8.2. ВЕГЕТАЦИОННЫЕ ОПЫТЫ

Выращивание растений в различных сосудах в искусственных условиях в специальных сооружениях (фитотрон, вегетационный домик, теплица, огражденные сеткой или прозрачной пленкой стеллажи) называют вегетационным методом исследований или вегетационным опытом. Этот метод позволяет детально расчленить и выявить роль и значение отдельных факторов в жизни растений при регулируемых (в разной степени в зависимости от сооружений) условиях влажности, освещенности, температуры и питательного режима в сочетании с детальными химическими, физиологическими и другими исследованиями, возможности которых трудно переоценить. Д. Н. Прянишников подчеркивал, что «задачей вегетационного метода является вскрытие существа процессов и уяснение значения отдельных факторов, прежде всего роли растения, почвы и удобрения в условиях, наиболее благоприятных для выявления этой роли».

Вегетационный опыт позволяет при необходимости изменить основные факторы жизни растений и тем самым быстрее и точнее, чем в полевом опыте, установить искомые закономерности взаимодействия растений, почвы и удобрений. Вместе с тем вегетационный метод не может заменить полевых опытов, так как условия возделывания растений в вегетационном сосуде существенно отличаются от полевых. Ценность вегетационных опытов заключается не в замене ими полевых, а в том, что полученные в них результаты позволяют понять причины тех явлений, которые наблюдаются в полевых опытах.

В зависимости от целей и задач исследований используют разные модификации вегетационного метода: почвенные, песчаные, водные культуры и гидропонику. Для решения специфических вопросов применяют и другие модификации: сменных или текучих растворов, изолированного питания, стерильных культур и др.

Построение схем опытов. Основные принципиальные подходы к разработке и примеры разных схем опытов с удобрениями в строгом соответствии с целями и задачами исследований были изложены в предыдущем разделе. Здесь подчеркнем лишь то, что в вегетационных опытах легче и точнее можно определить потребности разных культур в макро- и микроудобрениях в зависимости от любых других условий внешней среды.

В опытах с микроэлементами в водных и песчаных культурах необходима чрезвычайная чистота сосудов, воды, песка и реактивов (солей) для предотвращения случайных искажений. В почвенных культурах эти предосторожности необходимы для сосудов, солей (удобрений) и воды.

Примерная схема опыта с определением потребности в элементе может быть следующей: 0; NPK (фон);фон + первая доза; фон + + вторая доза; фон + третья доза. На кислых почвах обеспеченность растений бором, марганцем, цинком и кобальтом следует изучать и на известковом фоне. Дозы микро- и макроэлементов в вегетационных опытах разных модификаций могут быть эмпирическими, рекомендуемыми или расчетными.

Для повышения точности и достоверности результатов опытов каждый вариант должен повторяться в нескольких сосудах (повторностях): в опытах с зерновыми, зернобобовыми культурами и травами не менее 3—4, с картофелем, корнеплодами, капустой, огурцом не менее 5—6 повторностей.

Техника постановки вегетационных опытов. Вегетационные сосуды для опытов бывают двух типов, различающихся по способу полива: без и с отверстием в дне. Сосуды без отверстий используют для более точных опытов, поливают их по массе и располагают в сооружениях, защищенных от осадков. Сосуды с отверстиями в дне обязательно имеют поддон для сбора избытков осадков (дождей); их помещают на стеллажах под сеткой. Сосуды могут быть пластмассовые, стеклянные и металлические.

Для защиты от света и перегревания на стеклянные (иногда и на пластмассовые) сосуды надевают чехлы из плотной двухслойной ткани или плотной бумаги. Металлические сосуды покрывают консервантами (внутри асфальтовым лаком, снаружи белой краской) или эмалируют. Наиболее распространены цилиндрические сосуды следующих размеров (см): пластмассовые и стеклянные диаметром 15—30 и высотой 20—25, металлические диаметром 20—30 и высотой 20—30.

