МУ_Методы исследования почв
реклама
И.В.Комиссарова МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЧВ методические указания для лабораторно-практических занятий Лесниково-2014 УДК 631.43 Комиссарова И.В. Методы исследования почв: методические указания для выполнения лабораторно-практических занятий. – Лесниково: КГСХА, 2014. – 27 с. Методические указания подготовлены в соответствии с государственным образовательным стандартом и рабочей программой курса «Методы исследования почв» по направлению подготовки – 06.06.01Биологические науки. Основное предназначение методических указаний – закрепление теоретического курса и приобретение практических навыков. Рекомендуется для аспирантов высших учебных заведений для лабораторных занятий. Методические указания рассмотрены и одобрены на заседании методического совета ФГБОУ ВПО Курганская ГСХА (протокол № 4 от 18 апреля 2014 г.) © ФГБОУ ВПО "Курганская государственная сельскохозяйственная академия имени Т.С. Мальцева", 2014 Занятие №1 Лабораторные исследования Лабораторные опыты проводятся в лабораторных условиях без опытных растений. Например, надо изучить, как изменяется содержание доступной растениям воды в почве в связи с изменением ее плотности или как будет изменяться кислотность почвы при внесении различного количества извести. В подобных опытах растения не участвуют, поэтому они и называются лабораторными, а не вегетационными. Лабораторные опыты проводят в лаборатории, фитотроне, термостате и т.д. Экспериментальной единицей служит пробирка, чашка Петри и т.п. Лабораторные эксперименты следует отличать от лабораторных анализов, квалифицируемых наблюдениями. Оценку лабораторной всхожести или энергии прорастания семян используют как в научных, так и практических целях. Разновидностью лабораторного опыта являются камеральные эксперименты, проводимые в хранилищах и на продовольственных складах. В таких экспериментах единицей наложения варианта служит ящик, пакет, камера, холодильник и т. д. Рисунок 1 – Лабораторные приборы Занятие №2 Метрологические оценки методов анализа (измерения) Основными метрологическими характеристиками методик анализа принято считать воспроизводимость, правильность, предел обнаружения и диапазон определяемых содержаний. Воспроизводимость – метрологический параметр, характеризующий разброс результатов анализа относительно среднего значения. Она определяется случайными ошибками, обусловленными действием многих неконтролируемых факторов. Численно воспроизводимость характеризуется либо выборочной дисперсией, либо стандартным отклонением, либо относительным стандартным отклонением. Воспроизводимость зависит от определяемого содержания элемента и уменьшается с приближением к пределу обнаружения метода. В системе оценки качества вод различного состава (природных, питьевых и сточных) величины случайных погрешностей регламентируются государственным стандартом. Основные метрологические характеристики методов контроля Критериями для оценки и выбора методов контроля служат их метрологические характеристики (интервал определяемых содержаний, верхняя и нижняя границы определяемого содержания веществ, предел обнаружения (чувствительность), воспроизводимость, правильность), а также аналитические характеристики (селективность, продолжительность, производительность. Интервал определяемого содержания веществ — это предусмотренная данной методикой область значений определяемых содержаний веществ. Физические, химические и физико-химические методы исследования применяют для количественного определения веществ в широких пределах относительных содержаний: основных (100—1%); неосновных (1,0-0,01%); следовых (меньше 0,01%), а также содержания частей определяемого компонента: на миллион частей основы lppm = 1 х 104% или на миллиард частей основы lppb = - 1 х 10-7%. Нижняя граница определяемых содержаний (Сн) — это наименьшее значение определяемого содержания, ограничивающее интервал определяемых содержаний. Верхняя граница определяемых содержаний (Св) — это наибольшее значение определяемого содержания, ограничивающее интервал определяемых содержаний. (Сн) и (Св) обычно представляют собой массовую долю определяемого компонента в исследуемом продукте, а не в растворе. Предел обнаружения (Смин) — наименьшее содержание, при котором по данной методике можно обнаружить присутствие определяемого компонента с заданной доверительной вероятностью. Правильность методик и результатов анализа. Доказательство правильности является важной задачей на стадиях разработки, выбора, освоения и применения методик анализа. Правильность результатов анализа характеризуется значением систематической погрешности. По природе различают аналитические и инструментальные систематические погрешности. По влиянию на результат анализа системагические погрешности делят на положительные, которые приводят к завышению значений аналитического сигнала и, следовательно, к завышенным значениям определяемых содержаний вещества, и на отрицательные, которые приводят к занижению значений определяемых содержаний вещества. Помимо этого, систематические погрешности подразделяют на постоянные (аддитивные), значение которых не связано с абсолютным значением аналитического сигнала (массой аналитической навески), и пропорциональные (мультипликативные), значение которых пропорционально значению аналитического сигнала. Метод или методика анализа дают лишь тогда правильный результат, когда он свободен от систематических погрешностей. Систематические погрешности могут возникать на любом этапе аналитического процесса и по разным причинам. Задача освобождения результатов измерения от систематических погрешностей требует глубокого анализа всей совокупности данных измерений. Например, наиболее вероятным источником систематических погрешностей фотометрических измерений могут служить недостаточная представительность состава отобранной аналитической навески, погрешности в подготовке аналитической навески к фотометрическим измерениям, погрешности градуировки весов, мерной посуды, шкал спектрофотометров, несоответствие составов анализируемых и стандартных растворов, по которым строились градуировочные графики. Одной из часто встречающихся в физико-химических методах анализа причин систематических погрешностей является неправильное градуирование, в частности, построение градуировочных графиков на основе неподходящих градуировочных проб. Воспроизводимость методик и результатов анализа. Воспроизводимость и сходимость результатов анализа определяются разбросом повторных результатов анализа относительно их среднего значения и обусловливаются наличием случайных погрешностей. Сходимость характеризует рассеяние результатов при фиксированных условиях выполнения эксперимента; воспроизводимость — при варьировании этих условий. В первом приближении можно считать, что стандартное отклонение сходимости в 1,4—1,5 раза меньше стандартного отклонения внутри лабораторной воспроизводимости. Ввиду наличия такой простой связи между характеристиками сходимости и воспроизводимости в дальнейшем будет идти речь лишь о воспроизводимости как более общепринятом в литературе понятии. Чем больше значение аналитических и инструментальных случайных погрешностей, тем менее точен анализ. Воспроизводимость характеризуется значением стандартного отклонения (S) или относительного стандартного отклонения (Sr). Занятие №3,4 Агрофизические методы исследования 1 Методы исследований физических свойств почв. 2 Методы исследований гранулометрического, микроагрегатного и агрегатного состава почв. 3 Методы исследований водных свойств почв. 4 Исследования воздушных и тепловых свойств. 5 Исследования физико – механических свойств почв 1 Методы исследования физических свойств Определение плотности почвы в естественных условиях по методу Н.А. Качинского. Недалеко от разреза выделяют незатоптанную площадку (1×1 м2), на которой в углах и в середине берут пять проб большим цилиндром (около 200 м2). С места взятия проб срезают растения, а поверхность почвы выравнивают. На подготовленную таким образом поверхность ставят цилиндр, закрывают его сверху небольшой квадратной доской (10×10 см2) и, надавливая рукой, погружают в почву. Цилиндр должен полностью заполнится почвой без её уплотнения. Доску снимают, закрывают цилиндр крышкой, окапывают вокруг ножом или лопаточкой и вынимают. Затем перевертывают, срезают излишки почвы ножом вровень с краем цилиндра, очищают боковые стенки. Закрывают нижней крышкой, перевернув и отняв верхнюю крышку, пересыпают почву в сухой полиэтиленовый пакет и вкладывают этикетку. Взятые образцы сохраняют от нагревания и намокания, поэтому удобно складывать их в ящик или ведро и закрывать сверху клеенкой, полотенцем или мешковиной. Рядом с первой подготавливают площадку на глубину 10 см, а первую углубляют до 20 см и в том же порядке берут пробы. Если на этих глубинах почва окажется плотной, то используются малые цилиндры (около 100 см3). Контроль для всех глубин пахотного слоя пятикратный. При взятии пробы необходимо следить, чтобы цилиндр погружался в почву строго вертикально. При перекосе образуется зазор между стеной цилиндра и почвой и объем взятой почвы не соответствует объему цилиндра. В таком случае это образец нужно забраковать и взять другой. Плотность твердой фазы почвы определяют в лабораторных условиях пикнометрическим методом. Принцип его заключается в определении объема воды или инертной жидкости, соответствующего объему почвы, взятой для анализа. Пикнометр – мерный сосуд, позволяющий учитывать объем жидкости с большой точностью. Примером грубого пикнометра может служить простая мерная колба объемом 100 мл. Пикнометр имеет хорошо притертую массивную пробку с тонкокапиллярным отверстием, через которое удаляется избыток жидкости при наполнении сосуда, что обеспечивает точность в работе. При определении плотности твердой фазы незасоленных почв используют дистиллированную воду без воздуха, при засолении почв свыше 0,5% применяют неполярные жидкости (бензол, бензин, толуол, керосин, ксилол). 2 Методы исследования гранулометрического состава, микроагрегатного и агрегатного состава. В полевых условиях и в лаборатории гранулометрический состав почв приближенно определяют по внешним признакам и на ощупь. Для точного его установления применяют лабораторные методы, позволяющие находить количество всех групп механических элементов, слагающих почву или породу. По содержанию их, пользуясь рассмотренной классификацией, можно уже безошибочно отнести исследуемую почву или породу к той или иной группе механического состава. Микроагрегатный состав определяют методом пипетки по Н.