Подготовка и использование песчаного субстрата в агрохимических исследованиях

Подготовка песчаного субстрата для точных опытов

Почва из-за своей пестроты и высокой поглотительной способности не позволяет создать строго контролируемые условия для питания растений. Чтобы обойти это ограничение, используют метод песчаных культур. Он позволяет точно оценить влияние отдельных элементов на обмен веществ и развитие растений, изучить синергизм и антагонизм ионов, а также определить точные коэффициенты усвоения элементов питания. В отличие от почвы, в песчаном субстрате элементы распределяются равномерно, не связываются физико-химически и напрямую контактируют с корнями.

• Диаметр частиц песка — 0,2–0,4 мм
• Содержание оксида железа — не более 1 %
• Содержание оксида алюминия — 1–5 %
• Равномерная влажность песка — в слое 20–25 см

В качестве субстрата используют мелкий кварцевый или белый речной песок, полностью очищенный от органики и илистых примесей. По своим физическим свойствам он должен быть близок к почве, чтобы не мешать нормальному росту корней. Химический состав песка зависит от его происхождения, но в любом типе преобладает оксид кремния.

Для удаления посторонних химических примесей и подготовки качественного субстрата песок подвергают обязательной обработке перед закладкой опыта.

1. Промойте песок водопроводной водой, чтобы смыть органические остатки и самые мелкие частицы.
2. Слейте воду, залейте песок соляной кислотой, накройте сосуды стеклами и оставьте в вегетационном домике.
3. Ежедневно перемешивайте песок деревянными палочками в течение одной недели.
4. Отмойте песок от кислоты сначала водопроводной, а затем дистиллированной водой до исчезновения реакции на хлор-ион (проверяется серебром AgNO₃).
5. Разложите песок тонким слоем на тележках и высушите на воздухе.
6. Дважды просейте сухой материал: сначала через сито с отверстиями 1 мм, а затем — 0,25 мм.

Выбор вегетационных сосудов и питательных смесей

Для песчаных культур выбирают более низкие сосуды, чем для почвенных. Капиллярное поднятие воды в песке выражено слабо, поэтому стабильная влажность удерживается только в слое высотой 20–25 см. Если использовать более глубокие сосуды, верхний слой песка быстро пересохнет. Для увеличения водоудерживающей способности субстрата в него добавляют мелко растолченное стекло или порошкообразный сернокислый барий.

Чтобы обеспечить нормальное развитие растений, в сосуды вносят питательные смеси. К ним предъявляют жесткие требования: они должны содержать все необходимые элементы в легкоусвояемой форме и поддерживать оптимальный pH среды в течение всей вегетации. Сильнее всего на кислотность влияют азотные соли, так как азот потребляется в наибольшем количестве. Для стабилизации реакции раствора азот и фосфор вводят в виде сбалансированных сопряженных пар.

Как работают разные типы питательных смесей

При постановке вегетационных опытов выбор питательной смеси определяет не только доступность элементов питания, но и химическую стабильность корневой зоны. Все составы, используемые в агрохимии, делят на три основных типа в зависимости от их влияния на кислотность субстрата. Понимание этих механизмов помогает точнее управлять питанием растений в условиях закрытого грунта и песчаных культур.

Первый тип смесей базируется на легкорастворимых солях, где химически кислая соль KH2PO4 сочетается с физиологически щелочной Ca(NO3)2. При выращивании растений на такой среде показатель pH неизбежно смещается в щелочную сторону. К этому типу относится большинство классических рецептур, используемых в агрохимии и физиологии растений, включая среды Гельригеля, Кнопа и Хоглэнда.

Второй тип питательных смесей использует KNO3 в качестве слабо физиологически щелочного источника азота и труднорастворимую соль Fe3(PO4)2 как источник фосфора. В процессе гидролиза фосфата железа образуется слабое основание и сильная ортофосфорная кислота, что нейтрализует подщелачивание от нитратов. Наличие труднорастворимых солей (включая Ca3(PO4)2 и CaSO4) удерживает концентрацию ионов в растворе на низком, но постоянном уровне за счет постепенного растворения осадка. Такой механизм эффективно имитирует естественные условия питания растений в почвенном растворе.

Третий тип смесей, разработанный отечественными агрохимиками, сочетает в себе легкорастворимые и труднорастворимые соединения. За основу здесь взята среда Гельригеля, в которой азот заменен на аммиачную селитру NH4NO3, а фосфор внесен в виде фосфата кальция CaHPO4·2H2O. Стабильность раствора обеспечивается буферностью фосфата кальция, гидролитической кислотностью сульфата железа Fe2(SO4)3, а также балансом между физиологической кислотностью аммонийного азота и щелочностью нитратного.

Рецептуры универсальных и специализированных сред

Для проведения точных опытов необходимо строго соблюдать дозировки компонентов при приготовлении растворов или набивке сосудов. Ниже приведены проверенные составы универсальных сред, а также специализированные рецептуры для отдельных сельскохозяйственных культур.