Для разных культур нужны сосуды различных объемов: для зерновых, зернобобовых и трав 5—7 кг почвы, для картофеля, капусты 25—30 кг, для свеклы и других корнеплодов 15—25 кг. Размеры сосудов зависят не только от культур, но и от целей и задач исследований. Например, в краткосрочных опытах обычно используют широкие сосуды, не заботясь об их глубине, для песчаных культур большие сосуды применяют редко, в гидропонике вместо сосудов используют поддоны, стеллажи и т. д.

8.2.1. ПОЧВЕННЫЕ КУЛЬТУРЫ

Почвенными культурами называют опыты, в которых растения выращивают в сосудах, наполненных почвой. Это наиболее распространенная модификация вегетационного метода, постановку которой осуществляют в определенном порядке.

Подбор (взятие) и подготовка почвы. Определяются темой и задачами опыта. Почву отбирают из нужного места и горизонта весной, когда она не мажется и комки ее легко разрушаются при растирании. Привезенную почву приводят в однородное состояние (перемешивают, выбирают камни, крупные корни и пожнивные остатки), просеивают через грохот с ячейками 3 мм. Для удовлетворительной схожести результатов повторностей отбирают смешанный образец для агрохимических анализов.

Подготовка сосудов. Это подбор близких по высоте, объему и массе сосудов, а также тщательная промывка, сушка их и подбор чехлов (если нужно) для них. Для пролива воды на дно сосуда подбирают стеклянные трубки диаметром 1 —1,5 см и длиной на 2— 3 см выше стенки сосуда. На дно сосуда для дренажа помещают 200—300 г вымытого и высушенного битого стекла, с помощью которого тарируют, т. е. выравнивают, массы сосудов с трубками. Затем сдвигают дренаж к стенке горкой, накрывают кружком марли с отверстием для трубки, которую помещают в горку стекла, и расправляют марлю, накрывая ею весь дренаж и дно сосуда.

Дозы удобрений на сосуд рассчитывают по действующему веществу (табл. 144), причем там, где это не противоречит теме опыта, лучше применять не удобрения, а химически чистые соли, так как они содержат минимальные количества балласта.

Если почва односторонне богата каким-то элементом, дозу его уменьшают в 2—5 раз. Удобрения (или чистые соли) вносят, перемешивая их с почвой, в виде растворов, порошков и гранул. Растворимые в воде соли удобнее вносить в виде процентных растворов определенных (1 —10 %) концентраций, отмеряя их объемы до 50 мл бюреткой (или пипеткой), а более 50 мл цилиндрами. Нерастворимые соли и удобрения вносят в сухом виде, беря навеску до 5 г на аналитических, а более 5 г на технохимических весах.

Набивка сосудов почвой. Ее начинают с пробной набивки одного сосуда для определения массы почвы для всех сосудов: на дно сосуда на марлю слоем 1,5—2,0 см укладывают увлажненный до 60 % от влагоемкости (15 мл воды на 100 г песка) кварцевый песок, которым прижимают края марли к стенке сосуда. Затем совком или руками переносят почву в сосуд, равномерно уплотняя ее, особенно у стенок и трубки, которая должна стоять вертикально в 1,5—2,0 см от стенки сосуда. Уровень почвы в сосуде должен быть на 2—2,5 см ниже верхнего края сосуда. К установленной навеске почвы добавляют навески сухих удобрений (солей) и тщательно перемешивают все в тазу, затем добавляют растворы удобрений и вновь перемешивают.

Если почва недостаточно влажная, добавляют дистиллированную воду до оптимального увлажнения, когда почва при сжимании в руке образует ком, распадающийся при выпадении из нее. Количество воды и растворов удобрений (солей) в сумме должно быть одинаковым во всех сосудах. Набивать сосуды, начиная с вариантов без удобрений, должен один человек: это обеспечит одинаковое уплотнение почвы во всех сосудах. Все работы следует проводить по заранее заготовленной в журнале опыта ведомости, в которой указывают дату закладки, схему опыта, название, влажность и навеску почвы в сосуде, массу тарированного сосуда, массу его для полива, культуру, номера сосудов по каждому варианту и соответствующие им навески удобрений или количества растворов. В день набивки сосудов определяют влажность и влагоем-кость почвы, на основании которых рассчитывают норму полива и массу абсолютно сухой почвы в сосуде.

