Способ экспресс-диагностики азотного питания растений

Изображения

Изобретение относится к области сельского хозяйства. Способ осуществляют в производственных условиях с использованием портативного устройства для определения потребности растений в азотной подкормке. Потребность в азотном питании растений устанавливают в зависимости от соотношения флуоресценции хлорофилла листа растения к его светопроницаемости, которую определяют по фотометрической характеристике листа. Измерение, регистрируемое прибором, проводят на не менее чем 40 растениях. При регистрировании прибором величины пропускания менее 1±0,01 необходима азотная подкормка растений, при пропускании, равном 1±0,01 и более, подкормки не требуется. Способ позволяет в полевых условиях экспрессно проводить диагностику азотного питания растений и корректировать дозы внесения азотного удобрения. 2 ил., 4 табл.

Изобретение относится к области сельского хозяйства. Экспресс-анализатор (N-тестер «Спектролюкс») предназначен для быстрого, в течение нескольких секунд, определения (диагностики) содержания в листе растения общего (валового) азота как показателя обеспеченности данного растения азотным питанием, нуждаемости его в азотной подкормке азотсодержащими удобрениями.

Экспресс-диагностика азотного питания растений является важной составной частью современных агротехнологий возделывания многих сельскохозяйственных культур, прежде всего озимых и яровых зерновых культур, овощей, картофеля. Она позволяет своевременно выявлять потребность вегетирующих сельскохозяйственных и других культур в азоте, поскольку другими методами это определить практически невозможно. От своевременной диагностики зависит не только продуктивность фитоценоза, но и экология среды, т.к. избыток азота, при внесении удобрения в подкормку «на глазок», является мощным дестабилизирующим фактором метаболизма в системах почва-растение, вызывая израстание или полегание растений, нитратно-нитритные токсикозы, загрязнение почв, продукции и грунтовых вод нитратами и нитритами, канцерогенными нитрозоаминами. У переудобренных азотом растений, что нередко наблюдается на практике, снижается иммунитет, и они больше повреждаются грибными заболеваниями и всевозможными вредителями. Недостаток азотного питания негативно сказывается на урожайности культур, а так же качестве продукции, прежде всего обеспеченности ее белком, незаменимыми аминокислотами, многими витаминами, другими биологически активными веществами (каротиноидами, флавоноидами, ферментами), избытком труднопереваримой клетчатки (в кормах).

Важное значение имеет и экономическая сторона применения азотных удобрений, поскольку и минеральные удобрения, и азотсодержащие органические удобрения по стоимости их приобретения, транспортировки и внесения в настоящее время занимают до 30-40% в себестоимости продукции растениеводства. Объем произведенной продукции, связанный с урожайностью культуры, ее себестоимость относятся к экономическим категориям. Кроме того, качество получаемой сельскохозяйственной продукции, как правило, также является важным экономическим критерием при ее продаже. Таким образом, точное диагностическое определение и внесение доз азотных удобрений под возделываемые культуры для оптимизации их азотного статуса с экономической точки зрения является приоритетным технологическим приемом.

До последнего времени оперативную, экспресс-диагностику азотного питания сельскохозяйственных культур, в том числе озимых и яровых зерновых, в земледелии России рекомендовалось проводить на основе методов так называемой мокрой химии [1]. При этом в посевах культур отбирались образцы (пробы) растений или отдельных их частей (индикаторных органов), затем в лабораторных условиях осуществлялся анализ отобранных проб (стеблей, листьев, черешков листьев - в зависимости от анализируемой культуры). В качестве диагностического показателя определялось содержание в индикаторных органах или общего (валового) азота, или нитратного азота, которое при сравнении его с эталонным (оптимальным) содержанием, приведенным в специальных таблицах [2], служило основанием для заключения об обеспеченности растений азотным питанием и, соответственно, о необходимости подкормки растений азотными удобрениями для повышения урожайности или улучшения качества продукции, например для повышения содержания белка в зерне пшеницы. Наиболее трудоемким и занимающим длительное время является определение общего азота в растениях, т.к. при этом практикуется мокрое озоление их в концентрированной серной кислоте с перегонкой аммиака в аппарате по методу Кьельдаля с применением концентрированного едкого натра. Более оперативным считается использование полуколичественных методов, основанных на определении в растениях нитратного азота в стеблях зерновых культур или черешках листьев ряда овощных культур, других индикаторных органах по реакции отжатого из них сока с раствором дифениламина в концентрированной серной кислоте и сравнении полученной синей окраски разной интенсивности с имеющимися шкалами.

