ТЕМА 8: ВЕГЕТАЦИОННЫЙ МЕТОД
1. Вегетационный метод
2. Почвенные культуры
3. Песчаные и водные культуры
Вегетационный метод
Вегетационный метод — один из методов агрономического исследования, позволяющий более детально расчленять и выявлять значение отдельных факторов, влияющих на рост, развитие и в конечном итоге на урожайность сельскохозяйственных культур. Вегетационный метод позволяет поддерживать в благоприятных соотношениях внешние условия, и прежде всего обеспеченность растений влагой, светом, теплом. Такой метод применяют для решения многих вопросов в агрохимии, физиологии, почвоведении, экологии, растениеводстве и других областях сельскохозяйственной науки.
Название «вегетационный метод исследования» укрепилось за опытами с растениями, выращиваемыми обычно в небольших (вегетационных) сосудах в специальных домиках, также называемых вегетационными, защищающих растения от дождя и ветра.
В агрохимии вегетационный метод применяют при изучении отзывчивости растений на различные виды, формы удобрений, соотношения питательных элементов, влияния химических мелиорантов на физико-химические процессы, происходящие в почве, определении количества питательных элементов в почве и др. Почти все вопросы, изучаемые полевым методом, могут быть решены с помощью вегетационного опыта. Однако это не означает, что он может заменить полевые опыты, так как условия произрастания растений в полевых условиях существенно отличаются от условий в вегетационных опытах. Благодаря тому что вегетационный метод позволяет искусственно расчленять и выявлять значение отдельных факторов роста (свет, тепло, влага, питание, воздух), а также поддерживать эти факторы в благоприятных для растений соотношениях, появляется возможность получать более убедительные данные об отзывчивости растений на них, что нельзя сделать в условиях полевого опыта.
При постановке вегетационных опытов имеются свои особенности использования питательных веществ растениями, которые сводятся к следующему. Во-первых, при постановке опыта с почвенной культурой почву берут с пахотного слоя, поэтому растения используют питательные вещества только из него, в то время как в полевых опытах они используют их из подпахотных слоев, иногда с глубины до 2 м. Во-вторых, в сосудах в течение вегетации растений поддерживается оптимальная влажность почвы и мобилизация питательных веществ, трансформация их происходит иначе — питательные вещества почвы и удобрений используются намного интенсивнее, чем в полевых условиях. В-третьих, в вегетационных сосудах растения находятся в более благоприятных погодных условиях, так как в случае похолодания, усиленного ветра и других неблагоприятных условий сосуды с растениями могут быть перенесены в вегетационный домик и защищены. Таким образом экспериментатор может не только способствовать сохранению растений, но и создавать оптимальные условия для их развития.
Почвенные культуры
Основными объектами для исследований в почвенных культурах являются почва и растение. Проведение вегетационных опытов с почвенной культурой позволяет глубоко изучить естественное и искусственное плодородие почвы, дать сравнительную оценку плодородия типов, подтипов, их разновидностей, изучить эффективность видов и форм удобрений на урожайность сельскохозяйственных культур в зависимости от почвенных условий, решать и другие вопросы агрохимии.
Подготовка почвы
Почва для вегетационного опыта может быть взята с контрольных делянок полевого опыта или его запольных участков, при этом экспериментатор должен хорошо знать тип, подтип, гранулометрический состав, агрохимические показатели почвы.
Иногда вегетационные опыты ставят с целью изучения плодородия почвы, созданного в результате длительного применения удобрений в полевых опытах. В таком случае почву с различной окультуренностью или разным содержанием питательных элементов можно отбирать непосредственно с делянок.
На поле почву берут лопатами с пахотного слоя, а на целинных участках — с дернового горизонта.
Если же почву берут с делянок и она имеет разную агрохимическую характеристику, то ее помещают в чистые бумажные, полиэтиленовые или матерчатые мешки. Нельзя насыпать почву в мешки из-под удобрений и пестицидов, так как небольшое количество оставшихся в них этих химических веществ может попасть с почвой в сосуды и исказить результаты опыта.