Семена для посева. Могут быть сухими, намоченными или пророщенными, но чистыми в сортовом отношении и протравленными в 1%-ном растворе формалина. Наклюнувшиеся семена высевают по шаблону на глубину 0,5—2,0—5,0 см в зависимости от культуры и размера семян и засыпают поверхность почвы тонким слоем кварцевого песка. При посеве сухими семенами проверяют их всхожесть, которая должна быть близка к 100%. Окончив посев, сосуды накрывают бумагой (или поддонами) и ежедневно увлажняют верхний слой почвы; при появлении всходов бумагу убирают.

Уход за растениями. Состоит из прореживания, поливов и перестановки сосудов. Прореживание — доведение числа растений до заданного количества. Его проводят, когда растения достаточно разовьются, при этом удаляют поврежденные, слабо и чрезмерно развитые растения и оставляют наиболее выровненные в каждом сосуде. В сосудах среднего размера после прореживания оставляют зерновых 20—25 растений, бобовых 10—15, гречихи 12—15, льна 35—40 растений. Пропашные культуры выращивают в больших сосудах и до уборки оставляют по одному растению в сосуде, а для повышения точности опыта увеличивают число повторений.

Для предотвращения полегания растений сосуды укрепляют металлическим или деревянным каркасом одинаковой массы.

Полив растений в сосудах в зависимости от программы опыта проводят водопроводной или дистиллированной водой заранее установленной нормой (60—80 % полной влагоемкости). Подают воду сверху и снизу через трубку, причем в жаркую погоду поливают дважды: по объему воды и по массе сосуда, определяя объем по взвешиванию 3—4 сосудов разных вариантов. При поливах проводят перестановку сосудов, меняя сосуды крайних и средних рядов, чтобы выровнять условия освещения и предохранить крайние сосуды от перегрева.

Сосуды с отверстиями в дне поливают до появления воды в поддоне.

В течение вегетации ведут наблюдения и учет роста и развития растений, результаты которых записывают в журнал. В зависимости от целей и задач исследований растения убирают в разные периоды вегетации, но чаще в фазе полной спелости. При учетах подсчитывают число растений (стеблей), колосьев (стручков), высоту (длину) тех и других, укладывают в пакеты с указанием номера сосуда (иногда предварительно взвесив), высушивают до постоянной массы, взвешивают, обмолачивают зерно. Все результаты записывают в журнал, а образцы сохраняют для анализов.

При необходимости учитывают массу корней, промывая их с применением сит диаметром ячеек 0,5 мм, высушивая и взвешивая с точностью 0,01 г, и сохраняют, если нужно, для анализов.

При уборке корнеплодов (клубнеплодов) учет их и ботвы проводят раздельно, взвешивая после очистки (если нужно, после промывки и просушки) с точностью до 0,1 г, а образцы сохраняют для анализов.

Все полученные результаты учетов после приведения к стандартной влажности подвергают статистической обработке для установления степени достоверности и точности (ошибки) опыта.

8.2.2. ПЕСЧАНЫЕ КУЛЬТУРЫ

В песчаных культурах при выращивании растений в сосудах с чистым кварцевым песком, обогащенным питательными смесями (солями), изучают роль отдельных элементов, их концентраций и соотношений в питании растений, взаимодействия между элементами, соединениями их, корневыми выделениями и другими разнообразными факторами жизни растений в зависимости от цели и задач исследований. Здесь, как и в почвенных культурах, можно выращивать все без исключения растения.

При постановке опытов в песчаных культурах проводят операции, аналогичные таковым в почвенных культурах.