Как видно из краткого описания рекомендуемых в России диагностических методов, их применение связано с использованием опасных для здоровья людей реактивов, прежде всего концентрированных кислот и щелочей, а также требует специальной подготовки персонала, лабораторного оборудования, затрат времени, которое лимитируется сроками проведения как собственно диагностики, так и подкормки растений удобрениями. Из-за этих сложностей практические возможности оперативной диагностики азотного питания растений крайне ограничены, и в настоящее время ее масштабы в производственных условиях фактически сведены к нулю.

Известен еще один способ диагностики азотного питания растений. В европейских странах для диагностики азотного питания сельскохозяйственных культур рекомендован экспресс-метод на основе определения световых характеристик листьев растений, получаемых при их искусственном облучении светодиодом портативного прибора типа Hydro-N-Tester [3], который избран нами в качестве прототипа как наиболее близкий к предлагаемому устройству и способу использования по своим общим характеристикам.

Недостатками данного метода являются:

1) необходимость периодического тестирования прибора с использованием специального тестового диска,

2) высокая стоимость зарубежного прибора, составляющая, по данным за 2006 г, не менее 4 тыс.долларов США, или 100000 руб.,

3) недостаточная надежность разработанного за рубежом метода и прибора для диагностики азотного питания растений в почвенно-климатических условиях России.

Как показали испытания прибора и метода на посевах пшеницы в условиях Ивановской области, корреляционная зависимость между содержанием общего азота в листьях яровой пшеницы и показаниями прибора Hydro-N-Tester по отдельным годам выражалась коэффициентами (г) от 0,12 (по данным за 1999 г.) до 0,73-0,83 (2000-2002 гг.).

Сущность изобретения состоит в том, что экспрессно диагностируют азотное питание растений с использованием портативного устройства для определения потребности растений в азотной подкормке в производственных условиях. При этом потребность в азотном питании растений устанавливают в зависимости от соотношения флуоресценции хлорофилла листа растения к его светопроницаемости, которую определяют по фотометрической характеристике листа не менее чем на 40 растениях, регистрируемой прибором, при этом при регистрировании прибором величины пропускания менее 1±0,01 необходима азотная подкормка растений, при пропускании, равном 1±0,01 и более, подкормки не требуется. Мониторинг азотного питания осуществляется путем зажима листа диагностируемого растения в соответствующем устройстве прибора и просвечивания его оптическим излучением в диапазоне =400±50 нм с регистрацией оптических характеристик пропускания света через пластинку одного развитого листа растения. Мониторинг проводят на 40 произвольно выбранных растениях, в разных случайно выбранных участках посева одной и той же сельскохозяйственных культуры и сорта, что позволяет, при диагностике азотного питания озимой пшеницы, например сорта Московская 39, при регистрируемых прибором с разработанным устройством нормированных показателях пропускания менее 1±0,01 дается заключение о необходимости срочного внесения азотного удобрения в дозах до 60-90 кг/га действующего вещества, при показателе 1±0,01 и более внесения азотного удобрения не требуется. Указанный технический результат достигается тем, что предлагаемым способом и устройством предусматривается листовая диагностика азотного питания сельскохозяйственных культур, так как зеленые листья представляют собой интегральные органы информации о минеральном, в том числе об азотном питании растений [4]. Основой метода служит определение концентрации зеленого пигмента - хлорофилла в листьях растений по интенсивности его флуоресценции и прозрачности (светопроницаемости) листовых пластинок, которая также зависит от уровня содержания хлорофилла.

