Фотометрическая диагностика азотного питания сельскохозяйственных культур

Диагностика азотного питания сельскохозяйственных культур относится к актуальным задачам земледелия в целом, но особенно к условиям точного (координатного) земледелия) Азот, наряду с фосфором и калием, является одним из трех основных элементов питания растений и почвенной микрофлоры. В отличие от других питательных веществ азот в природных условиях находится в относительном минимуме. Однако при использовании в качестве удобрения он может служить не только мощным фактором повышения урожайности культур, но и, при избыточном внесении, вызывать негативные последствия для растений и загрязнять природную среду.

Точность дозировок азотсодержащих удобрений, в принципе установленная агрохимической наукой для разных культур и способов их возделывания, во многом зависит от своевременной и правильной диагностики нуждаемости растений в азоте в конкретных почвенных, погодных и других условиях, сложившихся на момент внесения азота.

До настоящего времени оперативная диагностика азотного питания полевых культур, главным образом озимых и яровых зерновых, проводилась на основе химических методов. При этом в посевах культур отбирались образцы (пробы) растений или отдельных их частей (индикаторных органов), затем в лабораторных условиях осуществлялся анализ отобранных органов (стеблей, листьев, черешков листьев - в зависимости от особенностей культуры). В качестве диагностического показателя определялось содержание в индикаторных органах общего (валового) или нитратного азота, которое при сравнении его с эталонным (оптимальным) содержанием, приведенным в специальных таблицах, служило основанием для заключения об уровне азотного питания и, соответственно, о необходимости подкормки растений азотными удобрениями для повышения урожайности или улучшения качества продукции, например для повышения содержания белка в зерне пшеницы. Наиболее трудоемким и занимающим длительное время является определение общего азота в растениях, т.к. при этом практикуется мокрое озоление их в концентрированных кислотах с перегонкой аммиака в аппарате по методу Кьельдаля и его связыванием в растворе едкого натра.

Более оперативным считается использование полуколичественных методов, основанных на определении в растениях нитратного азота в стеблях зерновых культур или черешках листьев ряда овощных культур, других индикаторных органах по реакции отжатого из них сока с раствором дифениламина в концентрированной серной кислоте и сравнении полученной синей окраски разной интенсивности с имеющимися шкалами.

Как видно из краткого описания диагностических методов, их применение связано с использованием опасных для здоровья реактивов, прежде всего концентрированных кислот и щелочей, а также требует специальной подготовки персонала, лабораторного оборудования, затрат времени, которое лимитируется краткими сроками проведения как собственно диагностики, так и подкормки растений удобрениями. Из-за этих сложностей практические возможности оперативной диагностики азотного питания растений крайне ограничены, и в настоящее время ее масштабы в производственных условиях невелики.

Вместе с тем, нуждаемость в экспресс-диагностике азотного питания растений остается перманентно высокой. Она позволяет своевременно выявлять потребность вегетирующих сельскохозяйственных и других культур в азоте, поскольку иными методами это определить невозможно.

От своевременной диагностики зависит не только продуктивность фитоценоза, но экология среды т.к. избыток азота, внесенный «на глазок», в качестве подкормки, является серьезным дестабилизирующим фактором метаболизма в системах почва-растение, вызывая израстание или полегание растений, нитратно-нитритные токсикозы, загрязнение почв, продукции и грунтовых вод нитратами и нитритами, канцерогенными нитрозоаминами. У переудобренных азотом растений, что нередко наблюдается на практике, особенно в огородной культуре, снижается иммунитет, и они больше повреждаются грибными заболеваниями и всевозможными вредителями. Наоборот, недостаток азотного питания негативно сказывается на урожайности культур и качестве продукции, прежде всего на обеспеченности ее белком, незаменимыми аминокислотами, многими витаминами, другими биологически активными веществами, избытке трудно переваримой клетчатки (в кормах).

Таким образом, своевременное и точное диагностическое определение и внесение доз азотных удобрений под возделываемые культуры для оптимизации их азотного статуса с экономической и экологической точек зрения является приоритетным технологическим приемом. Особенно это важно при оптимизации азотного питания культур, требующих неоднократной подкормки в течение вегетации, т.е. дробного их применения, прежде всего озимой и яровой пшеницы, озимой ржи, ряда пропашных и других культур.

