МНОГОКРИТЕРИАЛЬНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ МИНЕРАЛЬНОГО ПИТАНИЯ ОВСА В УСЛОВИЯХ КОЛЬСКОГО СЕВЕРА Костюк В.И.

Полярно-альпийский ботанический сад-институт


Номер: 5-1
Год: 2014
Страницы: 67-71
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

Кольский Север, однолетние травы, минеральное питание, Kola North, annual herbs, mineral nutrition

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

Статья посвящена экспериментально-теоретическому обоснованию рационального режима корневого питания растений овса в условиях Заполярья.

Текст научной статьи

В Мурманской области овес посевной является одной из важнейших составляющих кормовой базы молочного животноводства. Его выращивание здесь базируется на апробированной региональной системе применения удобрений [1]. Однако многолетний опыт ее практического использования в различных хозяйствах области свидетельствует о том, что она не всегда позволяет получать фитомассу овса с высоким содержанием питательных веществ, поскольку между величиной и качеством урожая существует неоднозначная связь. Очень часто эти характеристики урожая коррелируют друг с другом отрицательно, что затрудняет выбор наилучшей стратегии питания растений. Цель настоящей работы заключалась в подборе наиболее рациональных доз минеральных удобрений для культуры овса на основе применения методов многофакторной и многокритериальной статистической оптимизации [2]. В качестве объекта для полевого опыта, проводившегося нами в течение двух лет на Полярной опытной станции ВИРа, использовался овес посевной сорта Хибины 2. Трехфакторный эксперимент проводили по плану Бокса-Бенкена ВВ3 [3] в трехкратной повторности. Органические удобрения (40 т/га) вносили весной под основную обработку почвы, а минеральные удобрения - в форме аммиачной селитры, двойного суперфосфата и хлористого калия - в предпосевной период. Дозы селитры составляли 3, 13 и 23 мг N на 100 г пахотного слоя (0-20 см), дозы суперфосфата - 20, 90 и 160 мг P2O5/100 г, а дозы калия - 5, 20 и 35 мг К2О/100 г почвы. Посев проводили 7-9 июня. Норма высева семян составляла 25 г/м2 при 93-95% - ной всхожести (700 шт. семян на м2 при 100% - ной хозяйственной годности). Способ посева - рядковый (12 рядков по 120 см, междурядья - 15 см, защитная полоса - 10 см). В конце вегетации (26-28 августа, фаза молочной спелости зерна) проводили учет урожая овса с единицы площади агроценоза (кг/м2) и определяли химический состав листостебельной массы. Определение абсолютно сухого вещества (СВ, %) проводили термовесовым методом, высушивая растительный материал в термостате при 105 оС. Содержание суммы водорастворимых сахаров (ВС, %) в надземной фитомассе растений овса оценивали по методу Бертрана, общего восстановленного азота - по методу Кьельдаля с последующим пересчетом на "сырой" белок (СБ, % - N • 5.7), аскорбиновой кислоты (АК, мг/г сухой массы) - титрованием краской Тильманса [4], нитратов (НИТ, мг/г сухой массы) - ионселективным методом [5]. Определение содержания хлорофиллов (ХЛ, мг/г сухой массы) и каротиноидов (КР, мг/г сухой массы) в растительном материале проводили по модифицированной методике Нибома. Концентрацию пигментов измеряли на спектрофотометре СФ-26 и рассчитывали по формулам Хольма для 100% - ного ацетона [6]. Таблица 1 Влияние минеральных удобрений на физиолого-биохимические характеристики урожая овса сорта Хибины 2 Вари-ант опыта Дозы удобрений, мг д.