Для разработки отечественного экспресс-анализатора азотного статуса растений были проведены предварительные эксперименты по выявлению эффективных способов диагностики концентрации хлорофилла в листовых пластинках растений, поскольку известно, что она непосредственно зависит от обеспеченности растений азотным питанием, а показателем концентрации хлорофилла служит интенсивность его флуоресценции. Хлорофилл обладает высокой фотоактивностью, так как благодаря ему осуществляется фотосинтез, т.е. использование солнечной энергии на образование органических веществ. В составе хлорофилла у высших растений выделяют две формы - хлорофилл а и хлорофилл b, незначительно различающиеся по своему строению и функциям в растении. Обе формы являются сложными эфирами дикарбоновой хлорофиллиновой кислоты с метильной (у хлорофилла а) или альдегидной (у хлорофилла b) группами. Характерной особенностью химического состава хлорофиллов а и b служит наличие в их молекулах (C55 H72 O5 N4 Mg и

С55 Н70О6 N4 Mg соответственно) четырех атомов азота, что в известной мере предопределяет зависимость концентрации хлорофилла в листьях - основных фотосинтезирующих органах - от обеспеченности растений азотным питанием. Исследования, проведенные с использованием лабораторной лазерной установки для спектрального анализа отраженной листьями озимой зерновой культуры тритикале (гибрид озимой пшеницы и ржи) волновой энергии, показали (табл.1), что, во-первых, флуоресценция хлорофилла в листьях испытуемых растений тесно связана с содержанием в них азота, и, во-вторых, что флуоресценция хлорофилла и желтого пигмента (ксантофилла), не содержащего в своем составе азота и не участвующего непосредственно в фотосинтезе, индицируется в различных частях волнового спектра.

Из приведенных данных видно, что флуоресценция хлорофилла является чувствительным показателем обеспеченности растений азотом, так как ее интенсивность при облучении лазерным источником света листьев возрастает более быстрыми темпами, чем собственно содержание азота. При возрастании в исследуемых листьях тритикале общего азота в 2,5 раза интенсивность флуоресценции хлорофилла увеличивалась почти в 10 раз, т.е. на математический порядок. Определение концентрации хлорофилла в озимой пшенице в фазе колошения также показало, что его содержание в листьях тесно связано с уровнем азотного питания растений: коэффициент парной линейной корреляции концентрации хлорофилла а с дозами азотных удобрений, внесенных под пшеницу, составил r=0,81, хлорофилла b-r=0,78. На одно определение требуется не более нескольких секунд по сравнению с 30 минутами при химическом методе диагностики. Представленные результаты свидетельствуют об эффективности предложенного способа.

Обоснование способа экспресс-диагностики азотного питания растений.

Существенным отличием предложенного способа является то, что предлагаемый способ не требует отбора растительных проб в полевых условиях и транспортировки их в аналитическую лабораторию, обычно приводящему к искажению результатов диагностики, существенному удлинению ее сроков и изменению химического состава исследуемого растения, что повышает точность предложенного способа. Этот способ, кроме того, не требует применения агрессивных сред - кислот, щелочей, а также аналитических приборов, лабораторной посуды, что существенно упрощает проведение диагностики, сокращает ее сроки и себестоимость диагностического обследования посевов и позволяет объективно осуществлять диагностический мониторинг состояния посевов, количественных и качественных показателей посевов.