В настоящее врёмя полагаться можно только на экономическую и экологическую заинтересованность сельхозтоваропроизводителей и других участников товарооборота сельскохозяйственной продукции. Очевидно также, что методы оперативной диагностики, связанные с применением химических реактивов, требующие достаточно сложного оборудования и умения им пользоваться, в этих условиях малоприменимы. Выходом из создавшегося положения является создание приборов, основанных на применении физических, главным образом фотометрических, методов диагностики азотного питания растений, получивших распространение в США и ряде других стран с развитым сельским хозяйством. Особенно перспективно использование фотометрической экспресс-диагностики для технологий точного земледелия, при котором учитывается потребность растений не только во времени, но и в пространстве, т.е. в зависимости от внутрипольной вариабельности почвенного плодородия.

Теоретические основы фотометрической диагностики азотного питания растений. Из наземных фотометров чаще всего используются портативные N-тестеры и мобильные N-сенсоры, устанавливаемые на подкормочных агрегатах. Портативными приборами определяется средняя доза азота для подкормки посевов, а N-сенсоры, синхронизированные через борт-компьютеры с GPS-терминалами и рабочими органами машин-удобрителей, дают команды для дифференцировки введенной в борт-компьютер средней дозы адекватно состоянию посева: интенсивности зеленой окраски растений и величине биомассы. Датчиками световой индикации (фотоприемниками) служат фотоэлементы, преобразующие световую, падающую на них энергию (кванты), в электрическую, которая в свою очередь преобразуется электронными устройствами (чинами) в цифровые показатели интенсивности отраженной от растений или проникающей через их лист энергии. При этом фотометрами может измеряться как общая энергия светопотока, так и его часть, полученная разложением дифракционной решеткой, главным образом, лежащая в красном и инфракрасном диапазоне электромагнитных волн.

В настоящее время за рубежом созданы мобильные и портативные приборы, основанные на изложенных выше принципах индикации, предназначенные для определения свойств различных биологических объектов. Для выявления обеспеченности растений азотным питанием используется оборудование (портативные N-тестеры и мобильные N-сенсоры), основанное на определении интенсивности зеленой окраски растений или флуоресценции хлорофилла, так как эти показатели тесно связаны с уровнем обеспеченности растений азотным питанием.

Лабораторные исследования показывают, что интенсивность энергии флуоресценции, отраженной от листьев растений, тесно связана с содержанием в них зеленого пигмента, т.е. хлорофилла, и общего азота.

По зарубежным разработкам, при диагностике азотного питания растений чаще всего используется так называемый вегетационный индекс (NDVI), который представляет собой отношение разности между величиной отраженного от листьев или посева с/х культур показателя в ближнем инфракрасном диапазоне ЭМВ и величиной измеренной в красном диапазоне к сумме этих показателей. В качестве фотометрических приборов в современной практике используются: портативный модельный N-тестер европейского производства “Yara”, американский – ССМ-200 и “GreenSeeker”.

В российской модели N-тестера «Спектролюкс» диагностическим показателем служит отношение флуоресценции хлорофилла листьев растений, приуроченной к ближнему ИК-диапазону, к их светопроницаемости.

На показания фотометрических приборов заметно влияют условия увлажнения даже в ранние и средние фазы развития растений – в этих условиях фотометрические показатели приборов в контрольных вариантах полевых опыта повышаются на 100-150 единиц выше, чем благоприятные по условиям увлажнения периоды. Соответственно растения в засушливые годы содержат больше азотистых веществ, во-первых, из-за ограничения ростовых процессов вследствие нехватки продуктивной влаги и, во-вторых, из-за накопления в почве нитратного азота вследствие минерализации гумуса и относительно меньшего его потребления растениями на образование биомассы. В засушливые малоурожайные годы зерно озимой пшеницы содержит больше белка и клейковины по сравнению с урожайными годами, что объясняется повышенной обеспеченностью растений почвенным азотом.