АГРОХИМИЯ, 2015, № 1, с. 63-72
Агроэкология
УДК 581.5:633.16:631.421.1
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ БИОМАССЫ И ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА РАСТЕНИЙ ЯЧМЕНЯ В ПОЛЕВОМ ОПЫТЕ
© 2015 г. С.Е. Витковская
Агрофизический научно-исследовательский институт 195220 Санкт-Петербург, Гражданский просп., 14, Россия E-mail: s.vitkovskaya@mail.ru
Поступила в редакцию 12.09.2014 г.
Показано, что динамика роста растений в высоту, накопления биомассы растений ячменя и изменений содержания азота, калия и кальция в них хорошо аппроксимируется логистической функцией. Применение этой модели позволило выявить и количественно оценить влияние различных доз органических и минеральных удобрений на кинетические параметры (максимальные скорости нарастания биомассы и высоты растений Vmax), на снижение содержания химических элементов в растениях и время достижения Vmax (t0). Установлено, что Vmax увеличения сырой биомассы превысила Vmax для сухой биомассы в 1.8-3.9 раза. Изменения t0 по порядку величин оказались сходными для калия, азота и кальция и варьировались в пределах 46-58 сут. Ключевые слова: динамика, биомасса растений, элементный состав, ячмень, полевой опыт.
ВВЕДЕНИЕ
Любая отрасль науки, фундаментальной или прикладной, базируется на комплексе положений, гипотез, законов и определений, характеризующих ее теоретические основы. Законы, сформулированные в земледелии, носят описательный характер, не имеют единого для всех исследователей математического выражения и, как следствие, не позволяют дать сопоставимую количественную оценку происходящим в агроэкосистеме процессам. Речь идет о законе прогрессивного нарастания плодородия почв, законах минимума, оптимума, максимума и возврата, законе совокупного взаимообусловленного действия факторов, закона единства и взаимообусловленности агро-фитоценоза (посева) и его местообитания [1].
Жизнь любого организма, в том числе и растительного, - это процесс, следовательно, его нужно изучать во времени [2]. Выявленные закономерности динамики роста растения в зависимости от различных факторов могут послужить основой для управления продукционным процессом.
Экстраполяция результатов полевых опытов, полученных в определенных почвенно-кли-матических условиях, на другие объекты, как правило, затруднена. Едиными могут быть признаны установленные закономерности, методы и подходы для выявления этих закономерностей,
поскольку абсолютные величины экспериментальных данных в агрофитоценозах варьируются в широких пределах. К таким закономерностям можно отнести нарастание биомассы, накопление химических элементов растениями, распределение химических элементов в системе почва-растение и т. д.
Основными инструментами для выявления закономерностей, характеризующих процессы в системе почва-растение, являются зависимости время-ответ и доза-ответ. Построение таких зависимостей позволяет на основании полученных параметров моделей (например, скорости нарастания биомассы) не только количественно и качественно оценить влияние изучаемых факторов на урожай и его качество, но и установить закономерности, общие для любого агрофито-ценоза.
Рост растений описывается кривой Сакса или кривой большого роста - это фундаментальный закон. Отклонение от этого закона можно наблюдать только при существенном изменении внешних условий, влияющих на механизмы клеточного деления и транспорта химических элементов и молекул из почвы в растения [3].
Приводя кривую Сакса для описания процесса нарастания биомассы растений, как правило, не принимают во внимание ту информацию, которая
может быть извлечена благодаря параметрам логистической функции [1].
Ранее в серии лабораторных опытов с растениями ячменя сорта Суздалец нами было установлено, что логистическому закону также подчиняются показатели роста и развития растений в период отдельно взятой фазы вегетации (например, прорастание семян, высота надземной части и длина корней проростка, накопление биомассы проростка) [4].
