Диагностика питания растений
Диагностика питания растений — комплекс методов, направленных на установление обеспеченности растений питательными веществами.
Целью диагностики питания растений является постоянный контроль за условиями выращивания и, при необходимости, корректировка питания растений в процессе вегетации.
Диагностика питания растений бывает:
- комплексной, предусматривающей регулярное проведение агрохимического анализа почв, в том числе ежегодного для оценки обеспеченности азотом;
- оперативной, предусматривающей диагностику питания в течение вегетации.
Методы диагностики питания растений:
- почвенная диагностика — определение количественного содержания питательных веществ в почвах.
- растительная диагностика — установление состава химических веществ в растительном организме.
При коррекции питания растений с помощью методов диагностики следует учитывать:
- свойственную растениям высокую упорядоченность процессов жизнедеятельности и их локализацию;
- темпы роста растений и наступление фаз развития, которые обусловлены генетическими факторами;
- условия выращивания;
- влияние нарушения питания на развитие и химический состав вегетативных органов, что коррелирует с химическим составом репродуктивных органов;
- питательные вещества являются активаторами, ингибиторами или стабилизаторами, в связи с недостатком или избытком которых нарушаются процессы биосинтеза физиологически активных веществ и их обмен;
- при известной функции элемента питания возможно управление протекающих реакцией путём дозировки и соотношения элементов питания;
- внесение элементов питания приводит к изменению химического состава растений, при этом возможно увеличение содержания других элементов, которые не вносились;
- при распаде органических веществ образуются диоксид углерода, вода и минеральные вещества, влияющие на обеспеченность растений;
- корректировка питания и технология выращивания на ранних стадиях развития наиболее эффективна. Достаточное и сбалансированное обеспечение питания способствует ускорению начальных этапов роста, что приводит к удлинению срока работы каждого отдельного листа;
- при распределении ассимилятов между конкурирующими однотипными органами преимущество имеют более крупные и ближе расположенные к источнику.
Растительная диагностика
Растительная диагностика — определение обеспеченности растений химическими элементами по их химическому составу с учётом биологических особенностей сорта, темпов роста и продолжительности периодов вегетации.
Растительная диагностика питания растений проводится с учётом истории поля, почвенных и агрохимических карт, результатов опытов и зональных рекомендаций по применению удобрений под конкретную культуру. Диагностику питания растений проводят с учётом анализа химического состава листьев и корней. Нормальной обеспеченностью растений питательными веществами считается состояние внутреннего насыщения, накопления в резервных зонах запаса химических элементов.
Для различных условий почвенно-климатических зон разработаны общие оптимальные параметры содержания NРК в зерновых культурах при использовании методов растительной диагностики.
Растительная диагностика включает:
- визуальную;
- химическую (тканевая и листовая);
- функциональную, или физиологическую.
Визуальная диагностика
Метод визуальной диагностики основан на изменении морфологических признаков растений, вызванных недостатком или избытком содержанием питательных веществ в почве.
Точность визуального метода снижается из-за того, что часто резкий недостаток или избыток элементов, вызывающийся в характерных признаках, встречается редко, тогда как частичный дефицит или избыток внешне может не проявляться. Кроме того, сходные визуальные признаки могут быть вызваны отклонениями в температурном или водном режимах, повреждениями вредителей или болезней.
Любое нарушение процессов жизнедеятельности растений отражаются на его внешнем виде, которое может быть обнаружено в различных органах. Но для каждого нарушения имеются наиболее характерные индикаторные органы, по которым диагностику провести легче.
Голодание растений отмечается при краткосрочном сдвиге оптимального соотношения элементов, оно может проявляться даже на высоком питательном фоне при сочетании неблагоприятных внешних факторов роста — освещенности, влажности, температуры, аэрации.
В практике довольно часто отмечается избыточное поступление в растение некоторых питательных веществ, например, аммонийного азота, хлора, марганца.
Потребности различных культур в питательных веществах неодинаковы, поэтому на одном и том же поле рожь может давать хороший урожай, не проявляя признаков калийного голодания, тогда как картофель не может нормально развиваться.
Растения-индикаторы — растения, по внешнему виду которых наиболее легко определить недостаток или избыток какого-либо элемента минерального питания.