в./100 г почвы ОФ МЛ МС СВ СБ ВС НИТ АК ХЛ КР N P2O5 K2O кг/м2 % (на сухую массу) мг/г сухой массы 1 3 20 20 4.22 0.74 3.48 22.5 11.6 31.5 2.1 2.02 4.0 0.54 2 23 20 20 5.67 1.01 4.66 22.2 15.1 23.7 9.8 2.46 8.0 0.79 3 3 160 20 7.18 1.38 5.79 20.4 12.8 24.8 5.3 2.84 5.9 1.06 4 23 160 20 4.14 0.78 3.36 23.9 17.2 22.2 11.2 2.61 5.9 0.72 5 3 90 5 5.87 0.98 4.88 22.7 10.6 28.0 2.4 2.52 4.1 0.76 6 23 90 5 4.37 0.80 3.58 23.6 16.0 22.8 10.2 2.54 4.7 1.12 7 3 90 35 4.38 0.75 3.63 22.2 11.8 28.6 3.8 2.34 4.7 0.67 8 23 90 35 7.02 1.14 5.88 20.3 15.6 21.8 10.9 2.29 7.7 0.85 9 13 20 5 4.46 0.72 3.74 21.8 12.4 27.4 3.0 2.83 5.1 0.87 10 13 160 5 4.22 0.74 3.48 23.8 15.0 23.1 8.9 2.52 5.1 1.03 11 13 20 35 6.04 0.88 5.16 21.4 14.1 25.4 5.5 2.68 5.2 0.75 12 13 160 35 7.10 1.24 5.86 23.2 14.7 25.0 6.3 2.41 5.4 0.69 13 13 90 20 6.11 1.02 5.08 22.3 14.2 27.3 5.9 2.80 5.6 0.88 14 3 20 5 2.62 0.68 1.90 22.7 9.3 32.1 2.2 2.50 3.5 0.70 15 23 160 35 5.84 1.00 4.80 18.6 17.2 18.2 15.5 2.90 5.8 1.10 Примечание. ОФ - общая фитомасса растений, МЛ - масса листьев, МС - масса стеблей, СВ - сухое вещество, СБ - сырой белок, ВС - водорастворимые сахара, НИТ - нитраты, АК - аскорбиновая кислота, ХЛ - хлорофилл, КР - каротиноиды. Статистическую обработку экспериментальных данных выполняли с использованием программы STATISTICA 8.0 [7]. Матрица планирования эксперимента и исходные экспериментальные данные, отражающие характер влияния различных доз минеральных удобрений на урожайность и химический состав растений овса, представлены в табл. 1. Статистическая обработка этих данных показала, что масса листьев и стеблей растений овса положительно коррелировала с содержанием пигментов, аскорбиновой кислоты, сырого белка и нитратов в них, и отрицательно - с содержанием сухого вещества и суммы растворимых сахаров. В связи с этим, удельная концентрация зеленых и желтых пигментов также положительно коррелировала с содержанием аскорбиновой кислоты, сырого белка и нитратов в фотоавтотрофных органах растений овса, и отрицательно - с содержанием сухого вещества и сахаров. Между содержанием суммы растворимых сахаров и содержанием сырого белка в листостебельной массе овса наблюдалась хорошо выраженная отрицательная связь (табл. 2). Наличие широкого спектра разнонаправленных морфо-физиологических корреляций указывает на то, что подбор оптимальных доз минеральных удобрений для культуры овса является сложной многофакторной и многокритериальной задачей. Совершенно очевидно, что в ней кроме основного критерия оптимизации (продуктивность растений) необходимо учитывать также совокупность второстепенных показателей, дающих представление о "качестве" получаемого урожая (содержание углеводов, протеина, каротина и т.д. в фитомассе тест-объекта). В исследованиях операций такие задачи успешно решают, например, путем объединения группы разрозненных показателей в агрегированный отклик [8]. Одним из наиболее удобных способов построения такого отклика (составного, комплексного критерия оптимизации) является обобщенная функция желательности [9]. Таблица 2 Корреляция результативных признаков Пока-затели МЛ МС СВ СБ ВС НИТ АК ХЛ КР ОФ 0.92* 1.00* -0.49 0.32 -0.43 0.24 0.21 0.57* 0.22 МЛ 1 0.89* -0.45 0.23 -0.37 0.21 0.22 0.52* 0.26 МС 1 -0.49 0.33 -0.43 0.23 0.20 0.57* 0.20 СВ 1 -0.13 0.35 -0.30 -0.37 -0.36 -0.33 СБ 1 -0.91* 0.92* 0.25 0.64* 0.48 ВС 1 -0.94* -0.39 -0.65* -0.66* НИТ 1 0.26 0.63* 0.57* АК 1 0.11 0.64* ХЛ 1 0.24 Примечание. 1. ОФ - общая фитомасса растений, МЛ - масса листьев, МС - масса стеблей, СВ - сухое вещество, СБ - сырой белок, ВС - водорастворимые сахара, НИТ - нитраты, АК - аскорбиновая кислота, ХЛ - хлорофилл, КР - каротиноиды. 2. Звездочкой * отмечены коэффициенты корреляции, статистически значимые на уровне Р ≤ 0.05. В нашей работе решение задачи оптимизации минерального питания полевой культуры овса включало два этапа: а) построение регрессионных моделей для каждой целевой переменной и частных функций желательности для них; б) построение общего профиля желательности для всей совокупности откликов. На первом этапе реализации оптимизирующей процедуры строили квадратичные модели, включающие в свою структуру линейные и квадратичные эффекты влияния удобрений, а также эффекты их двухфакторных взаимодействий (уравнения не приводятся, чтобы не загромождать статью). С целью оценки "качества" построенных моделей использовали коэффициенты детерминации (R2 • 100 %) и частные функции желательности (ЧФЖ), отображающие степень конкордации расчетных и реальных экстремумов анализируемых показателей (табл. 3). Для расчета ЧФЖ натуральные значения результативных признаков трансформировали в безразмерную шкалу желательности, имеющую интервал от 0.0 до 1.0 [9]. Высший уровень желательности (1.0) присваивали максимальным значениям габитуальных и физиолого-биохимических показателей, а низший (0.0) - наибольшей концентрации нитратов в листостебельной массе растений овса. Полученные с помощью данных моделей экстремальные значения целевых показателей приведены в табл. 3. Для всех показателей (кроме содержания нитратов) вычисляли дозы удобрений, способствующие их максимизации, а для нитратов - минимизации. Из материалов этой таблицы видно, что дозы минеральных удобрений, оптимизирующие основную (биопродуктивность растений овса) и вспомогательные целевые функции (качественные характеристики урожая), являются различными, а порою даже взаимоисключающими. Второй этап вычислений, связанный с поиском оптимальных доз и сочетаний минеральных удобрений для агрегированного отклика, проводился путем прямого обращения к этим статистическим моделям в рамках процедуры "профили отклика/желательности", входящей в программу STATISTICA. Расчеты выполняли по двум сценариям, различающимся конфигурацией входных переменных. В первом сценарии вычислительного эксперимента все целевые показатели включали в процедуру оптимизации с одинаковыми весовыми множителями (равными 1.0), чтобы избежать субъективизма при их дифференциации на основные и вспомогательные категории. Таблица 3 Результаты однокритериальной оптимизации минерального питания овса сорта Хибины 2 Показатель Размах (min-max) Среднее значение показателя Коэффициент вариации, % R2, % ЧФЖ Расчетное значение экстремума Дозы удобрений, мг д.в./100 г почвы N P2O5 K2O Общая масса растений, кг/м2 2.62 - 7.18 5.28 25.2 86.0 1.00 7.22 22 43 35 Масса листьев, кг/м2 0.68 - 1.38 0.92 22.8 87.6 0.79 1.32 3 160 23 Масса стеблей, кг/м2 1.90 - 5.88 4.35 26.4 85.0 1.00 5.99 22 85 35 Сухое вещество, % 18.6 - 23.9 22.1 6.3 56.6 1.00 24.8 23 160 5 Сырой белок, % 9.3 - 17.2 13.8 17.4 98.8 1.00 17.7 23 160 11 Водорастворимые углеводы, % 18.2 - 32.1 25.5 14.9 95.1 0.90 31.8 3 20 16 Нитраты, мг/г 2.1 - 15.5 6.9 58.7 94.7 1.00 1.9 3 29 11 Аскорбиновая кислота, мг/г 2.02 - 2.90 2.55 9.4 34.1 0.72 2.76 13 160 28 Хлорофилл, мг/г 3.5 - 8.0 5.4 22.7 92.4 1.00 8.4 23 20 33 Каротиноиды, мг/г 0.54 - 1.12 0.84 20.2 58.3 0.81 1.08 3 160 5 Поэтому в данном сценарии, как и при однокритериальной оптимизации минерального питания культуры овса, максимальным значениям габитуальных и физиолого-биохимических показателей ставили в соответствие самый высокий уровень желательности (1.0), а самый низкий (0.0) - максимальному содержанию нитратов в надземной фитомассе овса. Выполненные расчеты показали, что максимум общей функции желательности (0.59) для всей совокупности показателей достигается при использовании удобрений в количестве N3P160K20 мг д.в./100 г почвы. Эти дозы в точности соответствуют 3-му варианту исходной матрицы планирования эксперимента (табл. 1) и почти совпадают с оптимальными дозами макроэлементов для наилучшего развития листовой поверхности у растений овса (табл. 3). При этих значениях управляющих факторов расчетный выход массы листьев овса с единицы площади агроценоза достигает 1.31, массы стеблей - 5.52, а общей фитомассы - 6.83 кг/м2 или 95.1% от экспериментального максимума (7.18 кг/м2). Расчетное содержание сухого вещества в листостебельной массе овса составляет 21.6, сырого белка - 12.6, водорастворимых углеводов - 25.5 %, нитратов - 5.12, аскорбиновой кислоты - 2.64, хлорофиллов - 6.01 и каротиноидов - 0.91 мг/г сухой массы тест-объекта. Во втором сценарии в