Цель работы - в условиях полевого эксперимента изучить влияние различных доз органических и минеральных удобрений на параметры логистической функции, характеризующей динамику нарастания биомассы растений ячменя и изменения содержания в них макроэлементов.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Влияние различных доз органических и минеральных удобрений на динамику нарастания биомассы растений ячменя сорта Ленинградский изучали в 2012 г. в условиях стационарного полевого эксперимента. Опыт был заложен в 2006 г. в Меньковском филиале АФИ РАСХН на дерново-подзолистой легко суглинистой почве. Опыт состоит из 3-х парцелл: 1 - органические удобрения не вносили; 2 - за 7 лет внесено органических удобрений 240 т/га, извести 1 т/га; 3 - за 7 лет внесено органических удобрений 680 т/га, извести 3 т/га. В качестве органического удобрения вносили бесподстилочный навоз КРС. Парцеллы разбиты на 3 повторности, каждая из которых включает 3 делянки, различавшиеся дозами ежегодно внесенных минеральных удобрений. Длина делянки - 43 м, ширина - 5.5 м. В 2012 г. минеральные удобрения были внесены по следующей схеме, варианты: 1 - контроль без удобрений, 2 - Ш0Р30К70, 3 - Ш0Р30К90.
До внесения минеральных удобрений (май 2012 г.) почва опыта характеризовалась следующими агрохимическими параметрами: парцелла 1 - рНкс1 5.1 ± 0.1, К20 - 61 ± 11 мг/кг, Р2О5 - 197 ± 30 мг/кг, N-N44 - 2.7 ± 0.5 мг/кг, N-N0.; - 7 ± 1 мг/кг, Са - 3.8 ± 0.1 % ммоль/100 г, органическое вещество - 3.3 ± 0.2%; парцелла 2 -
Рнкс1 ;
± 45 мг/кг, N-NH4 -
± 4 мг/кг, Са - 5.0 ± 0.3 % ммоль/100 г, органическое вещество - 4.5 ± 0.3%; парцелла 3 -рНкС1 6.3 ± 0.1, К20 - 181 ± 31 мг/кг, Р2О5 -485 ± 72 мг/кг, N-№4 - 14 ± 4 мг/кг, N-N0.; -20 ± 12 мг/кг, Са - 6.0 ± 0.6 % ммоль/100 г, орга-
1300 Я 1200: 11001000 ^ 900 | 800 I" 700 " 600
1 500 | 400
2 300 200 100
0 -100
1200 11001000900800 700 600 : 500 : 400 300 200 100 : 0: -100
1700-
1500-
с. 1300-
§ 1100-
о 900-
я о 700-
а £ 500-
300-
100-
-100-
20 40 60 Время, сут
80
Парцелла 2
20 40 60 Время, сут
80
Парцелла 3
20 40 60 Время, сут
80
± 0.3, К20 - 124 ± 22 мг/кг, Р2О5 - 324 ± ± 2 мг/кг, N-N0.; - 10 ±
Рис. 1. Динамика накопления сырой биомассы растений ячменя. 1, 2, 3 - варианты опыта. То же на рис. 2-6.
ническое вещество - 5.4 ± 0.2%. Представлены средние величины агрохимических параметров в пределах парцелл, поскольку до внесения минеральных удобрений в вариантах не наблюдали существенных различий.
