентов, сопутствующую многоразовому формированию этой смеси в промежуточных пробирках.

 

Рис. 2. Операции заполнения промежуточных пробирок (a) заменены на заправку единой
светозащитной емкости (b), из которой заполняется кварцевая пробирка

Fig. 2. The process of filling intermediate test tubes (a) are replaced by filling
a separate light-protective container (b), from which a quartz test tube is filled

 

Процедура диагностики по инновационному способу сводится к внесению пипеточным дозатором в кварцевую пробирку лишь неповторяющихся смесей элементов питания. Затем эти же пробирки из светозащитной емкости поочередно заполняют предварительно подготовленным однородным по содержанию постоянных компонентов раствором и засвечивают на фотометре. Для контрольных замеров кварцевую пробирку перед засветкой заполняют раствором из светозащитной емкости без добавления смеси элементов питания.

Последовательность выполнения анализа по инновационному способу следующая.

В эластичной светозащитной емкости предварительно готовят  раствор постоянных компонентов: смеси хлористого натрия 0,2 %, краски Тильманса 1 % и суспензии хлоропластов 2 % (объем должен быть не менее потребности разовой программы испытаний).

В кварцевую пробирку пипеточным дозатором вносят 100 мкл раствора неповторяющейся смеси элементов питания. Затем однородным раствором постоянных компонентов из светозащитной емкости объем раствора в кварцевой пробирке доводят до 7 мл и засвечивают на фотометре.

При выполнении одного анализа кварцевую пробирку засвечивают на фотометре 24 раза: 16 засветок с испытываемыми неповторяющимися смесями элементов питания и 8 контрольных замеров, где смеси элементов питания не используют. Суммарный объем пробирок, заполняемых из светозащитной емкости, не менее 7(16 + 8) = 168 мл. Показания фотометра отражают фотохимическую активность хлоропластов и являются исходными для диагностики потребности растений в элементах питания.

Результаты исследования

Диагностические действия содержат 5 последовательно выполняемых этапов [24] (рис. 3).

 

 

Рис. 3. Последовательность выполнения функциональной диагностики

Fig. 3. The sequence of performing functional diagnostics

 

Для известного и инновационного способов диагностики этапы 1–3 и 5 идентичны. Различия заключаются лишь в этапе 4, ориентированном на использовании прибора «Аквадонис».

В процессе реализации данного этапа вариабельность концентрации компонентов в промежуточных пробирках по известному способу оценивали величиной ошибки, с которой компоненты дозируются пипеточными дозаторами. В промежуточных пробирках готовили растворы для засветки на фотометре с целью определения фотохимической активности хлоропластов, для чего в них посредством пипеточных дозаторов вливали растворы:

− 10 мл (10 г) хлористого натрия 0,2-процентной концентрации,

− 100 мкл (0,1 г) краски Тильманса,

− 100 мкл (0,1 г) неповторяющейся смеси солей элементов питания,

− 200 мкл (0,2 г) приготовленной суспензии хлоропластов.

Полученной в каждой из промежуточных пробирок смесью наполняли кварцевую пробирку, которую засвечивали на фотометре с последующим определением значений фотохимической активности хлоропластов.

Причина высокой вариабельности исходной оптической плотности растворов, поступающих в кварцевую пробирку, заключается в накапливающейся ошибке при их разливе по промежуточным пробиркам компонентов. Обусловлена она разнящимся объемом растворов постоянных компонентов вследствие суммарной погрешности дозаторов при заполнении промежуточных пробирок.

Для определения ошибки дозирования произведено тестирование используемых пипеточных дозаторов. Объем однородной жидкости (1 мл) эквивалентен ее весу (1 г). Учитывая, что имеющимся приборным оборудованием малые объемы через вес идентифицируется более точно, вариабельность компонентов раствора оценивали соотношением их весов.

Для тестирования использовали электронные весы ВК-600, у которых при взвешивании в диапазоне 0,5–600 г дискретность отсчета составляет 0,01 г³. Хлористый натрий по 10 мл (10 г) дозировали механическим пипеточным дозатором «Ленпипет» Thermo Fisher Scientific (Финляндия). Для дозировки раствора краски Тильманса и неповторяющихся смесей солей испытываемых элементов питания применяли дозатор «Ленпипет Колор» − 100 мкл (0,1 г). Суспензию хлоропластов дозировали прибором «Ленпипет Колор» − 200 мкл (0,2 г).

Результаты тестирования дозаторов представлены в таблице 1.

Таблица 1 Тестирование стандартных пипеточных дозаторов

Table 1 Testing standard pipettes

Нижний рабочий диапазон весов ВК-600 составляет 0,5 г, что превышает вес доз 0,1 г (100 мкл) и 0,2 г (200 мкл) приборов «Ленпипет Колор». Чтобы уложиться в рабочий диапазон ВК-600, малые дозируемые веса дополняли выверенным балластным весом G произвольной, но постоянной величины. Вес G превышает нижний предел рабочего диапазона взвешивания (в данном случае G = 10 > 0,5 г). После замера суммы весов балластный вес G вычитали.

