Эксперимент для проведения исследований в вегетационных сосудах

Вегетационный метод широко используется в растениеводстве, физиологии растений, селекции, земледелии, почвоведении, агрохимии при изучении самых разных проблем. Вегетационные опыты с удобрениями проводятся в искусственных условиях (в сосудах) с целью изучения питания растений и обмена веществ в них.

Первый вегетационный опыт был проведен в 1629 г. голландским естествоиспытателем Ван Гельмонтом. Основоположником вегетационного опыта в области агрохимии является Ж. Буссенго (1837 г.). Первое использование вегетационного метода в России, где в 1896 г. впервые был построен вегетационный домик, связано с именем К. А. Тимирязева.

Вегетационный метод позволяет отделить и выявить роль отдельных факторов в жизни растений при регулируемых условиях влажности, освещенности, температуры и питательного режима. С помощью вегетационного метода в агрохимии были определены необходимые для жизни растений элементы, проводилось сравнение аммиачного и нитратного питания растений, различных форм фосфатов, решены другие кардинальные проблемы. Вегетационный метод незаменим при изучении физиологической роли микроэлементов, новых форм удобрений, особенностей питания растений, оптимальных условий их питания и т.п. В последнее время в вегетационных опытах широко применяют радиоактивные и стабильные изотопы.

Вместе с тем такие проблемы агрохимии, как использование удобрений в севообороте, сочетание их с системой обработки почвы, ухода за растениями и т.д., можно исследовать только в полевых опытах. В вегетационном опыте влияние отдельных факторов на растения изучается в искусственных условиях и его результаты могут не совпадать с данными полевого опыта. При углубленных агрохимических исследованиях необходимо сочетание полевых, вегетационных и лабораторных методов.

Рис. 15.8. Вегетационные сосуды:

а – эмалированные сосуды для различных культур; б – сосуд Вагнера;

в – сосуд Митчерлиха (с поддоном); г – сосуд Кирсанова (с поддоном).

В зависимости от темы исследования в вегетационном опыте в качестве искусственной среды (субстрата) используются: почвенные культуры; водные культуры; разделенные культуры; стерильные культуры; гидропоника; аэропоника. Для проведения вегетационных опытов применяются вегетационные домики, сетчатые павильоны, фитотроны (лаборатории искусственного климата) и другие сооружения.

Вегетационные домики (теплицы) – самые распространенные сооружения для проведения вегетационных опытов. Их делают из деревянного или железного каркаса и стекла. Для проветривания устраиваются жалюзи внизу и форточки на крыше. Вегетационные домики оборудуются стеллажами или вагонетками, на которых размещаются сосуды.

Сетчатый павильон защищает растения от птиц и повреждений. Для его сооружения используется сетка с ячейками 1,5×1,5 и 2×2 см, при меньших размерах ячеек снижается освещенность растений, при больших – она не защищает от птиц. Условия выращивания под сеткой приближены к естественным.

Для вегетационных опытов используют сосуды двух типов, различающиеся по способу полива – без отверстий и с отверстиями в дне (рис. 15.8). Сосуды без отверстий поливают по массе, а с отверстиями – по объему. Первые применяют в более точных опытах. Сосуды с отверстиями в дне имеют поддоны, их можно использовать в сетчатых павильонах. После дождя воду из поддона, в которую перешли питательные элементы из сосуда, вливают обратно. В вегетационных опытах используются пластмассовые, стеклянные и металлические сосуды. Металлические для предотвращения коррозии должны быть эмалированными или покрытыми консервантами (внутри – асфальтовым лаком, снаружи – белой краской). Стеклянные сосуды обычно используются в опытах с водной, стерильной и разделенной культурой.

Рис. 15.9. Виды дренажа для вегетационных опытов:

а – дренаж (желоб) для вегетационных сосудов Кирсанова; б, в – дренаж в вегетационных сосудах для почвенных и песчаных культур.