Установленная экспериментально зависимость концентрации и интенсивности флуоресценции хлорофилла с обеспеченностью растений азотом была использована при конструировании модельного образца портативного N-тестера «Спектролюкс» (в дальнейшем - прибора). Ввиду того, что лазерные источники света потребляют много электрической энергии, что практически исключает возможность их применения в портативных приборах, были продолжены исследования по подбору эффективных источников световой энергии на базе стандартизованных неэнергоемких светодиодов. Они показали, что наибольший эффект на флуоресценцию оказывает синий свет с длиной волны излучения около 400 нм по сравнению с более длинноволновым и менее энергонасыщенным красным светом. Поэтому для конструкции N-тестера «Спектролюкс» был выбран светодиод с синим светоизлучением, характеризующимся наиболее энергонасыщенными квантами. В отличие от результатов по связи флуоресценции хлорофилла с уровнем обеспеченности растений азотом, полученных на лабораторной лазерной установке в отраженном инфракрасном свете, в полевых условиях наиболее целесообразным оказалось измерение световых характеристик листовых пластинок растений при сквозном их облучении светодиодом портативного прибора, имеющего по сравнению с лазерным менее коррегированное светоизлучение.

В полевом опыте с озимой пшеницей, под которую азотные удобрения в возрастающих дозах от 0 до 180 кг/га действующего вещества с «шагом» 30 кг/га (7 вариантов) были внесены с осени, установлено, что наиболее устойчивым и точным показателем обеспеченности растений азотным питанием служит соотношение флуоресценции к прозрачности листьев. Показатель флуоресценции хлорофилла при сквозном облучении листьев растений хуже коррелировал с дозами азота (r=0,5), чем прозрачность листьев и соотношение флуоресценции к общему световому потоку, регистрируемому при прохождении через листья озимой пшеницы. В среднем коэффициенты парной линейной корреляции (r) составили по двум последним показателям 0,8 (табл.2). Отрицательная величина коэффициентов корреляции прозрачности листьев с дозами азота обусловлена снижением светопроницаемости листовых пластинок по мере улучшения обеспеченности растений азотом, в частности из-за возрастающей концентрации в листьях зеленого пигмента - хлорофилла. При этом соотношение флуоресценции к светопроницаемости листьев по значимости коэффициентов корреляции не уступает собственно светопроницаемости листовых пластинок, а коэффициенты вариации коэффициентов корреляции по срокам диагностики были наименьшими у показателя «соотношение флуоресценции к прозрачности» (V=11,0% и 8,2%), что свидетельствует о его большей устойчивости и, соответственно, пригодности как индикатора азотного питания растений. В связи с этим за основу индикации азотного статуса растений в диагностическом устройстве (в дальнейшем - прибор) был избран показатель «соотношение флуоресценции хлорофилла листьев растений (F) к их светопроницаемости (R)».

Портативное диагностическое устройство конструкции «Спектролюкс» (прибор) массой около 200 г представляет собой пластмассовый корпус размером 12×7×2,5 см с откидывающейся металлической крышкой у одного из торцов корпуса размером 5×1,2×0,8 см, в которую вмонтирован светодиод, излучающий синий свет через круглое отверстие диаметром 2 мм. В корпусе прибора против него расположено входное для луча света отверстие диаметром 2 мм. Прибор работает от 4-х пальчиковых батарей, помещенных внутри корпуса.

Функциональная схема прибора показана на фиг.1. При работе между излучателем 1 и крышкой помещается лист растения 2. В корпусе прибора расположены светопроводящие каналы 3, представляющие собой раздвоенный металлический патрубок, по одной ветви которого проникший через лист растения свет попадает на фотоэлемент 5, фиксирующий его интенсивность. По другой ветви патрубка свет от листа проходит через фильтр 4 (дифракционную решетку), пропускающий только инфракрасные лучи определенной длины волны, характерной для флуоресценции хлорофилла, которые далее попадают на другой фотоэлемент 6 прибора. Запрограммированное электронное устройство прибора с микрочипом 7, воспринимая электрический ток, поступающий от фотоэлементов, осуществляет необходимую математическую обработку полученной информации и выводит ее на жидкокристаллический монитор 8, расположенный на одной из боковых сторон корпуса. Продолжительность одного измерения составляет несколько секунд. Результат измерения выдается в виде цифр, показывающих соотношение интенсивности флуоресценции хлорофилла к прозрачности листьев растений и порядковый номер измерения, которые автоматически заносятся в память прибора. При холостом включении светодиода на мониторе высвечивается цифра, указывающая уровень его светосилы, зависящий от степени разрядки пальчиковых батарей. На корпусе прибора расположен пульт управления в виде кнопок, позволяющих в оперативном режиме включать и выключать светодиод, сбрасывать ненужные (ошибочные) результаты измерения, усреднять результаты серии измерений и давать команду на их сброс.