Визуальная диагностика питания растений является одним из наиболее простых, не требующего оборудования методу, позволяющему за сравнительно короткое время сделать вывод о нарушениях питании растений, причинах (почвенных и погодных факторах), и дать рекомендации по изменению технологии выращивания.
При визуальной диагностике, помимо общих положений, учитывают следующие:
- При оценке растение рассматривается одновременно в трёх временных аспектах: в прошлом, отражающем комплекс мероприятий по его выращиванию, в том числе и факторы среды, в настоящем, оценивая темпы роста и степень развития, и в будущем, то есть, делая прогноз величины и качества урожая.
- Признаки голодания или избытка элементов питания чаще проявляются не на всей площади, а на отдельных участках, что связано с разным плодородием почв, особенностями рельефа, применением удобрений, обработками.
- Изучают внешний вид растения лучше с корневой системой или его части на предмет повреждений от вредителей, грибов, бактерий, вирусов, пестицидов и ростовых веществ.
- Часто признаки недостатка и избытка имеют внешнее сходство. Тем не менее недостаток характеризуется более чёткими признаками.
- Повреждения растений, вызванные вирусами, часто имеют сходные признаки с нарушением минерального питания, но отличаются более чёткой границей поражённого участка.
- Окончательное заключение о причинах нарушения делают после устранения с помощью соответствующих обработок или удобрений. На сильно поврежденных листьях внешние признаки могут сохраняться.
При недостатке или избытке элемента внешние признаки могут различаться в зависимости от вида и сорта. Однако имеются общие признаки.
Многие питательные элементы, такие как азот, фосфор, калий, магний имеют способность к реутилизации, то есть к повторному использованию. Недостаток этих элементов проявляется прежде всего на нижних, более старых листьях. Способность к реутилизации кальция, серы, хлора, бора и других выражена слабее, поэтому их недостаток проявляется в точках роста и на молодых листьях.
Для визуальной диагностики оценивают:
- общее состояние растений участка, поля;
- массу, высоту растений, соответствие развития периоду (фазе) вегетации;
- длину междоузлий (у молодых растений они более короткие);
- выполненность, упругость и зрелость стебля, например, при сбалансированном питании стебель полнее вписывается в круг; зрелость оценивают по окраске среза на уровне 3-го междоузлия сверху;
- упругость листьев, окраску листьев по ярусам и характер нарушений внутри яруса;
- развитие корней, наличие корневых волосков, окраску корней.
По результатам оценки делаются выводы и разрабатываются рекомендации, направленные на изменение технологии возделывания. Исправить несбалансированное питание возможно только частично, поскольку появление внешних признаков недостатка элемента минерального питания свидетельствует о глубоких изменения в метаболизме растений устранить которые в последствии полностью невозможно.
Для подтверждения предполагаемого нарушения в питании растений при визуальной диагностике применяют методы инъекции и опрыскивания. Путём опрыскивания листа или инъекции в стебель (железку листа) вводится предполагаемый недостающий элемент. Затем в течение нескольких дней выполняют наблюдения. Если недостающий элемент определен правильно признаки дефицита исчезают, но не на тех листьях, на которых он выявлен, а на вновь формирующихся.
Для устранения дефицита элемента питания используют 0,5%-ные растворы солей калия и кальция, 0,1%-ные растворы мочевины, монофосфата натрия, сернокислого магния, 0,02-0,1%-ные растворы солей микроэлементов.
Химическая диагностика
Метод листовой или тканевой диагностики основывается на взаимосвязи изменений в режиме питания с химическим составом листьев или тканей, наиболее отзывчивых органов. Для различных растений определены оптимальные концентрации содержания элементов питания, при которых у культур отмечается максимальная продуктивность.
Точность этих методов для прогнозирования потребности в удобрениях выше, чем почвенных анализов, так как при определении количества питательных элементов в почве трудно прогнозировать, какая часть из них поступит в растения в условиях меняющихся факторах жизни растений.
Недостатком химической диагностики, так же как и у визуальной, является запаздывание с получением информации. Химическая диагностика питания растений в условиях неблагоприятных метеорологических условий также даёт искаженные данные об обеспеченности растений из-за.