Размер сосуда зависит от выращиваемой культуры. Для зерновых культур, льна, гороха, гречихи используются сосуды диаметром 15 или 20 см и высотой 20 см, для растений с глубоко растущей корневой системой (клевер, люцерна) соответственно 15 и 30 см, картофеля, корнеплодов, кукурузы – 25×30 или 30×30 см. Для нормального развития зерновых и зернобобовых культур сосуды должны вмещать 5–7 кг почвы, картофеля и капусты – 25–30 кг, сахарной свеклы и других корнеплодов – 15–25 кг. Сосуды должны иметь дренаж – свободное пространство для воды, откуда она могла бы всасываться почвой или песком и поступать к растениям. Для создания дренажа используют битое стекло, гравий (диаметром 3–4 см), специально изготовленный железный гребешок или желоб (рис. 15.9). Битое стекло или гравий насыпают на дно горкой со склоном 30°, они должны занимать не более 70% площади дна сосуда. На один сосуд берут 200–350 г стекла. В горку дренажного материала вставляется трубочка диаметром 1,2– 1,7 см и длиной на 3-5 см выше сосуда. В металлических сосудах роль дренажа выполняет пилообразный желоб.

Основные принципиальные подходы к разработке схем опытов, а также стандартные схемы опытов с удобрениями были рассмотрены в разделе 15.1 «Полевой опыт». Схемы вегетационных опытов могут быть более детальными, а дозы удобрений значительно выше, чем в полевых опытах.

ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Для вегетационных опытов с почвенной культурой чаще всего используются металлические и пластмассовые сосуды: в опытах с зерновыми, льном, горохом и гречихой – диаметром 15 – 20 см и высотой 20 см, вмещающие 5 – 7 кг почвы, в опытах с картофелем, корнеплодами и кукурузой – размером 25× 30 см, вмещающие 25 – 30 кг почвы.

Для вегетационных опытов используют сосуды двух типов, различающиеся по способу полива – без отверстий и с отверстиями в дне. Сосуды с отверстиями могут использоваться для выращивания растений в сетчатых павильонах. Эти сосуды имеют поддоны. После дождя воду из поддона, в которую вымылись питательные элементы из сосуда, выливают обратно в сосуд. Сосуды с отверстиями поливают по объему, а без отверстий в дне – по массе.

Сосуды без отверстий в дне должны иметь дренаж – свободное пространство для вливаемой воды, откуда она могла бы всасываться почвой и поступать к растениям. В качестве дренажа используют битое стекло, гравий (диаметром 3 – 4 см), специально изготовленные железный гребешок или желоб.

Основные требования к проведению опытов с растениями: разработка схемы и программы опыта сохраняются и применительно к вегетационным опытам. Постановка опыта с почвенной культурой включает подготовку почвы, сосудов, удобрений и семян, набивку сосудов, посевов, уход за посевами, наблюдение, уборку и учет урожая.

Повторность при проведении вегетационных опытов с зерновыми культурами, льном – четырехкратная; культурами, выращиваемыми по одному растению в сосуде (картофель, кукуруза и др.), – шести – восьмикратная. Почву для опыта обычно берут со всей глубины пахотного горизонта, но если этого требует цель опыта, она может быть взята из любого почвенного горизонта.

Сосуды для каждого опыта подбирают близкие по объему, высоте и массе и доводят до одинаковой массы добавлением чистого песка (тарируют). Отобранные сосуды тщательно моют водопроводной водой, ополаскивают дистиллированной и сушат. Аналогично готовят дренаж и поддоны сосудов.

Средние дозы удобрений в вегетационных опытах в расчете на 1 кг почвы дозы NPK следующие (г): в опытах с зерновыми культурами: 0,1 – 0,15, 0,1 и 0,1; с картофелем: 0,12, 0,2 и 0,28; с сахарной свеклой: 0,15, 0,22 и 0,22; со льном: 0,05 – 0,07, 0,1 – 0,12, 0,06 – 0,1; с томатами: 0,1 – 0,15, 0,15 – 0,20, 0,20 – 0,30; с огурцами: 0,15 – 0,20, 0,15 – 0,20, 0,20 – 0,25; с бобовыми: 0,04 – 0,1, 0,1 – 0,15, 0,1 – 0,15; с луком: 0,1 – 0,15, 0,1 – 0,15, 0,1 – 0,15; с морковью: 0,15 – 0,20, 0,2 – 0,25, 0,2 – 0,25.