В зависимости от цели опыта чистый кварцевый песок, просеянный через сита с ячейкой 0,5 мм, используют для набивки сосудов сразу или после промывки водопроводной, а затем дистиллированной водой и последующей просушки. Если нужен особо чистый песок, его промывают сначала крепкой соляной кислотой, затем водопроводной и дистиллированной водой до полного удаления хлора, высушивают и используют для набивки сосудов.

Питательные смеси (их состав и концентрация) должны удовлетворять потребностям возделываемых культур, быть физиологически уравновешенными и иметь оптимальную реакцию (pH) в течение всего периода вегетации, так как от этого в значительной, если не в решающей, степени зависят результаты опыта.

Полный перечень питательных смесей приводить нет смысла из-за их обилия и возможностей непрерывного появления новых, различающихся по набору и соотношениям питательных элементов и солей, по реакции и концентрации их в течение вегетационного периода.

В песчаных и водных культурах нередко применяют классические питательные смеси (табл. 145), в которые добавляют водорастворимые соли микроэлементов в два-три приема: по 0,25— 0,50 мг марганца и бора и по 0,1 мг молибдена, цинка и меди на 1 кг песка или 1 л раствора.

Существуют более концентрированные, чем классические, питательные смеси для разных культур, созданные с различными целями и соотношениями азота, фосфора, калия, кальция, магния, серы и других элементов, с неодинаково расширенным набором микроэлементов. В качестве примера приведем некоторые из обобщения 3. И. Журбицкого с указанием авторов и доз соответственно азота, фосфора и калия (мг/л раствора): Белоусов — 155, 362, 358; Цинцадзе — 140, 320, 436; Тоттингем — 327, 922, 614; Итон—137, 213, 42; Арнон, Хогланд—184, 143, 472; Хьюит-140, 95, 156; Уоллес - 148, 143, 236; Гейслер- 122, 135, 362; Чесноков, Базырина — 140, 88, 230; Гуминская — 229, 198, 278.

Хьюит, обобщив имеющуюся литературу, рекомендует следующие дозы микроэлементов для испытаний в опытах (мг/л): железо 2,0, марганец и бор по 0,5, цинк 0,05, медь и молибден по 0,02.

Хогланд и Снайдер рекомендуют максимально широкий набор микроэлементов, приготавливаемый в двух растворах — А и В. На 1 л питательной смеси рекомендуется вносить по 1 мл каждого раствора. Для приготовления раствора А на 18 л берут следующие количества солей (г): Ab(S0₄)₃, ТЮ₂, ZnS0₄ • 7Н,0, CuS0₄ • 5Н,0, NiS0₄ • 6Н₂0, Co(N0₃)₂ 6Н₂0 — по 1,0; KJ, KBr, SnCl 2НА LiCl — по 0,5; МпС1₂ 4Н,0 — 7,0; Н₃В0₃ — 11,0. Для приготовления раствора В на 18 л вносят: As₂0₃, Bi(N0₃)₂, Rb₂S0₄, KF, РЬС1₂, HgCb, H,Si0₄, VC1₃ — no 0,1; Bad,, K,Cr0₄, Mo0₂, SrS0₄ — no 0,5; CdClj — 1,0.

Набор необходимых микроэлементов и их дозировки для разных культур до сих пор нельзя считать окончательно решенными. Чем чище техника проведения опытов и выше урожайность возделываемых культур, тем ббльшие количества и ассортимент разнообразных элементов могут оказаться необходимыми.

Растворы (и сухие навески) каждой соли нужно вносить отдельно и последовательно с обязательным перемешиванием с песком, так как предварительное смешивание различных растворов может привести к образованию осадков.

Техника набивки сосудов песком, подготовка и посев семян, уход за растениями во время вегетации, наблюдения и учет урожая такие же, как в опытах с почвенными культурами. Отмывать корни от песка легче, чем от почвы.