Например, дозу тестируемого дозатора «Ленпипет Колор» 100 разгружали на платформу ВК-600 в дополнении к весу G. Первое показание весов составило G + 0,1 г. При этом величину разгруженной дозы определяли разностью (G + 0,1) – G = 0,1 г. Затем балластный вес с первой дозой дополняли второй дозой, величину которой определяли разностью (G + 0,1 + 0,09) − (G + 0,1) = 0,09 г и т. д. Компоненты раствора, засвечиваемого на фотометре, распределяются по промежуточным пробиркам пипеточными дозаторами с ошибкой Δ:

$\Delta =100\frac{\sigma }{\overline{x}}\%,$                    (1)

где $\overline{x}$ , σ – соответственно среднее арифметическое значение и среднеквадратическое отклонение веса доз компонентов при формировании смеси в растворе, г. Пропорционально весу компонентов изменяется их концентрация в растворе. При выборке доз n показатели x, σ определяли по формулам:

$\overline{x}=\frac{1}{n}{\displaystyle \sum }_{i=1}^n{x}_i,$  г,

$\sigma =\pm \sqrt{s^2},$  г,

где s² – дисперсия отклонения концентрации компонентов в смеси от среднего арифметического, г²:

$s^2=\frac{{\displaystyle {\sum }_{i=1}^n{(x_i-\overline{\overline{x}})}^2}}{n-1},$  г².

По инновационному способу кварцевая пробирка заполняется раствором из светозащитной емкости, содержащей однородную для всех испытаний концентрацию постоянных компонентов, то есть вариабельность концентрации данного раствора для всех испытаний стремится к нулю.

Анализ таблицы 1 показывает, что рассчитанная по формуле (1) ошибка тестируемых дозаторов возрастает с уменьшением доз и составляет 0,7; 4,6 и 20,5 %.

При формировании известным способом раствора смеси постоянных компонентов общая ошибка их концентрации определяется косвенным путем по результатам прямых измерений каждого из компонентов. Точность опыта для суммы компонентов в растворе заключена между наибольшими и наименьшими значениями слагаемых. Практически берут среднюю арифметическую величину ошибки, которая для данного случая составляет 8,6 %⁴. Инновационный способ формирования однородной концентрации компонентов раствора предотвращает эту ошибку и тем самым повышает достоверность диагностики [30].

Кроме того, устранение ряда операций процедуры диагностики по новому способу ускоряет ее, что в условиях ограниченного времени жизни хлоропластов благоприятно сказывается на получении достоверных данных. Для сравнительной оценки затрат времени на исполнение диагностики сравниваемыми способами возникла необходимость их хронометража (табл. 2).

Таблица 2 Хронометраж затрат времени на выполнение этапа диагностики
с использованием прибора «Аквадонис», мин

Table 2 Analyzing the time spent on the implementation of the diagnostic stage
using the device Aquadonis, min

По результатам выполненного хронометража затраты времени на исполнение диагностики по известному способу составили 29,5 мин, а с применением инновации они сократились до 17,04 мин.

Обсуждение и заключение

Изложенное приборное и методологическое обеспечение функциональной диагностики потребности растений в элементах питания обеспечивает в среднем снижение на 8,6 % ошибки в получении диагностических данных. Кроме того, в 1,7 раза сокращаются затраты времени и, соответственно, труда на выполнение диагностических процедур вследствие отсутствия необходимости обособленного распределения по промежуточным пробиркам постоянных компонентов раствора. Это позволяет ускорить обследование отобранных листьев в наиболее активной жизненной фазе хлоропластов и дополнительно способствует минимизации ошибки в испытаниях. Следствием практического использования инновации является более экономное расходование удобрительных ресурсов, а также улучшение качества производимой сельскохозяйственной продукции, не загрязненной избыточными элементами питания. Учитывая, что некоторые из элементов питания являются тяжелыми металлами, точное дозирование их, в соответствии с потребностями растений, обеспечивает экологический эффект в виде щадящего химического воздействия на окружающую среду.

¹           Хорошкин А. Б. Способы повышения эффективности минерального питания сельскохозяйственных культур. Краснодар : Агромастер, 2010. 67 с.

²           Гуреев И. И., Нитченко Л. Б., Прущик И. А. Углубленная адаптация технологий производства зерновых культур в Центрально-Черноземном регионе. Курск : ФГБНУ «Курский федеральный аграрный научный центр», 2021. 238 с.

³           URL: https://www.medcomp.ru/catalog/product/vesy-laboratornye-massa-k-vk-600/ (дата обращения: 20.07.2022).

⁴           Веденяпин Г. В. Общая методика экспериментального исследования и обработки опытных данных. М. : Колос, 1973. 199 с.

About the authors

Ivan I. Gureev

Author for correspondence.
Email: gureev06@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5995-3322

Laboratory Manager

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. The device Aquadonis for diagnosing nutritional requirements of plants

Download (55KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. The process of filling intermediate test tubes (a) are replaced by filling a separate light-protective container (b), from which a quartz test tube is filled

Download (99KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. The sequence of performing functional diagnostics

Download (77KB)

Indexing metadata