Дозы извести в вегетационных опытах рассчитываются по гидролитической кислотности. В расчете на 1 мэкв Н+ в 100 г почвы требуется 1 мэкв СаСО3, или 50 мг СаСО3, а на 1 кг почвы 50 ∙ 10 = 500 мг, или 0,5 г. Например, если гидролитическая кислотность 2 мэкв на 100 г почвы, доза извести будет 1 г на 1 кг почвы (2 ∙ 0,5).

Перед набивкой почву перемешивают и просевают через грохот с ячейками диаметром 3 мм. Главное требование при набивке почвы – одинаковая однородность и плотность почвы во всех сосудах. Поэтому набивку должен проводить один человек.

На дно подготовленного сосуда аккуратно кладут кружок из марли или фильтровальной бумаги такого же диаметра. После этого на дно сосуда насыпают или кладут дренаж, поверх него опять кружок из марли или фильтровальной бумаги, диаметр которых на 2 – 3 см больше диаметра сосуда. Кружок прижимается к стенкам и дну сосуда точно отвешенным (300 – 500 г) увлажненным кварцевым песком (15 мл воды на 100 г сухого песка). Если в качестве дренажа используется битое стекло, гравий, керамзит, то строго вертикально на расстоянии 1 – 1,5 см от стенки сосуда закрепляется стеклянная трубочка.

Количество почвы определяют по набивке пробного сосуда, который набивают, не доходя до верха 2 – 2,5 см. Навеску почвы помещают в эмалированный таз, добавляют удобрения и тщательно перемешивают. Оптимальной для набивки считается влажность почвы 40 – 50 % от полной влагоемкости. Затем проводят набивку сосудов. Уплотнение почвы должно быть одинаковым во всех сосудах. До половины высоты сосуда почву уплотняют сильнее, особенно около стенок, выше плотность набивки немного уменьшают. Данные по набивке сосудов записывают в журнал.

Посев проводят наклюнувшимися или сухими семенами. Наклюнувшиеся семена высевают по трафарету в выровненную и увлажненную почву, верхний слой которой (от 0,5 до 2 см в зависимости от выращиваемой культуры) предварительно снимают, чтобы заделать семена. Зерновые заделывают на глубину 1 – 1,5 см, лен и другие мелкосемянные культуры – 0,5 – 1 см. Количество высеваемых семян должно быть одинаковым в каждом сосуде и на 5 – 10 больше числа растений, которое необходимо для опыта. Всхожесть сухих семян должна быть близкой к 100%-ной. Поверх почвы, чтобы не образовывалась корка, насыпается кварцевый песок (200 г). Ежедневно до появления всходов сосуды слегка поливают.

Лишние растения удаляют через два-три дня после появления всходов (прежде всего поврежденные, слабо или чрезмерно развитые). В сосудах диаметром 15 – 20 см в опытах с зерновыми оставляют 20 растений, с горохом – 10 – 15 (но обязательно равное количество во всех сосудах), гречихи –10 – 12, льна 35 – 40, огурца, редиса, моркови – 2 – 3, клевера – 6 – 12. Растения пропашных культур, как отмечалось, выращивают по одному и в сосудах большего диаметра.

Сосуды с отверстиями в дне поливают по объему, распределяя воду поровну по сосудам до появления воды в поддоне. Сосуды, не имеющие отверстий в дне, поливают водопроводной или дистиллированной водой в соответствии с программой исследований до влажности почвы 60 – 70% от полной влагоемкости. Для этого определяют влажность почвы при набивке сосудов и полную влагоемкость.

Масса сосуда к поливу слагается из следующих величин: масса тарированного сосуда + масса песка внизу и сверху + масса навески почвы и масса воды, соответствующая 60 – 70% полной влагоемкости (за минусом влажности почвы при набивке) + масса каркасов или палочек для поддержания растений, если их устанавливают в сосуды. Для полива сосуды ставят на весы и доливают воду до необходимой массы. Поливают растения утром или вечером, а в жаркое время два раза: один раз по массе, другой – по объему (сколько вливалось воды при взвешивании). Половину воды вливают через трубочку вниз сосуда, половину – сверху.

За растениями ведут фенологические наблюдения, проводят биометрические измерения.

