Фотометрическая экспресс-диагностика азотного питания растений

Введение. Азот является одним из важнейших питательных элементов для растений. Эффективное регулирование азотного питания может оптимизировать урожайность сельскохозяйственных культур, повысить рентабельность и минимизировать потери азота. Однако управление азотом является довольно сложным процессом, что обусловлено, в первую очередь, его высокой вариабельностью и динамичностью в агроценозах [1, 2].

На почвах земледельческой территории Сибири азот находится в первом минимуме, что предопределяет высокую и устойчивую эффективность азотных удобрений под все сельскохозяйственные культуры [3, 4]. Производственная отдача от применения азотных удобрений в виде получения дополнительной продукции во многом зависит от точности и оперативности диагностики азотного питания растений. Вопросы диагностики минерального питания в агро-фитоценоценозах сельскохозяйственных культур были всегда актуальными, поскольку имели не только производственное и агроэкологическое, но и экономическое значение.

В настоящее время наряду с традиционными лабораторными методами диагностики находит применение фотометрический метод экспресс-диагностики азотного питания, в основе которого лежит определение интенсивности флуоресценции хлорофилла в листьях при регистрации и анализе оптических реакций (сигналов-откликов) растений в двух спектральных каналах при облучении их инфракрасными лучами. Основой метода является выявленная зависимость обеспеченности растений азотом от содержания хлорофилла в листьях, его фотоактивности (флуоресценции). Поэтому исходным принципом диагностической фотометрии служит определение в листьях концентрации хлорофилла или интенсивности флуоресценции [5].

Традиционные методы измерения содержания хлорофилла и валового азота, предусматривающие экстракции различными растворителями, являются достаточно точными, однако требуют много времени и затрат. Вместе с тем значительные потери пигментов могут происходить во время экстракции и разбавления, что приводит к высокой вариабельности результатов [6].

Современные методы экспресс-диагностики азотного питания предусматривают применение портативных приборов, показания которых косвенно отражают обеспеченность растений азотом. Работа N-тестера основана на измерении содержания хлорофилла в листе (в инфракрасном диапазоне), что сопряжено с уровнем азотного питания культуры. Для практического применения показателей N-тестера необходимы знания о корреляции между показателями прибора, с одной стороны, содержанием хлорофилла и азота – с другой, определенными стандартными лабораторными методами [7]. Это обстоятельство определяет актуальность проведенной работы. Методы диагностики состояния растений без разрушения их тканей используются в сельском хозяйстве более трех десятилетий. Эти методы, основанные на поглощении или отражении определенных длин волн света неповрежденными листьями, в последнее время заменили традиционные методы мокрой химической экстракции. Тем не менее, методы экстракции все еще необходимы для получения эталонных значений для оценки эффективности оптических методов.

Исследования, в которых проводились калибровки N-тестера SPAD-502, обычно описываются линейной зависимостью [8, 9], что соответствует пропорциональной зависимости между концентрацией пигмента и поглощением. Однако в ряде других исследований сообщается о криволинейной зависимости между хлорофиллом и значениями SPAD [10, 11]. Некоторые исследования показывают, что математические зависимости между показаниями SPAD-502 и хлорофиллом листьев могут меняться в зависимости от стадии роста растений и условий выращивания [12]. Предлагалось несколько объяснений этой нелинейности, таких как неравномерное распределение хлорофилла и излучения по поверхности листа и дифференциальное рассеяние, отражение фотонов при 650 и 940 нм [11, 13]. Поэтому математический расчет корреляции между значением SPAD и содержанием хлорофилла и азота может быть важным для оптимизации расширенной интерпретации данных, полученных с помощью хло-рофиллометра. В целом методология интерпретации данных, получаемых помощью N-тестера SPAD-502, имеет некоторые неопределенности и требует дополнительных исследований.

Цель исследования – установить степень соответствия показателей N-тестера SPAD-502

истинному содержанию хлорофилла и азота в растениях сельскохозяйственных культур.