Конкретное применение предлагаемого способа осуществляется следующим образом. При диагностике азотного питания полевых культур на сельскохозяйственном поле (обрабатываемом участке) при движении оператора по одной из его диагоналей через определенные расстояния проводится выбор растения, типичного по своему внешнему виду для данного местоположения. На растении выбирается развитый лист из верхнего яруса листьев, он закладывается между откидной головкой прибора и его корпусом так, чтобы средняя часть листа у культур с удлиненной листовой пластинкой или край листа с отсутствием крупных прожилок у широколистных растений попала против отверстий в крышке и корпусе прибора. После прижатия крышки к корпусу производится включение светодиода нажатием соответствующей кнопки управления. Результат измерения при нажатии специальной кнопки управления на корпусе прибора сбрасывается, если он по какой-либо причине оказывается непригодным для учета (ошибка измерения). Для получения репрезентативного результата измерений на поле должно быть проведено не менее 40 измерений (на 40 растениях) в расчете на 100 га обследуемой площади.

Например, при общей площади сельскохозяйственного поля прямоугольной формы размером 2000×500 м (100 га) диагональ составит около 2100 м. При 40 измерениях расстояние между единичными измерениями фотометрической характеристики листьев растений должно составлять около 50 м. На небольших плантациях огородных культур при количестве растений менее 40 измерений могут быть проведены на ограниченном числе растений, для чего несколько измерений проводится на развитых листьях одного растения, желательно одного - среднего - яруса, т.е. близких по возрасту. Усредненный по 40 замерам диагностический показатель сравнивается с нормативным, представленным в табличной форме для данной культуры (сорта) на прилагаемой к прибору инструкции, и по ней определяется рекомендуемая доза азота, если обнаружен недостаток азотного питания у растений данного посева. В зависимости от площади обследуемого поля автоматическое обобщение результатов измерений может быть соответственно увеличено, но при меньшей площади количество измерений на тестовых растениях не должно быть менее 40, с тем чтобы нивелировать индивидуальные различия отдельных растений. При обследовании крупных массивов посевов сельскохозяйственной культуры или дробном учете диагностических признаков на одном поле в целях дифференцированного по площади применения удобрений, когда требуется фиксация нескольких или многих усредненных данных, в память прибора заносятся усредненные результаты по каждому обследованному контуру посева с их порядковыми номерами путем нажатия соответствующей кнопки управления на корпусе прибора. Зафиксированные в памяти прибора данные затем используются для расчета необходимых доз азотной подкормки посевов на обследованной площади путем сравнений показаний прибора с нормативной таблицей, на которой обозначены дозы азотных удобрений, требуемые для растений данного контура при определенных показателях прибора. Нормированную таблицу составляют по результатам ранее проведенных полевых опытов.

Примеры применения

Испытания модельного образца прибора конструкции «Спектролюкс» проводились в полевых опытах при внесении возрастающих доз азотных удобрений под различные сельскохозяйственные культуры: на посевах озимой пшеницы в полевых опытах ВНИИ агрохимии и Московской сельскохозяйственной академии им. К.А.Тимирязева, а также в условиях огородной культуры - на листовом салате, столовой свекле, луке и чесноке. Исследования подтвердили высокую эффективность использования устройства для определения обеспеченности растений азотным питанием. Измерения были проведены на растительных объектах (листьях растений), с фиксацией показаний прибора, включая интенсивность флуоресценции хлорофилла, прозрачность листьев в проходящем свете, соотношение флуоресценции и прозрачности листа - показатели, высвечивающиеся на цифровом дисплее модельного прибора.