• Доза азота в среде Кнопа — 1,00 г/л Ca(NO3)2
• Доза азота в среде Чирикова — 1,000 г/кг KNO3
• Фосфор в среде Белоусова — 0,36 г/кг KH2PO4
• Добавка СаСО3 для гречихи — 55,5 мг/кг на 20-й день

Среда Кнопа в модификации Треймана (пшеница): 2,04 г/л (г/кг песка 3)2·4H2O; 0,431 – КNO3; 0,25 – КН2РО4; 0,12 – KCl; 0,51 – MgSO4·7H2O; 19,36 мг/л (мг/кг песка) FeCl3·6Н2О; 26,3 – MnSO4·5H2O; 13,2 – ZnSO4·7H2O; 1,96 – CuSO4·5H2O; 8,58 – Н3РО3; 0,126 – Na2MoO4·2H2O; 0,238 мг/л (мг/кг песка) СоSO4·7H2O.

Среда Хоглэнда в модификации Треймана (пшеница): 1,38 г/л (г/кг песка 3)2·4H2O; 0,78 – КNO3; 0,23 – NH4(Н2РО4); 0,51 г/л (г/кг песка) MgSO4·7H2O; 19,36 мг/л (мг/кг песка) FeCl3·6Н2О; 26,3 – MnSO4·5H2O; 13,2 – ZnSO4·7H2O; 1,96 – CuSO4·5H2O; 8,58 – Н3ВО3; 0,126 – Na2MoO4·2H2O; 0,238 – СоSO4·7H2O.

Среда Прянишникова в модификации Треймана (пшеница): 0,480 г/кг песка NH4NO3;,0344 – СаН2РО4·2Н2О; 0,570 – KCl; 0,49 – MgSO4·7H2O; 0,688

– СаSO4·2H2O; 1,11 3)2·4H2O; 14,52 мг/кг песка FeCl3·6Н2О; 8,78 – MnSO4·5H2O; 6,60 – ZnSO4·7H2O; 1,180 – CuSO4·5H2O; 8,580 – Н3ВО3; 0,075 – Na2MoO4·2H2O; 0,143 мг/кг песка СоSO4·7H2O.

Растворы микроэлементов для универсальных питательных смесей:

Раствор Браунора–Букача: 350 мг/л MnCl2·4H2O; 500 – Н3ВО3; 50 – ZnSO4·7H2O; 50 – CuSO4·5H2O; 50 – Al2(SO4)3·18H2O; 50 – NiSO4·7H2O; 50 – Со(NO3)2; 50 – TiO2; 25 25 – KBr; 25 – KJ; 25 мг/л SnCl2·2H2O. Добавляют по 1 мл этого раствора к каждому литру питательного раствора.

Раствор Бертло в модификации Готре: 50 г/л Fe2(SO4)3; 2,0 – MnSO4; 0,5 – KCl; 50 – NiCl2; 50 – СоCl2; 200 – TiSO4; 100 – ZnSO4; 50 – CuSO4; 100 – ВеSO4; 50 – Н3ВО3; 50 г/л Н2SO4. К питательному раствору добавляют одну каплю этого раствора.

Раствор Хоглэнда и Снайдера (Раствор А-Z): готовятся два раствора А и В смесей микроэлементов. На 1 л питательного раствора вносится по 1 мл каждого из этих растворов. Для приготовления раствора А на 18 л берутся следующие количества солей: 1,0 г Аl2(SO4)3; 0,5 – KJ; 0,5 – KBr; 1,0 – TiО2; 0,5 – SnCl2·2H2O; 0,5 – LiCl2; 7,0 – MnCl2·4H2O; 11,0 – Н3ВО3; 1,0 – ZnSO4·7H2O; 1,0 – CuSO4·5H2O; 1,0 NiSO4·6H2O; 1,0 г Со(NO3)2·6H2O. При приготовлении раствора В на 18 л вносят: 0,1 г As2О3; 0,5 – ВаCl2; 1,0 – СdCl2; 0,1 – Вi(NO3)2; 0,1 – Rb2SO4; 0,5 – К2С2О4; 0,5 – SrSO4; 0,1 – VCl3; 0,1 – KF; 0,1 0,1 – HgCl2; 0,425 – MoO2; 0,1 г H2SeO4.

При подборе серии сосудов для той или иной схемы песчаных культур необходимо стремиться, чтобы они были примерно одинаковой вместимости и массы. Вместимость сосудов, следует определять по количеству вмещающейся в них воды. Допускается 1–2 % расхождения между крайними величинами той или иной серии сосудов как по их объему, так и по массе. Чтобы установить одинаковую массу, сосуды тарируют битым стеклом. В наиболее тяжелый сосуд из отобранных для данного опыта помещают 200–300 г предварительно вымытого и высушенного битого стекла. После этого сосуды доводят до одной массы добавлением кусочков стекла. Дренажное стекло сдвигают к стенке горкой, так чтобы оно занимало не более 2/3 площади дна сосуда, а затем накрывают кружком марли. В марле делают отверстие, куда вставляют трубку для полива. Трубку ставят в горку дренажа, а марлю расправляют так, чтобы она закрывала дренажное стекло и часть свободного дна сосуда (рис. 94; Шестаков А.Г., 1954).

