Способ диагностики уровня общего азота в листьях растений озимой пшеницы Российский патент 2025 года по МПК A01G7/00 A01G22/20 

Изобретение относится к сельскому хозяйству, агрохимии - листовой диагностики определения параметра общего азота в листьях растений озимой пшеницы.

Уровень техники

Известен способ определения недостатка азота в питании растений озимой пшеницы (патент RU 2787129 С1, опубл. 2022.12.28). Целью изобретения является уровня содержания хлорофилла в растениях на основной площади посева в полевых условиях портативным устройством. О недостатке азотного питания судят по коэффициенту сравнения прироста хлорофилла, который рассчитывают по формуле: Кс=Прэ/Про, где Прэ - среднее значение прироста уровня хлорофилла в растениях на эталонных тест-участках, единиц хлорофиллометра; Про - среднее значение прироста уровня хлорофилла в растениях на основной площади обследуемого посева, единиц хлорофиллометра. Причем если значение коэффициента сравнения прироста равно или больше чем 1,5, то делают вывод о существенном недостатке азота в питании растений, если значение коэффициента сравнения прироста меньше чем 1,5, то делают вывод о достаточном уровне азотного питания растений. В изобретении не учитывается фазовое развитие растений.

Известен способ определения обеспеченности растений азотом (патент SU 1145955 A1, опубл. 1985.03.23). Целью изобретения является определения обеспеченности растений азотом путем измерения активности нитратредуктазы в контрольном и опытном вариантах и последующего сравнения полученных данных, отличающийся тем, что, с целью сокращения времени, снижения трудоемкости, а также повышения точности определения, в качестве контрольного варианта используют ткани листьев растения, которые предварительно инкубируют в дистиллированной воде, а в качестве опытного - ткани листьев того же растения, которые предварительно инкубируют в нитратном растворе, и, если разница по величине активности между опытным и контрольным вариантами составляет более 10 % определяют, что растения испытывают потребность в азоте. Изобретение носит преимущественно лабораторно-аналитический характер определения обеспеченности растений азотом.

Известен способ экспресс-метод определения нитратного азота в растениях (патент RU 2045067 С1, опубл. 1995.09.27). В предлагаемом способе, включающем подготовку пробы, измерение в ней потенциала нитратного ионоселективного электрода и определение концентрации нитратного азота в исследуемой пробе на основании измеренного потенциала, подготовку пробы осуществляют путем отжатия сока из свежеотобранных образцов растительного материала и обработки его 1 %-ным водным раствором алюмокалиевых квасцов при их объемном соотношении 1:28:30 и при перемешивании. Изобретение носит лабораторно-аналитический характер.

Известен способ определения доз минеральных удобрений на основании данных мониторинга и функциональной диагностики посевов (патент RU 2786238 С1, опубл. 2022.12.19). Целью изобретения является определение доз минеральных удобрений за счет спутникового мониторинга состояния посевов на конкретном поле с последующим построением карт вегетации на основании индекса NDVI и определением проблемных участков, на которых проводится отбор растительных образцов для экспресс-анализа. Определяются проблемные участки, на которых проводится отбор растительных образцов для экспресс-анализа, при этом экспресс-анализ включает подготовку раствора для выделения хлоропластов. Далее определяются недостаток или избыток испытуемых элементов питания, после чего проводят расчет удобрений для внекорневой подкормки. Недостаток способа - отсутствие привязки к пофазовой обеспеченности азотом растений.

Известен способ дистанционная рекогносцировочная диагностика обеспечения растений азотом (патент RU 2020013736 А1, опубл. 2020.01.16). Целью изобретения является повышение точности определения состояния растений с помощью фотометрической аэросъемки БЛПА. В области поля формируют участки с различной степенью густоты растений. Получают мультиспектральные снимки поля. Выполняют наземное измерение с помощью N-тестера на контрольных площадках поля с получением содержания азота в листьях растений. С помощью спектрорадиометра выполняют наземное измерение спектральных значений. Способ на целен только на построение карт NDVI или GNDVI, отображающих вегетационные индексы. В последующем необходимо дешифрирование карт.