8.2.3. ВОДНЫЕ КУЛЬТУРЫ

Выращивание растений в сосудах на водном растворе питательных элементов (водные культуры) — наиболее трудоемкая модификация вегетационного метода. Ее применяют при необходимости полной или частичной смены питательного раствора в течение вегетации, при проведении опыта на особо чистой воде (бидистилляте) с макро- и микроэлементами, при изучении периодичности питания растений, развития корневых систем, влияния буферное™ и реакции питательной среды и т. д. Водные культуры обеспечивают наиболее однородное распределение внесенных элементов, в них быстрее восстанавливаются одинаковая реакция и концентрация среды при взаимодействии с растениями.

Опыты в водных культурах проводят в стеклянных или пластмассовых сосудах емкостью 3—8 л с деревянными кружками-крышками толщиной 1,5—2,0 см, у которых нижний диаметр равен внутреннему, а верхний — наружному диаметру сосуда. В крышках по числу растений есть отверстия диаметром 1—2 см и более и еще 2 — для продувания воздуха и крепления каркаса. В отверстие для продувания воздуха вставляют стеклянную трубку с загнутым концом, не доходящую до дна сосуда на 2—3 см.

На сосуды надевают двойные чехлы с вставленной тесемкой, которой поверх крышки привязывают чехол; пробка при этом плотно прилегает к сосуду и служит устойчивой опорой для растений и поддерживающего их каркаса. Сосуды на 70 % заполняют дистиллированной водой, затем последовательно в соответствии со схемой добавляют необходимые объемы нужных питательных растворов и в заключение—дистиллированную воду до нужного объема, причем уровень ее не должен достигать нижнего края крышки на 1,0—1,5 см. По мере потребления воды растениями ее доливают до прежнего уровня.

После протравливания проращивают семена в кюветах, чтобы корни их достигли 2—3 см. Затем семена пересаживают на специальные сетки для доращивания. Сетки помещают на кристаллизаторы с водопроводной водой, которую ежедневно меняют. Через 8—12 дней корни растений достигают 5—7 см и растение можно пересаживать в сосуды на питательные смеси.

Для пересаживания в сосуды отбирают растения, одинаковые по длине корней, стебля и листьев и по числу листьев и корней. У отобранных растений семена обертывают ватой, погружают корни в дистиллированную воду и затем помещают в сосуды и закрепляют растения в отверстиях крышек сосудов. Для высокостебельных культур в отверстии пробки закрепляют каркас для поддержания растений.

Важным является продувание воздухом питательных растворов в сосудах, которое должно быть периодическим: по 1—3 ч с перерывами в 3—5 ч в сутки, со скоростью 2—3 пузырька в секунду в каждом сосуде. Для этого нужны компрессор и резервуар со сжатым воздухом с автоматаческим в зависимости от давления переключением и временным реле для подачи напряжения через заданные промежутки времени. Стеклянные трубки сосудов соединяют между собой шлангами (трубками) и резервуаром воздуха, а для регулировки подачи воздуха в сосуды на шланги надевают винтовые зажимы. Эти работы следует проводить до высадки растений в сосуды.

В течение вегетации 2—4 раза меняют питательные растворы и еженедельно 2—3 раза проверяют реакцию (pH) растворов и в случае необходимости, если это не противоречит задачам опыта, регулируют ее с помощью соответствующих кислот и щелочей.

В водных культурах вместо минеральных солей железа в питательных смесях лучше применять хелаты его в виде комплексов с этилендиаминтетрауксусной (ЭДТА) или гидроксиэтилендиамин-тетрауксусной (НЭДТА) кислотами, в которых железо доступно растениям независимо от реакции и окислительно-восстановительного потенциала питательного раствора.

Наблюдения, уход, уборку и учет урожая в водных культурах проводят так же, как в почвенных, но здесь обязательно наряду с надземными органами учитывают и корни. Результаты учета подвергают статистической обработке, а отдельные части растений — анализам по интересующим показателям.

Гидропоника — выращивание растений на питательных растворах в специальных сооружениях на твердых субстратах, в водных и воздушных (аэропоника) культурах. Широко используется в исследовательских целях и в производственной деятельности и является модификацией вегетационного метода.

Подробная методика гидропонного выращивания растений в различных модификациях изложена в предыдущей главе.