Питательную смесь вносят из расчета на 1 кг песка. Состав смесей определяется биологическими особенностями опытных растений и задачей исследования. Все растворимые в воде соли вносятся в песчаные культуры в виде растворов. Нерастворимые – в виде растертых в порошок навесок.

Рис. 94. Дренаж в вегетационных сосудах

На полиэтиленовую пленку или в таз высыпают отмеренное количество песка, добавляют элементы питания, тщательно перемешивают, увлажняют до 60 % от ППВ и помещают все в приготовленный сосуд. Полная влагоемкость должна быть определена заранее. Речной песок с размером частиц 0,5– 0,7 мм имеет влагоемкость 25 %. На 1 кг сухого песка берут 150 мл воды, что составляет 60 % полной влагоемкости, объем растворов питательной смеси должен входить в объем рассчитанной воды. Набивается сосуд песком плотно, поверхность песка не должна на 2–4 см доходить до краев сосуда. После набивки на стенку сосуда наклеивается соответствующая этикетка. Сосуд ставится на свое место и покрывается листом картона.

Посев в песчаных культурах производится как пророщенными, так и сухими семенами. Перед посевом семян поверхность песка в сосудах выравнивается, увлажняется, шаблонами делаются лунки для семян. Число и глубина лунок зависят от размера семян и количества оставляемых в сосуде растений. Обычно семян высаживается в 1,5–2 раза больше, чем оставляется после прореживания.

После посева сосуды покрываются картоном или ставятся в затененное место до появления всходов. Сосуды ежедневно утром и вечером поливаются из расчета 50–100 мл воды. После появления всходов сосуды выставляются в открытое место и снимается с их поверхности картон.

Иногда случается, что число взошедших семян в сосуде меньше того количества, которое намечено оставить после прореживания. В таких случаях необходимо производить подсадку растений. Растения для подсадки должны быть такого же возраста и развития, что и произрастающие в сосуде. Лучше всего для этих целей закладывать опыт с дополнительной повторностью.

На 5–6 день после появления всходов сосуды взвешивают, растения поливают водой, при этом количество воды не должен превышать 15 % от массы песка. В период интенсивного роста растений полив проводится два раза в сутки и влажность песка поддерживается на уровне 16–17 % от массы песка, что соответствует 70 % от полной влагоемкости песка.

Чтобы получить достоверные результаты в вегетационном опыте, важно вовремя сформировать оптимальную густоту стояния растений. Прореживание начинают, когда сеянцы переходят с питания за счет запасов семени на потребление элементов из внешней среды. В этот момент в сосудах оставляют строго определенное количество равномерно распределенных растений.

Количество оставляемых после прореживания растений зависит от объема вегетационного сосуда и биологических особенностей культуры. Для стандартных сосудов диаметром 25 см предусмотрены конкретные нормы плотности. Крупные культуры выращивают в индивидуальном режиме.

Такие крупные культуры, как картофель, сахарная свекла, кукуруза, виноград и хлопчатник, требуют большей площади питания. Их выращивают в емкостях увеличенного размера. После прореживания в каждом сосуде оставляют всего по одному растению — аналогично методике ведения почвенных культур.

Для высокостебельных растений во время прореживания обязательно устанавливают поддерживающие каркасы. Эти конструкции помогают стеблям сохранять строго вертикальное положение по мере роста. Кроме того, все сосуды в опыте необходимо ежедневно менять местами при поливе.

Наблюдения в период вегетации и уборка урожая

С момента появления всходов за растениями ведут непрерывное наблюдение. В журнале опыта фиксируют динамику развития: измеряют высоту, подсчитывают количество листьев и отмечают даты наступления фенологических фаз. Если растения в разных сосудах созревают неравномерно, их уборку проводят также в разное время, по мере наступления спелости.

• Диаметр стандартного сосуда — 25 см
• Прекращение полива до уборки — за 3–5 дней
• Высота среза стеблей — 1–2 см

Сбор урожая и подготовку проб к анализу выполняют в строгой последовательности. Это позволяет избежать потери биомассы и точно оценить влияние питательной среды на развитие органов растения. Все полученные данные фиксируют для последующих расчетов.

1. Прекратите полив вегетационных сосудов за 3–5 дней до планируемой уборки урожая.
2. Срежьте надземную массу ножницами на расстоянии 1–2 см от поверхности песчаного субстрата.
3. Освободите корневую систему от песка, аккуратно отмыв ее водой на сите.
4. Высушите надземные органы и корни растений, взвесьте их и отправьте сухую массу на химический анализ для определения содержания элементов питания.