Диагностика азотного питания посевов сельскохозяйственных культур с использованием наземной и дистанционной фотометрии
О диагностике минерального питания растений как о приоритетном направлении агрохимических исследований известно еще со времен Ю. Либиха и Ж.Б. Буссенго. Для определения потребности сельскохозяйственных культур в таких основных элементах питания, как фосфор и калий, широко применялась и применяется почвенная диагностика, т.е. определение в почвах подвижных форм этих элементов, на основании которой определяются дозы соответствующих видов и форм удобрений.
Почвенная диагностика используется и для выявления нуждаемости растений в азотных удобрениях, главным образом, в допосевной период или в начале активной вегетации культур. Но в отличие от содержания подвижных форм фосфора и калия, характеризующегося относительной стабильностью даже в течение нескольких лет, содержание доступных для питания растений соединения азота в почвах требует постоянного контроля в течение каждого вегетационного периода из-за неустойчивости во времени, динамичности данного показателя, с одной стороны, и особой требовательности растений к азоту почти в течение всей их вегетации, с другой. И если достаточной обеспеченности растений фосфором и калием можно достичь заблаговременным применением удобрений, то с азотом дело обстоит значительно сложнее. Как правило, азотные удобрения вносят в почву ранней весной непосредственно перед посевом яровых культур или поверхностно в начале вегетации озимых зерновых, ориентируясь на данные агрохимического обследования почв, включая оперативную диагностику. В критические периоды вегетации (кущение-ветвление, трубкование – стеблевание, колошение-цветение, формирование семян, других репродуктивных органов) для оптимизации азотного питания зерновых и других сельскохозяйственных культур проводятся вегетационные подкормки азотными удобрениями по данным химических методов растительной диагностики – стеблевой и листовой. В последние десятилетия все большее значение, особенно за рубежом, наряду с химическими, приобретают физические, а именно фотометрические, методы диагностики азотного питания посевов, основанные на связи интенсивности зеленой окраски растений с обеспеченностью их азотом. Фотоприемниками диагностических приборов фиксируется или концентрация хлорофилла в индикаторных органах растений, или интенсивность его флуоресценции.
Спектральный анализ сложных природных органических и минеральных соединений широко используется в агрохимической аналитике. Установлено, что при естественном или искусственном освещении квант света, поглощаясь молекулой хлорофилла, сообщает свою энергию электрону, который переходит в возбужденное состояние. Из возбужденного состояния электрон возвращается к основному, что сопровождается излучением кванта света, если энергия не полностью используется на биохимические процессы. При этом наблюдается увеличение длины излучаемых электромагнитных волн и соответственно уменьшение энергии излучения. В зависимости от длительности возбужденного состояния электрона излучение квантов света относят или к флуоресценции, или фосфоресценции, а оба типа излучения – к люминесценции. Считается, что все процессы превращения приходящей лучистой энергии происходят не на поверхности облучаемого объекта, например, зеленого листа, а в некотором слое, который агрофизики называют деятельным. При этом лучеиспускательная способность тела рассматривается как энергия, излучаемая 1 см2 его поверхности за 1 сек. По результатам исследований были разработаны константы лучеиспускания различных почв и растительных покровов, связанные с интенсивностью излучения. Показано, что содержание хлорофилла в растениях, его физиологическая активность тесно связаны с уровнем обеспеченности растений азотным питанием, так как азот непосредственно входит в состав хлорофилла.