Объекты и методы. Исследование проводилось в 2020–2021 гг. на территории землепользования ОАО птицефабрики «Заря», относящейся к агроэкологической зоне Красноярской лесостепи. Мониторинг растений на содержание хлорофилла осуществлялся в посевах яровой пшеницы Новосибирская 29 и Новосибирская 31, расположенных на равнинной, открытой территории. Почва – чернозем выщелоченный с содержанием гумуса 6,8–7,3 %; рН сол. – 6,9; Р 2 О 5 – 175 мг/кг; К 2 О – 210 мг/кг (по Чирикову).

Полевое определение концентрации хлорофилла проводили с помощью портативного прибора N-тестер SPAD-502. Исследовался флаговый лист пшеницы, который отбирался для дальнейшего лабораторного анализа. Полевое определение концентрации хлорофилла с помощью N-тестер SPAD-502 проводили также на территории ГСУ, расположенном на сопредельных полях. Исследованиям подвергались растения рапса, сои, льна масличного, пшеницы. Кроме того, измерения осуществлялись в образцах растений ячменя и овса, отобранные на опытном поле ОПХ «Минино». Все работы проводились в солнечную безветренную погоду при температуре 21–23 °C.

Листья, прошедшие тестирование портативным прибором, в дальнейшем анализировались в лаборатории на содержание хлорофилла и валового азота. Содержания хлорофилла определяли спектрофотометрически с помощью прибора Cary 60 UV-Vis Agilent Technologies при длинах волн 470, 649, 665 и 720 нм. Пигменты извлекались из растительной ткани растворителем (96 % этанол) по общепринятой методике [14]. Аликвота этого экстракта использовалась для определения содержания хлорофиллов a и b , а результаты выражались в мг хлорофилла/г высушенной ткани. Определение общего количества азота производили колориметрически с использованием метода мокрого озоления и реакции образования индофенольной зелени [15]. Озоление растительного материала проводили смесью концентрированной серной кислоты, содержащей селен, и 30 % раствора перекиси водорода. Повторность эксперимента – трехкратная. Результаты исследования обрабатывали методом корреляционно анализа в программе MS Excel с помощью пакета анализа.

Результаты и их обсуждение. Известно, что зеленые листья представляют собой интегральные органы информации о минеральном питании растений, в т. ч. и об азотном [16]. Концентрация хлорофилла напрямую зависит от обеспеченности растений азотным питанием. Характерной особенностью химического состава хлорофиллов а и b служит наличие в их молекулах (C55H72O5N4Mg и C55H7o06N4Mg соответственно) четырех атомов азота, что и предопределяет зависимость концентрации хлорофилла в листьях (основных фотосинтезирующих органах) от обеспеченности растений азотным питанием [17].

На рисунке 1 представлена зависимость содержания общего хлорофилла от показателей содержания валового азота в растениях пшеницы мягкой яровой. Данная зависимость имела линейный характер с коэффициентом детерминации R2 = 0,4321.

На рисунке 2 представлены графические данные зависимости показателей N-тестера от показателей содержания валового азота, полученного лабораторным методом в листьях пшеницы .

0,32

0,315

0,31

^- 0,305

0,3

0,295

0,29

y = 0,0009x + 0,2925 R² = 0,4321

2         4         6         8        10        12        14        16        18

Хл а+b

Рис. 1. Сопряженная зависимость содержания хлорофилла a+b с содержанием валового азота в листьях пшеницы

0,32

0,315

0,31

0,305

0,3

0,295

0,29

y = 0,0009x + 0,279 R² = 0,6164

5        10        15        20       25        30       35       40       45

Показания "N-тестера"

Рис. 2. Корреляционная зависимость показателей N-тестера от содержания азота в листьях пшеницы

Графическое отображение указывает, что связь показаний N-тестера и валового содержания азота имела линейный характер с высоким коэффициентом детерминации (R2 = 0,6164). Функциональная зависимость данных двух показателей имела вид y = 0,0009x + 0,279.