Тканевая диагностика
Тканевая диагностика питания растений предусматривает определение содержания нитратов, фосфатов, сульфатов, калия, магния и других элементов питания в тканях или вытяжках из растений. Тканевую диагностику возможно проводит в полевых условиях с помощью портативных приборов — переносных лабораторий, и лабораторных условиях. Ее применяют для экспресс-анализа содержания нитратов, фосфатов и калия в сырых растительных образцах по методу В.В. Церлинг и для определения спелости зерна. Для этих же целей можно использовать переносную экспресс-лабораторию — полевую сумку К. П. Магницкого.
Определение содержания нитратного азота в тканях растений в полевых условиях можно проводить по реакции с дифениламином. Этот метод используют для оценки необходимости азотных подкормок.
| Средний балл поля | Доля азота, кг /га д. в. |
|---|---|
| 1,0-1,8 | 60 |
| 1,9-2,5 | 30 |
| 2,6-3,0 | Подкормка нецелесообразна |
Листовая диагностика
Листовая диагностика питания растений заключается в проведении валового анализа химического состава листьев целого растения или отдельных органов и сравнение полученных данных со справочными значениями, по результатам которых делают вывод об обеспеченности минеральным питанием с учётом состояния, роста и развития растений в конкретную фазу. Ранний диагностический контроль с учётом специфики потребностей культур по периодам вегетации наиболее информативен.
Растительные образцы выбирают с типичными для данного поля участков, то есть с характерным почвенным покровом и состоянием растений в определенные фенофазы. При анализе проростков, рассады или молодых растений определение проводят всей надземной части, у взрослых растений для определения нитратов — нижнюю часть стебля или черешки нижних листьев. Для определения суммарного выноса питательных веществ анализу подвергаются все органы растений. Для листовой диагностики можно проводить анализ индикаторных органов, подверженных наибольшим изменениям химического состава в зависимости от условий питания. Так, в полевых анализах с зерновыми культурами смешанный образец составляют из 50-70 индикаторных листьев.
Таблица. Оптимальное валовое содержание азота, фосфора и калия в растениях, % на абсолютно сухую массу.
| Культура | Фаза развития | Часть растения | N | P2O5 | K2O |
|---|---|---|---|---|---|
| Озимая пшеница | Кущение | Надземная | 4,0-5,9 | 0,44-0,65 | 3,3-4,2 |
| Листья | 4,0-5,9 | 0,44-0,65 | 3,3-4,2 | ||
| Трубкование | Надземная | 3,8-5,0 | 0,52 | 2,5-3,3 | |
| Ячмень | Кущение | Надземная | 4,7-5,0 | 0,52-0,78 | 4,2 |
| Листья | 4,7-5,0 | 0,52-0,78 | 4,2 | ||
| Трубкование | Листья | 4,7 | 0,52 | 4,0 | |
| Клевер | Бутонизация | Надземная | 3,5-4,0 | 0,26-0,39 | 2,9 |
| Цветение | Надземная | 2,5-3,5 | 0,17-0,26 | 2,2 | |
| Листья | 3,8 | 0,22 | 2,9 | ||
| Кукуруза | Всходы | Надземная | 4,3 | 0,52 | 5,2 |
| 3-5 листьев | Надземная | 3,0-3,6 | 0,30-0,65 | 2,8-3,3 | |
| Листья | 3,8-4,0 | 0,35-0,57 | 3,2-4,2 | ||
| 6-10 листьев | Листья | 3,5-4,0 | 0,30-0,52 | 3,5-4,2 | |
| Сахарная свёкла | 4-6 листьев | Листья | 5,2-5,5 | 0,44-0,52 | 4,1-6,0 |
| 10-18 листьев | Листья | 3,7 | 0,35 | - | |
| Смыкание рядков | Средние листья | 3,6-4,0 | 0,33-0,40 | 4,0 | |
| Картофель | До бутонизации | Надземная | 5,2-6,0 | 0,39-0,61 | 4,2 |
| Листья | 4,5-5,0 | 0,26-0,57 | 4,2 |
Для определения недостаточности элементов, способных к реутилизации, используют верхний, полностью сформировавшийся лист, для элементов с низкой способностью к реутилизации анализируют нижние листья. Параллельно выполняют анализ корней и определяют соотношение элементов минерального питания в листьях и корнях.