В результате тематической обработки данных фотометрии в полевых опытах при контактном или дистанционном определении фотометрических показателей учитывается их связь с обеспеченностью растений в азотном питании и на основании этого рассчитывается потребность в азотных удобрениях в тот или иной период их вегетации. При этом наибольшее распространение получил расчет так называемого вегетационного индекса (NDVI), представляющего собой отношение разности между величиной отраженного от листьев или посева сельскохозяйственных культур показателя в ближнем инфракрасном красном диапазоне электромагнитных волн (NIR) и величиной, измеренной в красном диапазоне (RED) к сумме этих показателей: NDVI=NIR+ RED/NIR-RED. Длины волн электромагнитного излучения, используемые для автоматизированного расчета NDVI показаны на рис. 1
Разработка методов фотометрической диагностики азотного питания растений в условиях центральных районов Нечерноземной зоны проводилась на базе Полевой опытной станции РГАУ-МСХА и Центральной опытной станции ВНИИА (Московская обл.) на дерново-подзолистых средне- и тяжелосуглинистых почвах, среднекислых, хорошо обеспеченных подвижным фосфором и средне — обменным калием. Схемы полевых опытов включали варианты с возрастающими дозами азота от 0 до 150-180 кг/га. В качестве объектов исследований служили районированные сорта или селекционные линии озимой пшеницы, озимого тритикале, ярового ячменя, белой горчицы, ярового рапса. В качестве фотометрических приборов применялись портативный модельный N-тестер «Спектролюкс», европейский портативный N-тестер «Yara», американские – ССМ-200 и «Gen Seeker».
В специальных полевых опытах выявлялся характер зависимости культур от возрастающих доз азотных удобрений, так как именно данный показатель должен быть положен в основу логических и статистических оценок фотометрической диагностики азотного питания растений. В результате исследований устанавливалась зависимость фотометрических показателей от возрастающих доз азотных удобрений, вносимых под сельскохозяйственные культуры, соотношение с другими диагностическими показателями, изучаемыми в этих полевых опытах, связь с урожайностью и качеством культур. Так, в условиях центра Нечерноземной зоны было установлено, что биологическая реакция растений на возрастающие дозы азотных удобрений носит в основном параболический характер, что позволяет соответствующим образом интерпретировать результаты сопутствующих исследований, включая фотометрические показатели (табл. 2, рис. 4).
Из этого следует, что показания фотометров отражают реальную обеспеченность растений азотным питанием, в свою очередь влияющим на урожайность сельскохозяйственных культур. Иначе говоря, высокая статистическая и биологически апробированная достоверность показаний N-тестеров от доз азотных удобрений служит научной основой диагностики азотного питания растений, что позволяет отказаться от сложных и трудоемких, к тому же небезопасных для здоровья ручных операций растительной диагностики, и в известной степени роботизировать диагностические процессы.
Исследования с использованием отечественной модели N-тестера «Спектролюкс» при диагностике ярового рапса выявили положительную зависимость показаний прибора с дозами азотных удобрений, внесенных под эту культуру (рис. 6). Сопряженность расположения точек кривой теоретического распределения и фактического отсчета прибора характеризуется коэффициентом корреляции r=0,99, т.е. практически совпадают между собой.
В целом, результаты исследований по диагностике азотного питания различных сельскохозяйственных культур показали, что фотометрические методы диагностики позволяют с достаточно высокой степенью вероятности оценивать обеспеченность растений азотным питанием. Эти методы на практике могут заменить более сложные, трудные в исполнении и небезопасные для исполнителей методы химической диагностики, применяемые ранее.
Крупномасштабная съемка посева озимой пшеницы в полевом опыте, проведенном на ЦОС ВНИИА в 2017 г. беспилотным летательным аппаратом ООО «АгроДронГрупп», также выявила довольно тесную связь величины вегетационного индекса (NDVI), рассчитанного по результатам дистанционной съемки с баллами наземной фотометрии (рис. 7).