качестве основного параметра оптимизации рассматривали только габитуальные характеристики растений овса, которые включали в статистический анализ с максимальными весовыми множителями (равными 1.0), а показатели качества урожая относили к категории "второстепенных". С этой целью для их максимальных величин задавали пониженные весовые коэффициенты: содержание сухого вещества - 0.4, сырого белка - 0.8, водорастворимых углеводов - 0.5, нитратов - 0.0, аскорбиновой кислоты - 0.4, хлорофиллов - 0.5, каротиноидов - 0.6. Поиск аналитического компромисса по второму сценарию показал, что наиболее приемлемое решение оптимизационной задачи достигается при использовании N7P160K23 мг д.в./100 г почвы. На этом фоне питания расчетная масса листьев овса составляет 1.24, масса стеблей - 5.56, а общая фитомасса - 6.81 кг/м2, что практически не отличается от результатов расчета по первому сценарию. Однако при новой конфигурации управляющих факторов в химическом составе тест-объекта происходят определенные изменения. Наблюдается тенденция увеличения сухого вещества - 22.1, сырого белка - 13.8, водорастворимых углеводов - 25.5% и аскорбиновой кислоты - 2.72 мг/г в листостебельной массе растений овса. Но одновременно в фотоавтотрофных органах данной культуры несколько возрастает содержание нитратов - 5.48 и снижается удельная концентрация хлорофиллов - 5.86 и каротиноидов - 0.88 мг/г сухой массы, что в определенной степени ухудшает ее кормовые достоинства. Важно также отметить, что обобщенная функция желательности при данной конфигурации входных переменных уменьшается до 0.47. Это указывает на то, что показатели "качества" урожая нецелесообразно относить к категории "второстепенных" и при оптимизации минерального питания культуры овса их следует учитывать наравне с основной целевой функцией - выходом фитомассы овса с единицы площади агроценоза. Полученные нами в первом сценарии оптимальные дозы минеральных удобрений (N3P160K20 мг д.в./100 г почвы) с физиолого-агрохимической точки зрения характеризуются не очень благоприятным соотношением азота и фосфора. Как было показано нами ранее [10], наиболее приемлемыми в плане эффективной реализации количественных и качественных составляющих продукционного процесса в посевах овса являются дозы удобрений в "центральной точке" проведенного эксперимента - N13P90K20 мг д.в./100 г почвы (табл. 1, вариант 13). В ходе построения общего профиля желательности для совокупности рассматриваемых откликов установлено, что при использовании минеральных удобрений в количестве N13P90K20 формируется сравнительно высокий урожай овса с хорошим химическим составом (все показатели включали в анализ с весовыми коэффициентами, равными 1.0). Выход массы листьев овса на этом фоне питания составляет 1.04, массы стеблей - 5.38, а общей фитомассы - 6.42 кг/м2. Содержание сухого вещества в листостебельной массе овса достигает 22.9, сырого белка - 14.2, водорастворимых углеводов - 27.6 %, аскорбиновой кислоты - 2.65, хлорофиллов - 5.69 и каротиноидов - 0.77 мг/г сухой массы тест-объекта. Одновременно наблюдается существенное уменьшение концентрации нитратов - до 4.78 мг/г. В целом, о целесообразности практического использования данной комбинации удобрений свидетельствует сравнительно высокое значение обобщенной функции желательности для агрегированного отклика - 0.60. Резюмируя результаты натурного опыта и вычислительных экспериментов, отметим, что подбор оптимальных доз минеральных удобрений для культуры овса целесообразно осуществлять на многокритериальной основе и учитывать не только величину, но и химический состав получаемой фитомассы. Такой методологический подход позволяет уменьшить степень проявления отрицательных морфо-физиологических корреляций и, тем самым, сбалансировать реализацию дивергентных характеристик урожая на уровне агрофитоценоза.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.