В мешки кладут этикетки с обозначением номера делянки и агрохимических показателей.
Количество необходимой почвы для вегетационного опыта определяют с учетом числа сосудов и их емкости. Принимая во внимание возможные потери при транспортировке, хранении, подготовке и набивке сосудов, почвы берут на 20—30 % больше расчетного количества. Для набивки сосудов наиболее пригодна почва влажностью 18—20 % тяжелосуглинистого и глинистого и 14— 16 % супесчаного гранулометрического состава.
Хранить почву длительное время нежелательно, так как в ней могут происходить аммонификационные, нитрификационные и другие процессы и она будет значительно отличаться по агрохимическим показателям от почвы, взятой в поле. К тому же при длительном хранении почва может сильно высохнуть, и ее придется увлажнить при подготовке и набивке в сосуды.
Почва перед набивкой в сосуды должна быть тщательно перемешана и просеяна через сито с отверстиями 3—5 мм.
Крупные комки раздавливают, пропуская их через сито, отбрасывают гальку, пожнивные остатки, корни и червей. Просеянную почву еще раз перемешивают, отбирают среднюю пробу в трехкратном повторении — в заранее просушенные и взвешенные бюксы на влажность, в цилиндры для определения полной влагоемкости.
Для постановки вегетационных опытов с почвенной культурой можно из жести, металла, стекла, синтетических материалов. Сосуды могут быть различных высоты и диаметра: 15 х 20 см, 15 х 30, 20 х 20 см. В такие сосуды вмещается 5—7 кг почвы. В днище сосуда имеется отверстие (прорезь) для стока просочившейся воды. Просачивание воды возможно при обильных осадках, когда сосуды находятся на открытой площадке. Воду, попавшую в поддон, нельзя выливать — она должна идти на полив повторно. Перед набивкой сосуды тщательно моют водопроводной водой, а при постановке опытов с микроэлементами — дистиллированной. Для каждого опыта сосуды подбирают одинаковой массы, высоты и диаметра. По диаметру и высоте они могут различаться не более чем на 0,5 см, а по массе — не более чем на 50 г.
При набивке сосудов почву взвешивают на чашечных или площадочных весах, навески переносят в таз, вносят удобрения и тщательно перемешивают руками.
Азотные и калийные удобрения можно вносить в виде порошков, гранул и в растворенном состоянии. Навески сухих удобрений берут не раньше чем за 1—2 дня до набивки в пакетики из пергаментной бумаги, на них указывают вариант схемы, виды,
Количество почвы, вносимой в сосуд, устанавливают пробной набивкой. Почву из таза переносят в сосуд в три-четыре приема горстями, каждый раз уплотняя ее согнутыми пальцами. Уплотненная в сосуде почва не должна высыпаться при опрокидывании сосуда. Недостаточно уплотненная почва оседает в летнее время, при поливе размывается, а в жаркие дни растрескивается.
При правильно выбранной навеске почвы и после набивки поверхность ее в сосуде должна находиться на 2—3 см ниже края сосуда.
Если же пробная набивка показала, что взятая масса почвы не помещается или оказалась недостаточной, проводят перенабивку, уменьшая или увеличивая плотность почвы в сосуде. Наполненные почвой сосуды, закрывают бумагой, а затем пленкой. Каждый сосуд имеет свой номер, который обозначают черной краской.
Посев и посадка растений и уход за ними
Зерновые и бобовые культуры высевают проращенными семенами на глубину 1,5—2,0 см, мелкосемянные (многолетние бобовые, злаковые и др.) — на глубину 0,5 см. На сосуд 20 х 20 см высевают 20—25 семян зерновых злаков и льна, 15—20 семян бобовых, 5—7 — кукурузы, 3—5 — столовых корнеплодов. Проращивание семян проводят в противнях, плоских блюдах или другой посуде, в которую тонким слоем настилают чистый кварцевый песок, увлажняют дистиллированной водой и покрывают фильтровальной бумагой. На фильтровальную бумагу кладут семена и снова прикрывают бумагой. Чтобы уменьшить испарение воды, посуду прикрывают стеклом. Оптимальная температура для проращивания должна быть 28—30 °С; чтобы ускорить прорастание, посуду с семенами помещают в термостат.