Коэффициенты парной линейной корреляции между величинами вегетационного и нитратного индексов составляли r = 0,86, между вегетационным индексом и баллами фотометрии – r = 0,98, между вегетационным индексом и дозами азота – r = 0,78. Все эти показатели однозначно указывают на эффективность дистанционной диагностики азотного состояния посевов зерновых культур с использованием БПЛА, оснащенных соответствующей фотометрической аппаратурой. Оперативность и технологическая простота, а также экономическая составляющая использования беспилотных летательных аппаратов для мониторинга посевов сельскохозяйственных культур по существу открывают новую страницу в решении проблемы диагностики азотного питания растений. Не секрет, что прежние методы наземного, да и космического мониторинга посевов не вполне удовлетворяли потребность земледелия в оперативной диагностике состояния посевов, что сдерживало принятие адекватных технологических решений, в частности о проведении азотных подкормок в период вегетации растений. По некоторым оценкам в обозримом будущем до 75% выпускаемых в мире беспилотных летательных аппаратов будет использоваться в интересах сельского хозяйства. Наши исследования показали, что этот прогноз имеет под собой вполне реальную научную основу.
Литература
1. Прянишников Д.Н. Избранные сочинения. Т. 1. — М.: Колос, 1965. – 767 с. 2. Методика полевых опытов по оптимизации азотного питания зерновых культур, сахарной свеклы и картофеля на основе оперативной почвенной и растительной диагностики. Коллектив авторов. – М. ВНИИ агрохимии и агропочвоведения им. Д.Н. Прянишникова, 1985. – 92 с.
3. Осипов Ю.Ф., Иваницкий Я.В., Ширинян М.Х., Афанасьев Р.А., Галицкий В.В. Использование прибора «N-тестер «Яра» для диагностики азотного питания озимой пшеницы. Плодородие, 2011. № 1.
4. Зырин Н.Г., Орлов Д.С. Физико-химические методы исследования почв. Изд-во МГУ, 1964.- 348 с.
5. Гродзинский А.М., Гродзинский Д.М. Краткий справочник по физиологии растений. К.: Изд-во «Наукова думка», 1973. – 591 с.
6. Вершинин П.В., Мельникова М.К., Мичурин Б.Н. и др. Основы агрофизики. Под. ред. академика А.Ф. Иоффе и канд. наук И.Б. Ревута. — М: Гос. изд-во физико-мат. литературы. — 1959. -904 с.
Источник
Приборы для экспресс диагностики минерального питания растений
Официальный сайт ООО «Группа Компаний АгроПлюс»
Приборы для экспресс диагностики минерального питания растений
Повышение урожайности и качества культурных растений при минимальных затратах возможно только при научно-обоснованной системе применения удобрений. Своевременное проведение диагностики питания сельскохозяйственных культур позволяет рационально использовать удобрения, прогнозировать урожай, его качество и при необходимости вносить коррективы в систему минерального питания в течение всей вегетации растений.
Методы диагностики питания растений подразделяют на почвенные и растительные. Химический анализ почвы – очень важный фактор для рационального использования удобрений, проводить его рекомендуется не реже одного раза в год по макроэлементам (азот, фосфор, калий, кальций, магний) и раз в 5 лет по микроэлементам. До недавнего времени эту задачу могли выполнить только специализированные агрохимические лаборатории. В настоящее время использование современных портативных приборов позволяет в кратчайшие сроки определять содержание питательных веществ в почве и рассчитывать потребность в удобрениях.
Специалисты Группы компаний «АгроПлюс» проводят анализ почвы, по результатам которого выдаются рекомендации по подбору и корректировке доз удобрений. При проведении анализов используется современное немецкое оборудование: аграрная мобильная лаборатория «Амола», c помощью спектрофотометра и наборов реактивов определяет точное содержание азота, фосфора, калия, кальция, магния, марганца, меди, цинка, железа, молибдена и других элементов в почвенной вытяжке.
Определение потребности растений в удобрениях позволяет эффективно их использовать, получать высокую окупаемость прибавками урожая, предотвращать затраты на применение избыточных доз удобрений, не допускать загрязнений окружающей среды.
