Способ диагностики потребности растений в микроэлементном питании

 

Изобретение предназначено для использования в области сельского хозяйства. Способ включает выращивание растений, обработку растений микроудобрениями и листовую диагностику. При этом используют показатель пространственной когерентности прошедшего сквозь лист лазерного излучения с длиной волны 630-680 нм. Дефицит элемента устанавливают по увеличению, а избыток по снижению пространственной когерентности по сравнению с контролем. Изобретение позволяет повысить точность и снизить трудоемкость оценки дефицита или избытка того или иного микроэлемента. 5 табл.

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано как для оптимизации агрохимических приемов возделывания растений, так и для диагностики устойчивости растений к дефициту микроэлементного питания.

Микроэлементы, несмотря на то, что они находятся в организмах в ничтожных количествах, играют чрезвычайно важную роль. Рядом исследователей была доказана невозможность нормального развития растений в отсутствие таких микроэлементов, как марганец, цинк, медь, а для некоторых растений - алюминия и железа (2, 8, 13). Эти элементы были признаны абсолютно необходимыми. Проблема изучения физиологической роли микроэлементов имеет большое значение в связи с тем, что недостаток этих элементов в почвах, и как следствие, в растениях вызывает ряд заболеваний животных и человека. Недостаток микроэлементов снижает продуктивность сельскохозяйственных культур, а полное отсутствие вызывает заболевания и гибель растений из-за резких нарушений обмена веществ.

Таким образом, одной из главных в физиологии проблем является проблема минерального питания растений, основу которого составляет поглощение, транспорт и включение в метаболизм необходимых растению химических элементов. Это связано не только со сложностью изучаемых вопросов, но и с изменением сортового состава сельскохозяйственных культур, а также, возрастающими требованиями к их урожайности и качеству продукции. Так, было выявлено, что Mn, Zn и другие микроэлементы локализуются в органах и частях растений, наиболее богатых витаминами, и что богатые витаминами растения содержат больше и микроэлементов, особенно марганца.

В настоящее время выяснено, что микроэлементы входят в состав большого числа ферментов, которые ускоряют биохимические реакции синтеза, распада и обмена органических веществ. Данные о вхождении Fe, Сu, Zn в состав окислительно-восстановительных ферментов сделали понятной роль этих элементов в окислительно-восстановительных процессах. Большим достижением является определение функции микроэлементов в азотном обмене. Наблюдающиеся при недостатке микроэлементов различные хлорозы растений, по-видимому, в значительной степени являются результатом нарушений в синтезе белка.

Имеются данные о влиянии микроэлементов на передвижение и перераспределение минеральных элементов в растении. При исследовании вопроса о перераспределении микроэлементов в растениях оказалось, например, что цинк легко передвигается в молодые листья из старых. Концентрация цинка в различных органах быстро меняется; такого не наблюдается с марганцем, который отличается плохой подвижностью в растении и почти не перераспределяется внутри него (4).

Доказано положительное влияние микроэлементов на способность растений противостоять неблагоприятным условиям, проявляя холодо-, жаро-, соле- и засухоустойчивость. В связи с этим, возникла необходимость более глубокого изучения влияния микроэлементов на устойчивость растений. В результате многочисленных исследований в этом направлении было выявлено, что марганец и цинк снижают интенсивность полуденной транспирации, способствуя закрытию устьиц. Элементы повышают содержание воды в клетках и, как следствие, оводненность тканей листа, снижали интенсивность транспирации. Многочисленными исследованиями доказано положительное влияние внесения меди, марганца и цинка на комплексную устойчивость растений: дефициту влаги в засушливый период, пониженным или повышенным температурам. Кроме того, микроэлементы играют важную роль в борьбе с болезнями растений.

Выявлено, что недостаток, как и избыток, микроэлементов в питании растительных организмов приводит к нарушениям в структуре метаболизма и физиологических функций растений, что значительно снижает продуктивность.

Необходимо отметить, что, как показывают опыты, применение основных микроэлементов, наряду с другими агротехническими мероприятиями, ведет к повышению урожая и улучшению качества сельскохозяйственных культур. Под их влиянием растения лучше используют азотные, фосфорные, калийные и другие минеральные удобрения. Таким образом, целенаправленное использование микроэлементов в качестве селективных регуляторов обмена веществ является одним из путей повышения продуктивности плодовых, овощных и полевых культур.