Для экспресс-анализа по методу Церлинг смешанный образец готовят из 10-20 целых растений в фазе кущения и трубкования и из 20 — в фазах колошения и цветения. Для биометрического контроля за ростом и развитием растений, с каждой опытной делянки отбирают 20 растений, включая корни, а для валового анализа в производственных посевах — по 70-100 с каждого участка, для биометрического контроля — по 25-30. Отбор выполняют в утренние часы, проходя по диагоналям участка, до отбора проб в течение 2-3 дней должны отсутствовать осадки и полив.
Хранение, транспортирование, подготовка проб и проведение химических анализов растений проводят в соответствии с установленными методиками. Выводы об обеспеченности растений элементами питания проводят на основе относительного содержания элементов питания, а также общего накопления листьями или всем растением путём сравнения со справочными данными.
Для определения выноса содержание элементов питания в растениях умножают на сухую массу урожая с 1 га. Также определяют соотношение между элементами для установления степени сбалансированности питания и сравнивают их со справочными данными.
Принятые в системе удобрения дозы на планируемый урожай уточняют по результатам растительной диагностики:
где Д – уточнённая доза удобрения, кг д. в./га; Н – средняя установленная доза, кг/га; Сопт – оптимальное содержание питательного вещества в растениях, % сухого вещества; Сфакт – фактическое содержание питательного вещества в растениях, % сухого вещества. Отношение Сопт/Сфакт отражает степень потребности растений в элементе питания.
При несбалансированном соотношении элементов питания доза одного может быть уточнена относительно другого элемента.
Так, при недостатке азота и избытке фосфора уточнённая доза азота (ДN) может быть рассчитана по формуле:
Аналогично, дозу фосфора (ДР) по отношению к калию можно рассчитать по формуле:
Интегрированная система диагноза и рекомендаций (DRIS)
Интегрированная система диагноза и рекомендаций (DRIS) была разработана в США. В её основе заложен вероятностный подход, основанный на том, что сбалансированность элементов питания в тканях и органах растений подчинено характерным закономерностям. При этом допускается, что соотношение элементов имеет диагностическую информативность и лучше отражает обеспеченность растений.
В нашей стране первые опыты с использованием этой системы, получившей название интегрированная система оперативной диагностики (ИСОД), были проведены в Почвенном институте им. В. В. Докучаева.
Интегрированная система оперативной диагностики — комплекс методов, применяемых для диагностики потребности в удобрениях, прогнозирования продуктивности культур и разработки моделей высокоплодородных почв. Влияния каждого фактора на показатели продуктивности выражены в индексах. Базовой основой расчёта индекса является оптимальный уровень исследуемого фактора.
Методика системы сводится к определению фактического соотношения количеств элементов питания (N : Р, N : К, К : Р, N : Са, N : Mg и т. д.) в листьях и сравнение полученных данных с нормативами, которые постоянны для разных типов почв. Индекс показывает степень отклонения исследуемого фактора от оптимума. Величина и знак индексов показывают уровень дефицита элемента питания.
Пример.
Нормативы соотношений N:Р, N:К, К:Р получены для Московской области Ельниковым и др., 1986.
Кукурузу выращивали на выщелоченном чернозёме в разных по погодным условиям годам. Для анализа брали все листья кукурузы в фазе цветения. Согласно методу в 1963 г. с благоприятным влажностным режимом в варианте без удобрений, почва была недостаточно обеспечена азотом, при этом индекс был равен — 13,6, избыточно обеспечена калием (индекс +11,2) и близко к оптимальной — фосфором (индекс +2,4).
Таким образом, сложился сильный дисбаланс элементов питания — сумма индексов без учёта знака (13,6 + 2,4 + 11,2) = 27,2. Внесение N60 снизило дефицит азота, но одновременно увеличился дефицит фосфора (индекс — 5,8), а общий дисбаланс остался высоким (сумма индексов 18,6).
Внесение Р60 повысило обеспеченность фосфором и усилило дефицит азота. Внесение калия сбалансировало дефицит по азоту и фосфору, но общий дисбаланс сохранился.