Однако, даже на высоком питательном фоне (NPK) в отдельные фазы роста и развития может проявляться голодание растений из-за недостаточного снабжения их тем или иным элементом питания, особенно при нарушении баланса между элементами. Для получения стабильных высоких урожаев с хорошими качественными показателями необходимо применять приёмы дополнительной подкормки. Особое значение в эффективности питания растений имеют микроэлементы. Недостаток микроэлементов вызывает нарушения углеводного и азотного обмена, синтеза белковых веществ, снижает устойчивость растений к засухе, воздействию низких и высоких температур и к заболеваниям. Для того чтобы растения получали оптимальную дозу именно тех элементов питания, которые им необходимы с учётом слагающихся экологических факторов, очень важно своевременно провести растительную диагностику.
Использование только традиционных методов агрохимического анализа почв не даёт возможности скорректировать питательный режим в зависимости от фазы развития, вида и сорта растений, влажности и температуры почвы и воздуха и изменения ряда других факторов внешней среды. Доступность питательных веществ, содержащихся в почве, определяет само растение. Поэтому одним из перспективных направлений оценки потребности растений в элементах питания является растительная диагностика, которая уточняет и дополняет агрохимическую характеристику почв.
Растительная диагностика, в свою очередь, включает визуальную, химическую и функциональную. Визуальная диагностика является наиболее простым методом, но для успешного её применения необходим большой практический опыт, кроме того, часто внешние признаки нарушений питания растений проявляются поздно, как следствие необратимых процессов и будущих потерь урожая и качества продукции. Химическая диагностика позволяет определить химический состав растений в данный момент. Однако иногда элемент питания накапливается не вследствие его необходимости для развития растения. Наряду с традиционными агрохимическими методами анализа важную роль в оптимизации питания культуры играет метод функциональной диагностики.
Функциональная диагностика питания растений относится к качественным методам анализа и позволяет определить не содержание того или иного элемента питания, а потребность растения в нём. Метод функциональной диагностики позволяет в течение примерно одного часа определить потребность растений в 14 макро- и микроэлементах питания и дать рекомендации по проведению корневых и некорневых подкормок, что особенно важно при введении новых сортов и при расширении ассортимента культур. Данный метод может использоваться для диагностики питания растений, как на грунтах, так и на гидропонике. Экспрессность метода позволяет перед каждой подкормкой растений количественно определить потребность в макро- и микроэлементах и скорректировать питание растений для повышения продуктивности культуры.
Специалисты ГК «АгроПлюс» проводят экспресс анализ по определению потребности растений в элементах питания, используя мобильную лабораторию, которая включает в себя портативный фотометр и весь необходимый набор лабораторной посуды, принадлежностей, химических реактивов, размещённых в удобном контейнере. Мобильная лаборатория удобна и проста в использовании, таким образом, каждый специалист хозяйства может в полевых условиях определять целесообразность и дозы подкормок растений в процессе вегетации.
Острая потребность в экспресс контроле азотного питания растений всегда актуальна в связи с необходимостью уточнения доз азотной подкормки зерновых культур. N-тестер – это портативный прибор, предназначенный для определения уровня азотного питания растений по содержанию хлорофилла в листьях непосредственно в поле, без использования вспомогательных средств. Он позволяет следить за динамикой азотного питания сельскохозяйственных культур в ходе их вегетации, оперативно определять необходимость в азотной подкормке для рационального использования удобрений с целью получения максимально возможных урожаев качественной продукции растениеводства. Экспресс анализы незаменимы при большом количестве исследуемых участков.
Одним из важнейших показателей почвы, который должен контролировать каждый агроном при выращивании сельскохозяйственных культур, является кислотность или уровень рН. Кислотность почвы непосредственно действует на корневую систему растений, на почвенные микроорганизмы, на усвояемость растениями элементов питания. Практически для всех растений оптимальный уровень рН находится в диапазоне рН 6,0 – 7,0, за исключением культур предпочитающих очень кислую почву (рододендрон, азалия, вереск, малина и др.). Низкий уровень рН препятствует полному поглощению таких основных макроэлементов, как фосфор и калий, завышенный уровень рН (щелочная реакция) блокирует потребление микроэлементов. Быстрое и точное определение величины рН является совершенно необходимым элементом оптимизации питания растений в профессиональном растениеводстве.