В то же время, существуют такие культуры, как чай, гранат, хурма восточная, фейхоа, орех грецкий, фундук и некоторые другие, которые являются растениями - таннидоносами, относящимися к группе манганофилов, и предъявляющими повышенные требования к обеспеченности микроэлементами и, в особенности, марганцем. Так, в литературных источниках отмечено действие микроэлементов на рост, развитие растений, урожай и качество чайного листа (3). Исследования показывают, что такие элементы, как Мn, В, Zn, Сu и другие чрезвычайно важны для растений чая в течение всего его развития. Однако многие из микроэлементов находятся в дефиците в почве и не адсорбируются растением. Они локализуются в районе корней и не поступают в листья. В опытах, проведенных в Бангладеш, было установлено, что внесение, наряду с макроэлементами, цинка (в форме ZnSO₄ или ZnO) способствовало повышению урожайности (12). Выявлено также, что цинк помогает утилизации Р и N в растении чая. Грузинскими учеными показано, что внесение цинка (2,5 кг/га на фоне NPK) под многолетние чайные плантации в условиях красноземных и оподзоленных буроземных почв, оказывает положительное влияние на газообмен чайного растения, повышая интенсивность фотосинтеза и дыхания в листьях чая. При недостатке меди в чайном растении ухудшается процесс ферментации во время переработки чая, что снижает качество готового продукта (3, 11). Установлено, что недостаток цинка и меди вызывает уменьшение урожайности на чайных плантациях, даже там, где основные элементы питания находятся в оптимуме.

В литературных источниках неоднократно отмечается специфическая роль марганца для чайного растения. Чайный куст является манганофилом, способным без последствий переносить очень высокие концентрации марганца (до 0,4%). В опытах грузинских ученых установлено, что на кислых почвах чайные растения испытывают сильное марганцевое голодание, при этом в условиях подзолистых почв Западной Грузии, при внесении возрастающих доз марганцевых удобрений увеличивается содержание подвижного марганца в почве, что оказывает положительное действие на качество листьев чая (8). Было обнаружено также, что марганцевые удобрения повышают содержание данного элемента во флешах. Одновременно, происходит увеличение урожая, примерно, на 15%.

Кроме того, установлено, что внесенный марганец способствует усиленному поступлению в растения чая азота, фосфора, калия и магния, снижая при этом, поступление железа.

Рядом исследователей (5, 6, 7) установлена физиологическая роль микроэлементов в жизненно важных биологических процессах, протекающих в растениях цитрусовых культур. Так, цинк принимает участие в синтезе хлорофилла и дыхании клетки, в углеводном, белковом и фосфорном обмене, а также в увеличении сахара, витамина “С” и каротина. Недостаток бора и цинка у мандариновых деревьев вызывает образование розеточных и мелких листьев, отмирание точек роста побегов, что снижает урожайность растений.

Следует отметить, что эти симптомы голодания особенно заметно проявляются во время засухи.

Исключительно большая потребность цитрусовых культур в боре и цинке отмечается во время цветения и развития плодов.

В ряде работ показано, что недостаток марганца вызывает изменения в пигментном составе растений вследствие нарушения биосинтеза хлорофилла, проявляющиеся в развитии хлороза листьев. А дефицит меди приводит к опадению завязей и цветков (2).

Приведенные литературные материалы по микроэлементам указывают на большое значение микроэлементов для жизнедеятельности растений, в том числе и для многочисленной специфической группы субтропических культур. В связи, с чем разработка методов оперативного установления потребности субтропических, особенно вечнозеленых, растений в микроэлементах является весьма актуальной.

Известны методы листовой диагностики, позволяющие по соотношению содержания микроэлементов в почве и в листьях растений установить уровень обеспеченности почвы и растений в этих элементах (8, 9, 11). Они весьма трудоемки, требуют больших денежных, трудовых затрат и наличие специализированной агрохимической службы для выполнения химических анализов.