Таблица. Дозы удобрений и дефицит N, P, K в листьях кукурузы (по индексам ДРИС).
| Вариант опыта | Содержание в листьях | Индексы ДРИС | Урожайность зерна, т/га | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| N | P | K | N | P | K | ||
| Опыт 1963 г. | |||||||
| Контроль (без удобрений) | 2,53 | 0,29 | 2,50 | -13,6 | +2,4 | +11,2 | 3,40 |
| N60P0K0 | 2,78 | 0,28 | 2,49 | -3,5 | -5,8 | +9,3 | 3,41 |
| N0P60K0 | 2,68 | 0,33 | 2,50 | -16,0 | +11,3 | +4,7 | 3,88 |
| N60P60K0 | 2,80 | 0,31 | 2,45 | -7,9 | +3,6 | +4,3 | 4,53 |
| N0P0K60 | 2,71 | 0,28 | 2,66 | -8,0 | -17,2 | +15,2 | 3,68 |
| N60P60K30 | 2,82 | 0,31 | 2,51 | -8,1 | +2,4 | +5,7 | 4,56 |
| N90P60K30 | 3,00 | 0,30 | 2,40 | 0 | -2,2 | +2,2 | 4,77 |
| N120P60K30 | 3,22 | 0,29 | 2,32 | +8,3 | -7,7 | -0,6 | 5,00 |
| N60P90K30 | 2,85 | 0,31 | 2,40 | -5,7 | +3,4 | +2,3 | 4,64 |
| N60P120K30 | 2,80 | 0,31 | 2,41 | -7,4 | +4,2 | +3,2 | 4,94 |
| N120P120K120 | 3,05 | 0,33 | 2,50 | -4,8 | +3,8 | +1,0 | 5,42 |
| Опыт 1964 г. | |||||||
| Контроль (без удобрений) | 2,60 | 0,30 | 2,74 | -16,0 | +0,5 | +15,5 | 2,71 |
| N60P0K0 | 2,70 | 0,28 | 2,74 | -9,1 | -8,3 | +17,4 | 2,72 |
| N0P60K0 | 2,78 | 0,38 | 2,82 | -25,7 | +18,8 | +6,9 | 2,98 |
| N60P60K0 | 2,87 | 0,29 | 3,15 | -10,4 | -14,4 | +24,8 | 2,93 |
| N0P0K60 | 2,91 | 0,28 | 3,07 | -6,4 | -17,3 | +23,7 | 3,39 |
| N60P60K30 | 2,90 | 0,36 | 3,15 | -21,5 | -6,5 | +15,0 | 3,48 |
| N90P60K30 | 3,12 | 0,36 | 2,82 | -11,0 | +6,2 | +4,8 | 3,67 |
| N120P60K30 | 3,48 | 0,33 | 2,57 | +4,8 | -4,0 | -0,8 | 3,79 |
| N60P90K30 | 2,86 | 0,39 | 2,90 | -25,5 | +18,5 | +7,8 | 3,83 |
| N60P120K30 | 2,89 | 0,40 | 2,99 | -27,2 | +19,4 | +7,8 | 3,99 |
| N120P120K120 | 3,11 | 0,37 | 2,83 | -7,7 | +5,3 | +2,4 | 4,17 |
| Примечание. Индексы рассчитаны по нормативам: N/P = 10,0, N/K = 1,26, K/P = 7,50 с коэффициентами вариации 10, 19, 15. | |||||||
В засушливом году устранение избытка калия или уменьшение его содержания до минимума при отсутствии дефицита азота (варианты N120Р60К30 и N120Р120К120) привело к получению наивысшего урожая кукурузы, что полностью соответствует характеристике плодородия почв в варианте без удобрения. В остальных вариантах отмечен более высокий дефицит по азоту, что согласуется с положением о низкой эффективности азотных удобрений в неблагоприятные по увлажнению годы. В опытах урожай кукурузы определялся сбалансированностью элементов питания, что проявилось в условиях относительно благоприятного увлажнения.
Функциональная диагностика питания растений
Поглощение элементов питания не всегда является следствием их необходимости растению. Этим обусловлен основной недостаток химических методов диагностики. Кроме того, недостаток или избыток элементов может привести к нарушению усвоение растениями других элементов питания. Так, дефицит фосфора приводит к накоплению нитратов, а бора — к недостатку. При этом это никак не связано с азотным питанием.
Функциональные методы диагностики позволяют оценивать потребность растений в элементах питания путём определения интенсивности физиолого-биохимических процессов. Так, уровень обеспеченности и потребность азотом определяют по способности тканей восстанавливать нитраты в нитриты, то есть по активности фермента нитратредуктаты (Муравин, Слипчик, Плешков, 1978).