Раскрытие изобретения

Патентные исследования показали, что для определения параметра общего азота в листьях растений озимой пшеницы ведется активный поиск применения лабораторно-аналитических и гиперспектральных методов для полного и объективного проведения листовой диагностики растений.

Задачей настоящего изобретения является повышение объективности и точности способа определения уровня общего азота в листе растений. На обследуемой площади посева озимой пшеницы создают участки с четырьмя разными уровнями минерального питания (в т.ч. контроль без применения удобрений). Поставленная задача достигается тем, что в полевых условиях отбирают 25 растений озимой пшеницы и определяют спектрорадиометром Polypen 410 в режиме online вегетационные индексы - PSSR_a (описывает концентрацию хлорофилла а) и PSSR_b (описывает концентрацию хлорофилла b). Одновременно эти растения используются для определения общего азота в листовой пластинке в лабораторных условиях. Содержание общего азота определяется титриметрический методом.

Патентные исследования выполнялись следующим способом:

1. Посевная площадь разбивается на четыре тестовых участка. Первый участок - контроль (без внесения удобрений). На остальных участках вносятся дифференцированные дозы минеральных удобрений.

2. В фазы весеннее кущение, выход в трубку, колошение с помощью прибора спектрорадиометра в полевых условиях определяют вегетационные индексы PSSR_a и PSSRA_b и в лабораторных условиях - общий азот в листьях растений (%) по вариантам минерального питания.

Вегетационные индексы определяют по формулам (1, 2):

(Blackburn, G.A. Spectral indices for estimating photosynthetic pigment concentrations: A test using senescent tree leaves. Int. J. Remote Sens. 1998, 19, 657-675).

(Gitelson, A.A.; Keydan, G.P.; Merzlyak, M.N. Three-band model for noninvasive estimation of chlorophyll, carotenoids, and anthocyanin contents in higher plant leaves. Geophys. Res. Lett. 2006, 33, L11402).

3. Затем рассчитывают соотношение PSSR_a к PSSR_b по фазам и вариантам питания растений.

4. Определяют значение общего азота в листьях растений титриметрический методом по фазам и вариантам минерального питания растений.

5. Проводят корреляционный анализ по определению степени зависимости индекса PSSRa/PSSRb и содержания общего азота в листьях растений (%). Если коэффициент корреляции показателей выше 0,5 (шкала по Чеддоку), переходят к выполнению п. 5. В противном случае возвращаются к выполнению п. 1.

6. По методике В.В. Церлинга (1990) определяют уровень содержания общего азота (%) по фазам развития растений на тестовых участках, где:

- весеннее кущение: <2,5 % - очень низкий; 2,8-3,2 % - низкий; 3,5-4,5 % - оптимальный; >5,5 % - высокий;

- выход в трубку: <2,0 % - очень низкий; 2,0-2,5 % - низкий; 3,0-4,0 % - оптимальный; >5,0 % - высокий;

- колошение: <1,5 % - очень низкий; 1,8-2,0 % - низкий; 3,0-3,7 % - оптимальный; >4,5 % - высокий.

6. Определяется уровень общего азота в листьях через сопоставление значения соотношения показателей PSSR_a/PSSR_b и общего азота по вариантам и фазам развития растений.

Тестовые участки формируют с различным минеральным питанием (без применения удобрения и на агрофоне). Способ включает в полевых условиях определение вегетационных индексов - PSSR_a (хлорофилла а) и PSSR_b (хлорофилла b) и их соотношения. Используется портативный прибор - спектрорадиометр. Лабораторным способом - общий азот в листьях (%). Вегетационные индексы и общий азот определяются по фазам развития растений озимой пшеницы. Определяют коэффициент корреляции этих показателей. Если значения выше 0,5, то значения вегетационных индексов привязывают к уровню содержания макроэлемента. Способ диагностики позволяет осуществить переход от показателей вегетационных индексов к значению уровню общего азота в листьях растений озимой пшеницы.