Наиболее близким к заявляемому является способ обеспечения растений минеральными элементами, оценивающий потребность в тех или иных элементах питания по фотохимической активности суспензии хлоропластов (1). Однако данный метод неэффективен для диагностики чая и таких субтропических культур, как фейхоа, хурма, цитрусовые и т.д., из-за высокого содержания фенольных соединений, эфирных масел и других ароматических веществ. Это требует дополнительной, трудоемкой, методической работы по подбору специальных сред, содержащих ингибиторы вышеуказанных соединений, а также краски.

Цель изобретения - повышение эффективности способа за счет увеличения точности оценки и снижения трудоемкости.

Это достигается тем, что проводят обработку микроудобрениями выращиваемых в полевых условиях или в теплицах растений и оценивают потребность растений в микроэлементном питании по величине пространственной когерентности прошедшего сквозь лист лазерного излучения с длиной волны 630...680 нм. При этом дефицит элемента устанавливают по увеличению, а избыток - по снижению пространственной когерентности по сравнению с контролем.

Пример 1. Контрольные и опытные чайные растения сорта Каратум выращивают в полевых условиях. Внесение микроэлементов осуществляют в виде внекорневых обработок опытных растений растворами микроудобрений (вариант “Медь” - раствором сернокислой меди в концентрации 0,06%; вариант “Марганец” - раствором сернокислого марганца в концентрации 0,4%; вариант “Цинк” - раствором сернокислого цинка в концентрации 0,3%; вариант “Железо” - раствором сернокислого железа в концентрации 0,3%; вариант “Смесь” - раствором вышеуказанных соединений в тех же концентрациях). Контрольные растения обрабатывали чистой водой. Схема размещения - рендомизированным методом в четырехкратной повторности по 10 п/м чайной шпалеры в каждой. Обработка проводится в два этапа - первая в начале вегетации (последняя декада апреля), когда наблюдается активный рост побегов (флешей); вторая - в период летней депрессии ростовых процессов (третья декада июня), перед второй волной роста.

Через 3-4 недели после очередного опрыскивания с контрольных и опытных растений отбирают с каждого повторения по 8-10 закончивших рост листьев (1-2-й лист после “рыбьего”); объем выборки - 40 листьев с варианта. Измеряют пространственную когерентность (G) прошедшего сквозь лист лазерного излучения с длиной волны 630-650 нм. Падающий поток ориентируют перпендикулярно поверхности листовой пластинки.

Вычисляют среднюю величину и среднеквадратическую ошибку когерентности света. Результаты сведены в табл.1.

Пример 2. Растения мандарина сорта Миагава-Васэ выращивают в полевых условиях. Внесение микроэлементов осуществляют в виде внекорневых обработок опытных растений растворами микроудобрений (вариант “Медь” - раствором сернокислой меди в концентрации 0,06%; вариант “Марганец” - раствором сернокислого марганца в концентрации 0,4%; вариант “Цинк” - раствором сернокислого цинка в концентрации 0,3%; вариант “Бор” - раствором борной кислоты в концентрации 0,06%; вариант “Смесь” - раствором вышеуказанных соединений в тех же концентрациях). Контрольные растения обрабатывали чистой водой. Схема размещения - рендомизированным методом в четырехкратной повторности по 5 деревьев в каждой. Обработка растений микроэлементами проводится в два этапа: первая во второй половине июня, после окончания массового цветения; вторая - в сентябре, в фазу начала налива плодов.

Через 3-4 недели после очередного опрыскивания отбирают с дерева по 2-3 прекративших рост нормально развитых листа в средней части побегов текущего года (объем выборки - 20 растений каждого варианта).

Анализ листьев проводят аналогично примеру 1. Результаты приведены в табл.2.

Как видно из представленных данных, предлагаемый способ позволяет достоверно и оперативно выявить потребность в микроэлементном питании без привлечения трудоемких и дорогостоящих химических анализов. Ярким доказательством этому является пример 1. Культура чая является растением таннидоносом, относится к группе манганофилов и предъявляет повышенные требования к обеспеченности микроэлементами, особенно марганцем. Марганец в больших количествах (до 400 мг/кг сухой массы) содержится в молодых побегах (флешах), которые собирают для производства чая и таким образом огромные количества марганца выносятся из почвы с урожаем (до 2-2,5 кг/га при урожайности 40-50 ц/га). Данные, приведенные в табл.1 также говорят о повышенной потребности чая именно в марганце, так как измеренный показатель у листьев этого варианта почти в 2 раза выше, чем у контроля. Способ отличается стабильностью показателей по всем повторностям опыта.