А. С. Плешковым и Б. А. Ягодиным (1982) был разработан метод диагностики по определению фотохимической активности хлоропластов, который основан на измерении фотохимической активности суспензии хлоропластов средней пробы листьев диагностируемых растений, с последующим анализом с добавлением элементов питания. При возрастании фотохимической активности суспензии при добавлении элемента питания по сравнению с контролем делается вывод о недостатке этого элемента, при снижении — об избытке, а при одинаковой активности — об оптимальном содержании.
Предложенный метод позволяет в течение 40-50 мин установить потребность растений в 12-15 макро- и микроэлементах и сделать рекомендации по проведению корневых и некорневых подкормок. Метод был внедрен в 80 тепличных хозяйствах, в том числе в Московской («Белая дача») и Ивановской областей («Тепличный»).
Почвенная диагностика
Гранулометрический состав, содержание органического вещества в почве, валовое содержание питательных веществ, ёмкость поглощения (ЕКО) изменяются медленно и служат характеристикой конкретной почвенной разности.
Содержание подвижных форм питательных веществ, реакция почвы, состав поглощённых катионов, степень насыщенности основаниями изменяются быстрее, особенно под действием мелиорантов и удобрений. Поэтому агрохимические обследования почв по этим показателям проводят через определенные периоды, как правило, 1 рав в два года, или чаще, в зависимости от количества вносимых удобрений и мелиорантов. Результаты таких исследований представляют в виде агрохимических карт, паспортов полей, или картограмм, и используют для определения оптимальных норм, форм, сроков и способов внесения удобрений, а также необходимости и доз мелиорантов.
Почвенная диагностика питания растений — периодическое определение относительно быстро меняющихся агрохимических показателей почв. Почвенная диагностика позволяет наиболее рационально применять удобрения и мелиоранты, максимально повысить их агротехническую, экономическую эффективность и экологическую безопасность.
Самым динамичным показателем, определяемым при почвенной диагностике, способным меняться в течение нескольких дней, является содержание минеральных форм азота. По этой причине этот показатель не используют для составления агрохимических карт, картограмм и паспортов полей. Однако для экономичного и экологически безопасного использования азотных удобрений необходимы ежегодные сведения о запасах минеральных форм азота.
Для регионов достаточного и избыточного увлажнения почвенную диагностику азотных форм проводят перед внесением азотных удобрений, в зонах недостаточной влажности и засушливого климата — перед осенним внесением. В зависимости от глубины проникновения корневых систем культур, водного и воздушного режимов почв в течение вегетации содержание минеральных форм азота определяют в слоях почвы до 100, 150, 180 см. Для большинства сельскохозяйственных регионов страны экспериментально установлено, что 60-80% минерального азота слоя почвы 0-180 см сосредоточено в слое 0-60 см. Для отдельных регионов установлены коэффициенты пересчета запасов минерального азота для слоёв 0-40, 0-60 см в слоях 0-100, 0-150 см и др.
Существует несколько вариантов коррекции или расчёта доз азотных удобрений на основе результатов диагностики минерального азотного питания. Во всех вариантах запасы аммиачного и нитратного азота в конкретном слое пересчитывают в кг/га и с учётом возможных коэффициентов использования азота конкретными культурами полученную величину вычитают из величины общей потребности культур.
Сотрудником кафедры агрохимии МСХА Ю. П. Жуковым была предложена упрощённая модификация коррекции доз азотных удобрений. Минеральный азот определяют перед внесением азотных удобрений в пахотном слое почвы, то есть 0-20 или 0-30 см, полученный результат пересчитывают в кг/га и вычитают его из установленной дозы или общей потребности культуры в азоте. Такой подход позволяет сократить время на проведении исследований глубоких слоёв почвы, кроме того, неопределенность погодных условий не позволяет сделать точный прогноз относительно стабильности нитратов и аммиачных форм глубоких слоёв, тем более за первый месяц после посева корни не успевают проникнуть на достаточно большую глубину.
Литература
- Ягодин Б. А., Жуков Ю. П., Кобзаренко В. И. Агрохимия. / Под ред. Б. А. Ягодина М.: Колос. 2002