Отбор растительных проб проводили на каждой из парцелл (2-я повторность, 3 варианта). Для отбора проб на каждой делянке был выделен участок площадью 4 м2. Растительные пробы отбирали в динамике (7 отборов за ве-
Таблица 1. Параметры модели накопления биомассы растений ячменя
Парцелла 1 Парцелла 2 Парцелла 3
Показатель варианты
1 2 3 1 2 3 1 2 3
Высота растений, см
г2 0.98 0.95 0.96 0.97 0.99 0.99 0.96 0.98 0.97
Н1, см 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Н2, см 83±6 105±11 105±10 103±9 122±4 123±6 90±9 122±8 118±10
^ сУт 47±2 46±3 47±3 48±3 46±1 46±2 45±3.0 44±4 45±2
Ж 9.1±1.6 8.6±2.4 8.8±2.1 9.3±1.9 9.6±0.8 9.1±1.2 9.2±2.3 8.1±1.5 7.7±1.8
Ушах, см/сут 2.3 3.0 3.0 2.8 3.2 3.4 2.4 3.8 3.8
Сырая биомасса, г
г2 0.99 0.84 0.87 0.94 0.96 0.95 0.94 0.90 0.92
М„ г 0 0 0 0 0 0 0 0 0
М2, г 435±8 770±150 960±170 647±270 1000±80 923±94 526±54 1340±190 1270
^ сУт 49.9±0.4 49±4 50±4 48±3 44±2 47±2 46±2 47±3 47±2
Ж 4.5±0.3 4.5±3.1 4.3±2.7 4.3±2.9 3.9±1.5 4.8±1.9 3.9±2.0 4.8±2.6 3.4±2.2
Ушах, г/сут 24 43 56 38 64 48 34 70 93
Сухая биомасса, г
г2 0.99 0.98 0.99 0.99 0.99 0.99 0.99 0.99 0.99
М„ г 0 0 0 0 0 0 0 0 0
М2, г 218±4 280±17 392±18 257±8 497±38 397±19 198±11 533±21 489±17
to, сУт 62.8±0.4 57.8±0.8 59.6±0.7 58.1±0.6 62±1.9 60±1 56±1 57.7±0.8 57±0.7
Ж 7.0±0.3 2.9±0.6 4.0±0.6 5.2±0.6 7.4±1.4 6.0±0.9 4.6±0.9 5.7±0.7 5.1±0.6
Ушах, г/сут 7.8 24.0 24.5 12.3 16.8 16.5 10.8 23.4 24
Примечание. г2 - коэффициент, характеризующий точность оценочной функции, то же в табл. 2-4; Ушах - скорость накопления биомассы на момент времени t0. Представлены средние и их стандартные отклонения. То же в табл. 2-4.
гетацию): через 27, 33, 39, 46, 55, 62 и 81 сут после посева. К последнему отбору растения ячменя достигли молочной спелости. Количество растений в индивидуальной растительной пробе по мере нарастания массы изменялось от 100 до 15 шт. Определяли высоту, сырую и воздушно-сухую надземную биомассу растений. При оценке скорости накопления биомассы количество растений было приведено к единой величине (30 шт.).
Валовое содержание кальция, фосфора, азота и калия в растениях устанавливали после мокрого озоления. Озоление проводили по методу Гинзбург-Лебедевой (Н2БО4 + НС104, 10 : 1) [5]. Содержание кальция определяли комплексо-нометрическим методом; содержание фосфора - колориметрическим методом по Дениже, содержание азота - по Несслеру, содержание калия - фотометрическим методом. Математическую обработку проводили в программе 0riginPro 7,5. В таблицах представлены средние величины и их стандартные отклонения (±).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Динамику накопления биомассы, роста растений в высоту и содержания макро- и микроэлементов в растениях ячменя оценивали в период от 0 до 81 сут с момента высева семян. Для описания динамики биомассы растений в течение вегетации была применена логистическая (сигмоидная) модель (рис. 1):
М1 - М2
М( * ) = —17Т7^+М2, (1)
1 + е (*-
где М1 - начальная биомасса, г (равна нулю); М2 -максимальная биомасса, г; *0 - точка перегиба, в момент которой М = 1/2 (М1 + М2); Ж - крутизна кривой (угол наклона) - постоянная величина для данной кривой. Скорость прироста биомассы (г/сут) достигала максимума в момент, когда * = *0. Отношение (М2 - М1)/4Ж* характеризовало скорость на момент времени *0 (максимальную), см (г)/сут (Ушах). Параметры модели представлены в табл. 1.
20 40 60 Время, сут
80
Парцелла 2
20 40 60 Время, сут
80
Парцелла 3
20
~40~
60
~80~
Время, сут
Рис. 2. Динамика роста растений ячменя в высоту в течение вегетации.
Выявлено, что динамика высоты (Н, см) растений также хорошо аппроксимируется аналогичной моделью (рис. 2):
Н1 -
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.