определению микроэлементов в почвах, кормах и растениях методом атомно-абсорбционной спектроскопии”. - М., 1985 г.), а также данными по пигментному составу листа и урожайности опытных растений чая (табл.3).

Заявляемый способ позволяет получать более достоверную оценку потребности растений в микроэлементном питании, в отличие от диагностики по фотохимической активности (см. табл.4).

Это обусловлено тем, что применительно к многолетним субтропическим растениям методика определения фотохимической активности хлоропластов не позволяет получить стабильные и достоверные результаты из-за значительного содержания в листьях веществ вторичного происхождения - фенольных соединений, дубильных и ароматических веществ. Фенольные соединения, обладая высокой окислительной способностью, приводят к тому, что хлоропласты быстро теряют фотохимическую и фосфорилирующую активность. Это в свою очередь не позволяет получить устойчивую окраску суспензии хлоропластов из-за ферментативного разрушения краски (2,6 - дихлорфенолиндофенола), что и подтверждается разбросом данных фотохимической активности как в контроле, так и на опытных вариантах (табл.5). Таким образом, как видно из табл.5, оценить потребность в микроэлементах по фотохимической активности хлоропластов не представляется возможным.

Недостатком этого метода является также то, что для получения суспензии мы нарушаем структуру и физиологическое состояния листа.

Предлагаемый нами способ сокращает сроки анализа и снижает трудоемкость работ. Кроме того, он позволяет оперативно корректировать и оптимизировать условия питания растений. Способ можно также использовать в селекции растений для оценки устойчивости новых сортов к дефициту микроэлементного питания.

Литература

1. А.с. СССР 952168, бюлл. №31,1982, с.12.

2. Анспок П.И. Микроэлементы // Справочник. - Л.: Агропромиздат, Л. отд., 1990, 272 с.

3. Дзадзуа О.Л. Влияние микроэлементов хелатных соединений и клиноптилолита на качество чая / Автореф. дис. - Сухуми, 1991, 25 с.

4. Кабата-Пендиас А., Пендиас X. Микроэлементы в почвах и растениях. - М.: Мир, 1983.

5. Кечакмадзе М.С. Эффективность борного удобрения в молодом мандариновом саду в условиях красноземной почвы // Субтропические культуры, №4, 1987, с.136-140.

6. Кечакмадзе М.С., Датуадзе О.В. Вынос бора урожаем мандарина // Субтропические культуры, №5, 1990, с.53-57.

7. Мдинарадзе Т.Д. Влияние минеральных удобрений на содержание подвижного цинка в красноземах и поступление его в мандариновое дерево // Субтропические культуры, №5, 1986.

8. Методические указания по диагностике питания чая./Под ред. Церлинг В.В., 1982, 14 с.

9. Методические указания по диагностике питания цитрусовых культур. / Под ред. Церлинг В.В. - М.: Колос, 1983, 15 с.

10. Саришвили И.Ф., Джибладзе Ш.Г., Саришвили Л.И. К вопросу подкармливания чайных растений марганцевыми удобрениями // Субтропические культуры, №2, 1971, с.141-147.

11. Церлинг В.В. Диагностика питания сельскохозяйственных культур // Справочник. - М.: Агропромиздат, 1990, 235 с.

12. Global Advances in Tea Science, Aravali book international (P), LTD, New Delhi, 1999.

13. World Tea. International Symposium on Tea Science, Shizuoka, Japan, August 26-29, 1991.

Формула изобретения

Способ оценки потребности растений в микроэлементном питании, включающий выращивание растений, обработку растений микроудобрениями и листовую диагностику, отличающийся тем, что для повышения точности и снижения трудоемкости оценки дефицита или избытка того или иного микроэлемента используют показатель пространственной когерентности прошедшего сквозь лист лазерного излучения с длиной волны 630-680 нм, при этом дефицит элемента устанавливают по увеличению, а избыток по снижению пространственной когерентности по сравнению с контролем.