В полевом опыте с озимой пшеницей проверялась эффективность диагностики азотного питания растений прибором «Спектролюкс» при подкормках посева в разные фазы их вегетации (табл.3). Измерения проводились через 2 недели после последней подкормки озимой пшеницы, т.е. в фазу цветения. Как видно по результатам диагностики, показатель «соотношение флуоресценции к прозрачности листьев» имел высокий уровень корреляции с содержанием общего азота в надземной биомассе растений: r=0.97. При этом отмечена известная закономерность влияния азотных удобрений на содержание общего азота в биомассе зерновых культур: чем позднее проводится подкормка растений азотом и чем большие дозы удобрения (до определенного предела) применяют для подкормки, тем выше содержание азота в их биомассе (при одновременном снижении влияния удобрений на урожайность). Установлено также, что прибором лучше диагностируется содержание общего азота в растениях, чем содержание нитратного, что следует из сравнения соответствующих коэффициентов корреляции: 0,97 и 0,74.

Проведенные исследования показали также, что измерение фотометрических характеристик листьев растений позволяет осуществлять диагностику азотного питания озимых зерновых культур осенью в год посева и принимать соответствующие решения об их подкормке в фазу осеннего или весеннего кущения. Ранее такие подкормки рекомендовалось проводить только по данным почвенной диагностики [5], что значительно сложнее, требует больших затрат времени, труда и также связано с использованием химических реактивов, т.е. практически малоприменимо.

Испытания N-тестера на овощных культурах также показали высокую эффективность прибора для диагностики азотного питания растений (табл.4). Диагностику проводили по сформировавшимся листьям свеклы и салата, перу лука и чеснока. Коэффициенты парной линейной корреляции показаний прибора с дозами азотных удобрений, внесенных под свеклу столовую, листовой салат, лук и чеснок, составили: от 0,82 на свекле, имеющей характерную буровато-зеленую окраску листьев, до 0,97-0,98 на зеленых вегетативных органах других овощных культур.

Проверка предлагаемого способа показала его функциональную пригодность для диагностики азотного питания растении. Предлагаемая биотехнология является оригинальной и реализуется с помощью портативного устройства для полевой экспресс-диагностики азотного питания растений с целью его оптимизации путем применения вегетационных подкормок азотными удобрениями для повышения урожайности и качества растительной продукции, предупреждения загрязнения ее и окружающей среды нитратами. Способ характеризуется высокой диагностической точностью и удобством использования в полевых условиях.

Литература

1. Минеев В.Г., Раткин В.Г., Гладкий Г.Г и др. Метод оптимизации доз азотных удобрений для подкормки озимых зерновых культур на основе комплексной почвенной и растительной диагностики. - М.: Изд-во ВАСХНИЛ, 1983. - 28 с.

2. В.В.Церлинг. Диагностика питания сельскохозяйственных культур. - М.: ВО Агропромиздат, 1990, - 235 с.

3. Майстренко Н.Н., Шрамко Н.В., Саккулин А.В., Бабенко О.С., Белов Е.В. Экспресс-диагностика азотного питания и прогноз качества зерна пшеницы в условиях Ивановской области. - Иваново: Изд-во Ивановской ГСХА, 2004. - 22 с.

4. Лебедев С.И. Физиология растений. - М.: Агропромиздат, 1988. - 544 с.

5. Агрономическая тетрадь. Возделывание зерновых культур по интенсивным технологиям. - М.: Россельхозиздат, 1986. - С.90-92.

Формула изобретения

Способ экспресс-диагностики азотного питания растений с использованием портативного устройства для определения потребности растений в азотной подкормке в производственных условиях, отличающийся тем, что потребность в азотном питании растений устанавливают в зависимости от соотношения флуоресценции хлорофилла листа растения и его светопроницаемости, которую определяют по фотометрической характеристике листа не менее чем на 40 растениях, регистрируемой прибором, при этом при регистрировании прибором величины пропускания менее 1±0,01 необходима азотная подкормка растений, при пропускании, равном 1±0,01 и более, подкормка не требуется.