За 3 – 4 дня до уборки растения прекращают поливать. Зерновые, зернобобовые, травы срезают ножницами на высоте 1 – 2 см от корневой шейки, подсчитывают число растений, стеблей, колосьев (стручков), измеряют высоту растений, длину колоса и укладывают в пакеты с указанием номера сосуда. Затем растения высушивают, взвешивают общий урожай. После обмолота зерновых и зернобобовых учитывают массу зерна, а по разности – массу соломы.

Результаты опыта обрабатывают статистически для установления степени их достоверности и величины ошибки опыта.



В зависимости от цели исследования вегетационный метод может иметь самостоятельное значение или слу­жить дополнением к полевым опытам. Вегетационный метод имеет несколько модификаций (почвенные, пес­чаные, водные культуры, метод текучих растворов, изолированного питания, стерильные культуры), выбор которых определяется целями исследований и характе­ром действия изучаемого фактора. Основные требования к проведению полевого опыта, разработке схемы и про­граммы сохраняют свою силу и применительно к вегета­ционным опытам.

Почвенные культуры. Для проведения вегетационных опытов в почвенных культурах используют только верхний пахотный горизонт почвы, просеянной через грохот с размером ячеек 3 мм. В сосудах вместимостью 1—10 кг почвы (чаще 5—8 кг, объем сосуда зависит прежде всего от биологических особенностей опытных растений) с естественным или искусственным дренажем поддерживают оптимальные условия увлажнения (обыч­но 60 % НВ почвы).

Средние дозы удобрений (г на 1 кг почвы) составляют из расчета: азота — 0,05—0,2; фосфора (Р2Об) — 0,05— 0,15, калия (К20) — 0,05—0,2. Это значительно выше доз, используемых обычно в полевых условиях (при диаметре сосуда 20 см доза 0,5 г азота на сосуд соответ­ствует около 150 кг/га), и эффект от удобрений в вегета­ционных опытах проявляется более четко, чем в полевых. Повторность при проведении вегетационных опытов с зерновыми культурами — четырехкратная, а для куль­тур, выращиваемых по одному растению на сосуд, повторность увеличивают до шести-восьмикратной. Вы­бор почвы диктуется целями эксперимента, часто для вегетационных опытов используют почву с делянок поле­вых опытов с удобрениями.

Состав питательных растворов по вариантам в соответ­ствии со схемой опыта регулируется изменением доз, формы отдельных солей смесей. При этом обязательно выравнивают ионный состав и концентрацию растворов всех вариантов по всем другим элементам питания, кроме изучаемого.

Для проведения опытов в песчаных культурах ис­пользуют такие же сосуды, как и в почвенных культурах.

Питательные элементы (в виде растворов, а нераствори­мые соли — в сухом виде) вносят при набивке сосудов из расчета на 1 кг песка.

Опыты с водными культурами проводят в широкогорлых банках вместимостью 4—8 л, закрываемых пробками с отверстиями, в которых закрепляются спомощью ватных тампонов проростки опытных культур, крепится каркас и пропускают трубки для продува питательных растворов воздухом, чтобы обеспечить нор­мальное снабжение корней кислородом. Проростки пред­варительно выращивают в кюветах с песком, опилками или на фильтровальной бумаге. При высадке в сосуды растения должны иметь высоту ростка 5—7 см и корневую систему длиной б—7 см. Во всех сосудах в вегетационных опытах выращивают одинаковое число растений, при необходимости проводят прореживание. Сосуды снабжают двойными — темными внутренними и светлыми наружны­ми — чехлами для защиты корней от света, устранения перегрева и попадания пыли. За вегетационный период в водных культурах 3—4 раза проводят полную смену пи­тательных растворов во всех вариантах опыта. В случае необходимости поддержания стабильной реакции среды через 1—2 дня проводят измерение рН и корректировку реакции питательных смесей разбавленными растворами NaOH или НС1.

Для поддержания в течение сезона постоянными со­става и концентрации питательных элементов исполь­зуют модификации метода водных культур — сменные водные культуры (при частой замене растворов) или те­кучие культуры (при постоянном протекании питатель­ных растворов через сосуды с растениями со скоростью около 4 л в день).