Одним из важнейших элементов минерального питания является азот. Макроэлемент, являясь составной частью хлорофилла, усиливает его синтез. Для получения планируемого урожая проводят необходимые агротехнические мероприятия (в том числе внесение минеральных удобрений), способствующие формированию функциональной активности фотосинтетического аппарата растений (Есаулко А.Н., Письменная Е. В., Ожередова А.Ю., Клец В.А., Кузьминова Ю.Н., 2022). Для измерения уровня содержания хлорофилла в растениях в практике растениеводства применяются различные гипер- и мультиспектральные датчики, которые определяют разнообразные вегетационные индексы. Целью изобретения является в полевых условиях произвести диагностику уровня содержания общего азота на основе применения вегетативных индексов, отражающих состояние хлорофилла а и хлорофилла b.

Чертежи и иные материалы

Фиг. 1 - Технологическая схема возделывания озимой пшеницы.

Фиг. 2 - Динамика соотношения индексов PSSR_a/PSSR_b в период вегетации растений озимой пшеницы по вариантам опыта.

Фиг. 3 - Динамика ассимиляции общего азота в листе в период вегетации растений озимой пшеницы по вариантам опыта, %.

Фиг. 4 - Корреляционная зависимость показателей PSSR_a/PSSR_b и общего азота в период вегетации растений озимой пшеницы по вариантам опыта.

Фиг. 5 - Оценка уровня общего азота в листьях растений озимой пшеницы.

Осуществление изобретения

В зоне умеренного увлажнения ГТК равно 0,99-1,4. Почва - чернозем выщелоченный. Агротехника возделывания озимой пшеницы традиционная для агроклиматической зоны

(фиг. 1). Сорт - Алексеич. Опыт выполняется в двукратной повторности по вариантам:

первый участок - контроль (без удобрений);

второй участок - внесение удобрений - N₉₀P₆₀. Под основную обработку почвы аммофос 115 кг/га (N₁₄P₆₀), подкормка проводилась весной аммиачной селитрой в фазу кущения 110 кг/га (N₃₈) и в фазу выхода в трубку 110 кг/га (N₃₈);

третий участок - внесение удобрений - N₁₀₂P₅₄K₈₆. Под основную обработку почвы внесено 375 кг/га НАФК (N₅₃P₅₃K₈₆), подкормка проводилась весной аммиачной селитрой в фазу кущения 71 кг/га (N_24,5) и в фазу выхода в трубку 71 кг/га (N_24,5);

четвертый участок - внесение удобрений - N₁₁₆P₆₀K₉₇. Под основную обработку почвы внесено 425 кг/га НАФК (N₆₀P₆₀K₉₇), подкормка проводилась весной аммиачной селитрой в фазу кущения 81 кг/га (N₂₈) и в фазу выхода в трубку 81 кг/га (N₂₈).

На каждом участке определяются показатели вегетационных индексов с помощью спектрорадиометра PolyPen RP 410 online в полевых условиях и общего азота в листьях растений в лабораторных условиях. Выявляется корреляционная зависимость выше указанных показателей, что позволяет оценить пофазовый отклик элементов пигментного комплекса растений на концентрацию общего азота в листьях и установить уровень содержания макроэлемента.

Заявленный способ осуществляется следующим образом:

1. Дифференцировано в фазы весеннего кущения, выхода в трубку и колошения озимой пшеницы на 4-х тестовых участках помощью спектрорадиометра снимают показатели вегетационных индексов PSSR_a и PSSR_b с листовой пластинки верхних листьев 25 растений. Для этого проход участка осуществляется по одной (наибольшей) диагонали, начиная от границы посева, т.е. отбор проб растений производится в 25 точках по диагонали поля.

2. С каждого тестируемого участка набирается один сноп (из числа обследованных растений). Снопы составляют из целых растений путем срезания их ножницами у поверхности почвы. Отобранные растения упаковывают в полиэтиленовые мешочки и маркирую варианты исследования, отправляют в лабораторию для определения общего азота (фиг. 2). Пробы взвешивают и помещают в колбу Кьельдаля, кипятят несколько часов в присутствии 10 мл серной кислоты. Для эффективного протекания процесса к реакционной смеси добавляют медный катализатор. К минерализованной пробе добавляют 10 мл раствора щелочи - NaOH. В качестве поглотительного раствора используют в объеме 25 мл борную кислоту - H₃BO₃. Проведение титриметрического анализа выполняют вручную в присутствии катализатора. В качестве титранта взята соляная кислота. Содержание азота в исходной пробе рассчитывают исходя из результатов титрования, т.е. определяют сколько кислоты ушло в ходе анализа и это значение пересчитывали на массовую долю азота в минерализованной пробе. Величина общего азота определяется как суммарное содержание органического азота, аммиака и солей аммония в отобранных образцах.