Посеянные проращенные семена в лунки заделывают легким надавливанием на них ладонью и равномерным прикатыванием поверхности почвы, после чего почву засыпают чистым кварцевым песком, при этом на сосуд диаметром 15—20 см его расходуют 200 г. Песок необходим для предохранения почвы от потери влаги и от размывания поверхности почвы при поливе.
После посева сосуды закрывают листами бумаги, а если они остаются под открытым небом, дополнительно полиэтиленовой пленкой, чтобы избежать промачивания дождями.
Листы бумаги и пленку снимают после появления первых всходов. Количество высеваемых семян должно быть больше необходимого числа растений к уборке на случай гибели всходов или молодых растений. В сосудах 20 х 20 см в фазе двух листьев зерновых культур оставляют 15—20 растений, зернобобовых — 10—15, кукурузы — 2—3, корнеплодов — 1 растение на сосуд. Все удаляемые растения оставляют на поверхности почвы в сосуде.
Для получения достоверных результатов урожайности в вегетационном опыте достаточно иметь 3—4-кратную повторность вариантов.
Растения у прикорневой шейки срезают ножницами, кладут в пакет и высушивают в подвешенном состоянии в вегетационном домике, на стеллажах сушильного сарая или в сушильных шкафах.
Почву из сосуда высыпают на лист бумаги, фанеру, полиэтиленовую пленку, перемешивают, раскладывают тонким слоем, после чего методом квартования берут средний образец массой 300—500 г.
Уборка и учет урожайности
Уборку и учет урожайности проводят при полном созревании растений. Если оно наступает неравномерно и зависит от удобрений, то уборку проводят по мере созревания растений отдельных вариантов. Дни уборки и учета урожайности отмечают в журнале. Отставание в созревании возможно при применении высоких доз азотных удобрений на низком фоне фосфорно-калийных, а также при неблагоприятных погодных условиях (низкая температура почвы и воздуха, избыточное увлажнение). Данные урожайности обрабатывают дисперсионным методом, определяют относительную ошибку и достоверность полученных результатов.
В растениях могут быть определены показатели качества, содержание питательных веществ, а на основании урожайности и содержания элементов питания — вынос и коэффициенты их использования из удобрений и почвы.
ПЕСЧАНЫЕ И ВОДНЫЕ КУЛЬТУРЫ
Песчаные и водные культуры широко используют для разнообразных физиологических и агрохимических исследований: выявления действия отдельных элементов на рост и развитие растений, на ход биохимических процессов в растении, изучения различных факторов роста, установления антагонизма и синергизма между различными элементами питания, изучения взаимодействия между корневой системой и питательными веществами, процессов поступления питательных элементов в растения, решения многих других вопросов физиологии и агрохимии.
Усвоение растениями питательных элементов из удобрений в почвенной, песчаной и водной культурах существенно различается. Это связано с тем, что распределение питательных веществ в почве не аналогично распределению их в песке и воде. В песке и особенно в воде во всех местах сосуда создается более или менее одинаковая концентрация питательных элементов. В песчаных и водных культурах возникают более благоприятные условия использования растениями питательных веществ, они теснее соприкасаются с корневой системой, не вступают в обменную реакцию с элементами почвенно-поглощающего комплекса.
Неравномерность распределения удобрений в почвенной культуре, химическое, биологическое, физико-химическое поглощения затрудняют поступление питательных веществ, поэтому коэффициенты использования их из удобрений в песчаной и водной культуре выше, чем в почвенной. Таким образом, основное отличие песчаных и водных культур от почвенных заключается в однородности питательной среды, имеющей слабую абсорбционную способность и незначительную химическую активность. К различиям следует отнести и тот факт, что при постановке опытов с песчаной и водной культурами нет и не может быть чистого варианта без удобрений, т. е. нулевого или абсолютного контроля, ибо в отличие от почвенной культуры растения в варианте без удобрений не развиваются и гибнут в начале роста. Когда же надо выяснить, является ли удобрение усвояемым для растений и в каком количестве в зависимости от рН, концентрации, вида растений и других факторов, то ответ можно получить при постановке опытов с песчаной культурой. Но если надо выяснить, можно ли данное химическое соединение считать удобрением, ответ может дать опыт с почвенной культурой.