Наши исследования были посвящены поиску связи показателей N-тестера с показателями концентрации хлорофилла, установленными стандартными лабораторными методами. Результаты сравнительного анализа полученных данных показывают, что коэффициенты корреляции между значением N-тестера и тремя параметрами хлорофилла были существенными (рис. 3). Значение парной корреляции между содержанием общего хлорофилла и показателями N-тестера SPAD-502 для всех исследуе- мых растений r = 0,703 с зависимостью вида y = 5,1554e0,0245x. Для хлорофилла a уравнение имело вид y = 0,1218x + 1,8285 с коэффициентом корреляции r = 0,616. Для хлорофилла b y = 0,1088x + 2,3405 c корреляцией r = 0,675. На графике видно, что коэффициент корреляции между значением N-тестера и тремя параметрами хлорофилла были значительными. С увеличением значения N-тестера содержание хлорофилла имело тенденцию к синхронному увеличению. Можно наблюдать, что тангенс угла наклона линии регрессии между общим содержанием хлорофилла и значением SPAD составляет 5,15, что свидетельствует о высокой скорости изменения данных вдоль линии регрессии и значительной их связанности.

Рис. 3. Зависимость показателей N-тестера SPAD502 и содержания хлорофилла во всех исследуемых образцах

y = 0,3307x + 1,7105

R² = 0,7555

y = 0,0009x + 0,279

R² = 0,6164

0,32

0,315

0,31

0,305

0,3

0,295

0,29

0       5       10      15      20      25      30      35      40      45      50

Показания N-тестера

Рис. 4. Зависимость показателей содержания хлорофилла a + b, валового азота и показателей N-тестера в образцах пшеницы

Практическое значение показателей N-тестера заключается в их использовании в технологиях внекорневой подкормки растений в течение вегетационного периода. На рисунке 4 представлены графические данные зависимости показателей N-тестера от содержания хлорофилла и валового азота, полученным лабораторным методом в листьях пшеницы. Установлено, что эта связь в обоих случаях положительна и линейна. Коэффициенты корреляции между значением N-тестера и тремя параметрами хлорофилла, а также валового азота были существенны (табл.).

Зависимость показателей N-тестера SPAD502 от содержания хлорофилла и азота в листьях пшеницы

Форма хлорофилла, валовый азот	Коэффициент корреляции и коэффициент детерминации	Уравнение регрессии
Хл a+b	R2 = 0,755 r = 0,868	y = 0,3307x + 1,7105
Хл a	R2 = 0,719 r = 0,848	y = 0,171x + 0,7114
Хл b	R2 = 0,703 r = 0,838	y = 0,1625 + 0,9006
N, %	R2 = 0,61 r = 0,785	y = 0,0009x + 0,279

В данном случае зависимости показателей имели вид линейной функции.

Коэффициенты корреляции были существенными, что позволяет сопоставлять показатели прибора N-тестера SPAD502 с содержанием общего хлорофилла и валового азота в растениях пшеницы. В период максимального потребления элементов питания сельскохозяйственных культур N-тестер SPAD502 дает возможность получить данные как о состоянии растения, так и выявить неоднородность по полю, что позволяет с большой вероятностью диагностировать уровень азотного питания с помощью портативного прибора, не прибегая к химическим методам .

Заключение. Результаты исследования показывают возможность применения фотометрического метода как инструмента оперативной диагностики азотного питания растений. Экспериментально установленная сопряженность показателей портативного прибора с лабораторными показателями содержания хлорофилла и азота в растениях может быть использована при корректировке и интерпретации данных N-тестера SPAD-502 при мониторинге состояния посевов, оценке его качественных и количественных показателей, а также для принятия решений о необходимости внекорневых подкормок и расчета доз азотных удобрений. Использование данного прибора может заменить более трудоемкие и дорогостоящие методы химической диагностики.