3. Определяют отношение вегетационных индексов PSSR_a к PSSR_b по вариантам и фазам вегетации (фиг. 3). Среднее содержание общего азота в листьях растений по контролю в фазе весенние кущение составляет 1,095, выход в трубку - 1,097, колошение - 1,031; по схеме N₉₀P₆₀ - соответственно 1,074, 1,075, 1,034; по схеме N₁₀₂P₅₄K₈₆ - соответственно 1,070, 1,071, 1,019; по схеме N₁₁₆P₆₀K₉₇ - соответственно 1,082, 1,086, 1,030 (фиг. 3).

4. С помощью корреляционного анализа определяется зависимость показателей PSSR_a/PSSR_b и общего азота (фиг. 4). Для определения зависимости рассчитывается коэффициент корреляции (R с уровнем достоверности 0,95 %), который показал в разрезе опытов высокий уровень взаимосвязи:

на первом участке без удобрений - 0,676;

на втором участке по схеме N₉₀P₆₀ - 0,685;

на третьем участке по схеме N₁₀₂P₅₄K₈₆ - 0,719;

на четвертом участке по схеме N₁₁₆P₆₀K₉₇ - 0,710.

5. На основе полученных лабораторным способом показатели общего азота сопоставляют с уровнем обеспеченности элемента минерального питания (В.В. Церлинг, 1990). В исследованиях по всем вариантам выявлено: в фазу весеннего кущения уровень содержания общего азота оптимальный, в фазу выхода в трубку - низкий, в фазу колошения - очень низкий (фиг. 5).

6. Если показатели PSSR_a/PSSR_b и общего азота имеют высокий уровень зависимости, то сопоставляют вегетационные индексы с уровнем содержания макроэлемента (В.В. Церлинг, 1990). В исследовании по всем вариантам опыта в фазу весеннего кущения значение показателя PSSR_a/PSSR_b [1,070-1,095] определяется как оптимальный, в фазу выход в трубку [1,071-1,097] - низкий, в фазу колошения [1,019-1,034] - очень низкий (фиг. 5).

Преимущества способа. Способ позволяет в полевых условиях более точно с учетом конкретной фенологической фазы развития растений озимой пшеницы диагностировать уровень содержания макроэлемента - общего азота на основе применения спектрорадиометра. Полученные показатели вегетационных индексов (PSSR_a и PSSR_b) используются для агрохимического мониторинга элемента в листовой пластине растений и при необходимости оперативного проведения азотной подкормки. Полевая диагностика и своевременное применение необходимых агротехнологических мероприятий служит основанием для получения запланированного урожая.