Компания «АгроПлюс» предлагает сельхозпроизводителям широкий ассортимент портативных приборов для измерения величины рН: рН-метр полевой, рН 3000 профессиональный, combo pH и ЕС, рН-метр для растворов, индикаторная бумага на рН. Быстрые результаты измерений с помощью данных приборов позволяют своевременно вносить соответствующие корректировки. Например, очень низкие значения рН можно повысить известкованием, высокие значения рН снижаются путём внесения кислых удобрений.
Не менее важным показателем является содержание активных питательных солей в почве. Измерение «активности» солей в настоящее время широко применяется как наиболее лёгкий, быстрый и надёжный способ контроля за процессом питания растений. Засолённость определяется концентрацией растворённых в почвенном растворе солей. В воде, растворах и суспензии эти соли полностью свободны и мобильны, и их концентрация может быть определена путём измерения электропроводности раствора. Поскольку элементы питания растений представляют собой ионы солей, измерение количества «активных» солевых ионов даёт немедленное представление о состоянии корневого питания растений.
В растворах величина электропроводности прямо коррелирует с концентрацией общих растворённых солей – чем выше концентрация солей, тем выше величина электропроводности. В процессе управления питанием растений необходимо постоянно контролировать величину электропроводности: питательных растворов, поливной воды, особенно в районах с повышенной засолённостью грунтовых вод, всех видов гидрокультур, почвенных и субстратных вытяжек (проба почвы или субстрата перемешивается с дистиллированной водой в определённом соотношении и определяется концентрация солей в мг/л почвы или субстрата).
ООО «АгроПлюс» в зависимости от заказа предлагает измерители активности солей (PNT 3000) совместно с электродами в картонных упаковках или в прочных алюминиевых кейсах для перевозки и хранения, профессиональные кондуктометры (ЕС 3000), недорогие карманные приборы для измерения электропроводности в питательных растворах, а также комбинированные приборы для проведения четырёх различных измерений: кислотности, электропроводности, концентрации солей и температуры.
Подвижность или «активность» питательных солей и, соответственно, доступность их растениям, зависит от плотности почвы, от её влажности и температуры. В уплотнённых почвах потребление растениями воды и питательных веществ возможно только в ограниченных количествах. В таких почвах снижается скорость воздухообмена и минерализации азота. Пенетрометр является простым и надёжным прибором для измерения плотности почвы. Прибор позволяет установить на какой глубине находится плужная подошва для определения глубины рыхления.
Приборы, измеряющие влажность почв и субстратов незаменимы в условиях регулярного орошения и в закрытом грунте. Набор тензиометров различной длины (от 0,3 до 1м) позволяет измерять осмотическое давление влаги почвы или субстрата, по которой определяется её доступность для растений.
Измерительные приборы позволяют не только проводить диагностику минерального питания растений для соответствующих корректировок, но и подтверждать эффективность корректирующих подкормок, которые в большой степени повышают качество сельскохозяйственной продукции. Так, например, рефрактометр – прибор, позволяющий непосредственно в полевых условиях быстро и легко определить содержание сахара в сахарной свекле, винограде и других фруктах и овощах. Нитрачек 404 – прибор для определения содержания нитратов в плодах и овощах.
Целый ряд портативных измерительных приборов и комплектов (в виде алюминиевых кейсов), поставляемых компанией «АгроПлюс», позволяет агрономам производить измерения непосредственно в полевых условиях и своевременно вносить соответствующие корректировки для оптимизации питания сельскохозяйственных культур с целью повышения их продуктивности.
Заведующая лабораторией ООО «АгроПлюс»,
канд. с.-х. наук, Казанок Т.С.
Источник