Питательные смеси и их состав
При приготовлении питательных смесей большое значение имеет форма удобрений, так как от нее зависят свойства раствора и прежде всего его реакция (рН).
Так, например, из Ca(NO3)2 растения быстрее усваивают нитрат-ион, чем катион кальция, а из (NH4)2SO4 — ион аммония, поэтому в первом случае в процессе питания раствор подщелачивается, а во втором подкисляется.
Учитывая слабую физиологическую кислотность NH4NO3, Д. Н. Прянишников впервые предложил использовать азотнокислый аммоний вместо азотнокислого кальция и азотнокислого натрия. Введение в раствор азотнокислого аммония способствует поддержанию реакции раствора (рН) на более постоянном уровне.
Из форм фосфорных удобрений используют растворимые однозамещенные соли Са(Н2РО4)2, КН2РО4, NH4H2PO4, NaH2PO4, Mg(H2PO4)2 и др. Соли кальция, магния и натрия обладают физиологической щелочностью.
В отдельные смеси могут вводиться двузамещенные соли калия и натрия, которые сильно изменяют среду в сторону подщелачивания.
В питательные смеси может вводиться трехзамещенный фосфат кальция [Са3(РО4)2] — нерастворимая соль, которая практически не усваивается растениями. Назначение ее заключается в предохранении питательного раствора от подкисления.
Из калийных удобрений чаще используют КС1 и K2SO4. С сернокислым калием вносят два макроэлемента (калий и серу) и не вводят хлор. Поэтому при приготовлении питательных смесей все исследователи отдают предпочтение этой соли в сравнении с хлористым калием.
Основной солью, содержащей кальций, при приготовлении питательных смесей является гипс (CaSO4 • 2Н2О). Гипс приходится добавлять, даже если в смеси кальций вносят в составе других солей.
Магний вносят в виде MgSO4 • 7Н2О или Mg(NО3)2.
Железо вносят в виде солей: FePO4, Fe3(PO4)2, Fe2(SО4)3, FeSO4, FeCl3, FeSO4 • (NH4)2SO4 • 6H2O (соль Мора), комплексных соединений, содержащих железо (хелаты).
Питательные смеси должны содержать серу, ее обычно достаточно, если в смеси использован гипс или другие соли, такие, как сульфат аммония, сульфат калия.
Большинство сельскохозяйственных культур развиваются при нейтральной реакции среды. Создать такую среду в песчаных и водных культурах довольно трудно, еще труднее обеспечить физиологическую уравновешенность питательного раствора с оптимальным рН в течение всей вегетации, так как реакция постоянно изменяется вследствие неодинакового поглощения растениями катионов и анионов солей и выделения углекислоты при дыхании корневых систем. Подобранные химически нейтральные соли в процессе питания могут становиться физиологически кислыми или физиологически щелочными.
Подкисление раствора, особенно в песчаных культурах, может происходить в результате нитрификации аммонийных азотных удобрений, под воздействием различных микроорганизмов, в том числе аммонификаторов и нитрификаторов.
При составлении питательных смесей для поддержания реакции среды, близкой к оптимальной, основное значение имеет подбор солей.
Так, исходная реакция (рН) питательного раствора Д. Н. Прянишникова равна 6,5 благодаря присутствию СаНРО4, а Кнопа и Гельригеля достигает 7 благодаря совместному использованию Ca(NO3)2 и КН2РО4.
Для приготовления питательных смесей применяют химически чистые соли и дистиллированную воду. Их готовят с высокой (в 100—200 раз) концентрацией заранее и хранят в темных бутылях и темных прохладных помещениях. При проведении эксперимента растворы разбавляют до нужной концентрации.