Изобретение относится к области сельского хозяйства. В способе разбивают посевную площадь на четыре тестовых участка: на первом участке не вносят удобрения, на втором участке вносят удобрения N₉₀P₆₀, а под основную обработку почвы – аммофос 115 кг/га N₁₄P₆₀, подкормку проводят весной аммиачной селитрой в фазу кущения 110 кг/га N₃₈ и в фазу выхода в трубку 110 кг/га N₃₈. На третьем участке вносят удобрения N₁₀₂Р₅₄K₈₆, а под основную обработку почвы вносят 375 кг/га НАФК N₅₃P₅₃K₈₆, подкормку проводят весной аммиачной селитрой в фазу кущения 71 кг/га N_24,5 и в фазу выхода в трубку 71 кг/га N_24,5. На четвертом участке вносят удобрения N₁₁₆Р₆₀K₉₇, а также под основную обработку почвы вносят 425 кг/га НАФК N₆₀P₆₀K₉₇, подкормку проводят весной аммиачной селитрой в фазу кущения 81 кг/га N₂₈ и в фазу выхода в трубку 81 кг/га N₂₈. При этом дифференцированно в фазы весеннего кущения, выхода в трубку, колошения озимой пшеницы с помощью прибора спектрорадиометра в полевых условиях определяют вегетационные индексы хлорофилла а и хлорофилла b: PSSR_a = R₈₀₀/R₆₇₅ и PSSRA_b =R₈₀₀/R₆₅₀ с листовой пластинки верхних листьев 25 растений. Для этого проход участка осуществляют по наибольшей диагонали, начиная от границы посева. Отбор проб растений производят в 25 точках по диагонали поля; с каждого тестируемого участка набирают один сноп, причем снопы составляют из целых растений путем срезания их ножницами у поверхности почвы. Определяют общий азот в листьях растений (%) по фазам и вариантам минерального питания в лабораторных условиях титриметрическим методом. Причем содержание азота в исходной пробе рассчитывают исходя из результатов титрования, и величину общего азота определяют как суммарное содержание органического азота, аммиака и солей аммония в отобранных образцах. Рассчитывают соотношение PSSR_a к PSSR_b, далее проводят корреляционный анализ по определению степени зависимости соотношения PSSR_a/PSSR_b и содержания общего азота в листьях растений. При этом если коэффициент корреляции PSSR_a/PSSR_b и содержания общего азота выше значения 0,5 с уровнем достоверности 0,95%, то сопоставляют вегетационные индексы с уровнем содержания общего азота: при значениях PSSR_a/PSSR_b в фазу весеннего кущения 1,070-1,095 - оптимальное, в фазу выхода в трубку 1,071-1,097 - низкое, в фазу колошения 1,019-1,034 - очень низкое. Способ позволяет повысить объективность и точность определения уровня общего азота в листьях растений. 5 ил.

Способ диагностики уровня общего азота в листьях растений озимой пшеницы, в котором разбивают посевную площадь на четыре тестовых участка: на первом участке не вносят удобрения, на втором участке вносят удобрения N₉₀P₆₀, а под основную обработку почвы – аммофос 115 кг/га N₁₄P₆₀, подкормку проводят весной аммиачной селитрой в фазу кущения 110 кг/га N₃₈ и в фазу выхода в трубку 110 кг/га N₃₈, на третьем участке вносят удобрения N₁₀₂Р₅₄K₈₆, а под основную обработку почвы вносят 375 кг/га НАФК N₅₃P₅₃K₈₆, подкормку проводят весной аммиачной селитрой в фазу кущения 71 кг/га N_24,5 и в фазу выхода в трубку 71 кг/га N_24,5, на четвертом участке вносят удобрения N₁₁₆Р₆₀K₉₇, а также под основную обработку почвы вносят 425 кг/га НАФК N₆₀P₆₀K₉₇, подкормку проводят весной аммиачной селитрой в фазу кущения 81 кг/га N₂₈ и в фазу выхода в трубку 81 кг/га N₂₈, при этом дифференцированно в фазы весеннего кущения, выхода в трубку, колошения озимой пшеницы с помощью прибора спектрорадиометра в полевых условиях определяют вегетационные индексы хлорофилла а и хлорофилла b: PSSR_a = R₈₀₀/R₆₇₅ и PSSRA_b =R₈₀₀/R₆₅₀ с листовой пластинки верхних листьев 25 растений, для этого проход участка осуществляют по наибольшей диагонали, начиная от границы посева, отбор проб растений производят в 25 точках по диагонали поля; с каждого тестируемого участка набирают один сноп, причем снопы составляют из целых растений путем срезания их ножницами у поверхности почвы, определяют общий азот в листьях растений (%) по фазам и вариантам минерального питания в лабораторных условиях титриметрическим методом, причем содержание азота в исходной пробе рассчитывают исходя из результатов титрования, и величину общего азота определяют как суммарное содержание органического азота, аммиака и солей аммония в отобранных образцах, затем рассчитывают соотношение PSSR_a к PSSR_b, далее проводят корреляционный анализ по определению степени зависимости соотношения PSSR_a/PSSR_b и содержания общего азота в листьях растений, при этом если коэффициент корреляции PSSR_a/PSSR_b и содержания общего азота выше значения 0,5 с уровнем достоверности 0,95%, то сопоставляют вегетационные индексы с уровнем содержания общего азота: при значениях PSSR_a/PSSR_b в фазу весеннего кущения 1,070-1,095 - оптимальное, в фазу выхода в трубку 1,071-1,097 - низкое, в фазу колошения 1,019-1,034 - очень низкое.