А. Качинскому. При микроструктурном анализе определяют процентное содержание тех же фракций, что и при гранулометрическом анализе, но без предварительной подготовки навески почвы. Эта подготовка заключается в химическом воздействии на почву, которое приводит к разрушению микроагрегатов. 3 Методы исследования водных свойств Для определения водных свойств почвы существуют полевые, лабораторные и расчетные методы. Водопроницаемость определяется в полевых условиях методом заливки площадок. Влагоемкость почвы определяется полевыми и лабораторными методами. 4 Исследования воздушных и тепловых свойств Для анализа состава почвенного воздуха используют газоанализаторы различной конструкции (АФИ, ГВВ-2, ВТИ-2), в которых составные части почвенного воздуха последовательно поглощаются растворамипоглотителями и в дальнейшем учитываются объемометрическим способом. 5 Исследования физико – механических свойств почв Пластичность почвы определяется методами А.М. Васильева и Аттеберга, липкость почвы определяется методом А.Н. Качинского, набухание почвы - прибором А.М. Васильева. Занятие №5, 6 Агрохимические методы исследований 1 Подвижные формы питательных веществ. Методы исследований. 2 Методы определения загрязняющих веществ. 3 Экспресс – методы растительной диагностики. Изобретение относится к области сельского хозяйства. Экспрессанализатор (N-тестер «Спектролюкс») предназначен для быстрого, в течение нескольких секунд, определения (диагностики) содержания в листе растения общего (валового) азота как показателя обеспеченности данного растения азотным питанием, нуждаемости его в азотной подкормке азотсодержащими удобрениями. Экспресс-диагностика азотного питания растений является важной составной частью современных агротехнологий возделывания многих сельскохозяйственных культур, прежде всего озимых и яровых зерновых культур, овощей, картофеля. Она позволяет своевременно выявлять потребность вегетирующих сельскохозяйственных и других культур в азоте, поскольку другими методами это определить практически невозможно. От своевременной диагностики зависит не только продуктивность фитоценоза, но и экология среды, т.к. избыток азота, при внесении удобрения в подкормку «на глазок», является мощным 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, снижается иммунитет, и они больше повреждаются грибными заболеваниями и всевозможными вредителями. Недостаток азотного питания негативно сказывается на урожайности культур, а так же качестве продукции, прежде всего обеспеченности ее белком, незаменимыми аминокислотами, многими витаминами, другими биологически активными веществами (каротиноидами, флавоноидами, ферментами), избытком труднопереваримой клетчатки (в кормах). Важное значение имеет и экономическая сторона применения азотных удобрений, поскольку и минеральные удобрения, и азотсодержащие органические удобрения по стоимости их приобретения, транспортировки и внесения в настоящее время занимают до 30-40% в себестоимости продукции растениеводства. Объем произведенной продукции, связанный с урожайностью культуры, ее себестоимость относятся к экономическим категориям. Кроме того, качество получаемой сельскохозяйственной продукции, как правило, также является важным экономическим критерием при ее продаже. Таким образом, точное диагностическое определение и внесение доз азотных удобрений под возделываемые культуры для оптимизации их азотного статуса с экономической точки зрения является приоритетным технологическим приемом. До последнего времени оперативную, экспресс-диагностику азотного питания сельскохозяйственных культур, в том числе озимых и яровых зерновых, в земледелии России рекомендовалось проводить на основе методов так называемой мокрой химии [1]. При этом в посевах культур отбирались образцы (пробы) растений или отдельных их частей (индикаторных органов), затем в лабораторных условиях осуществлялся анализ отобранных проб (стеблей, листьев, черешков листьев - в зависимости от анализируемой культуры). В качестве диагностического показателя определялось содержание в индикаторных органах или общего (валового) азота, или нитратного азота, которое при сравнении его с эталонным (оптимальным) содержанием, приведенным в специальных таблицах [2], служило основанием для заключения об обеспеченности растений азотным питанием 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 концентрированной серной кислоте с перегонкой аммиака в аппарате по методу Кьельдаля с применением концентрированного 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 рекомендуемых в России диагностических методов, их применение связано с использованием опасных для здоровья людей реактивов, прежде всего концентрированных кислот и щелочей, а также требует специальной подготовки персонала, лабораторного оборудования, затрат времени, которое лимитируется 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 фактически сведены к нулю. Известен еще один способ диагностики азотного питания растений. В европейских странах для диагностики азотного питания сельскохозяйственных культур рекомендован экспресс-метод на основе определения световых характеристик листьев растений, получаемых при их искусственном облучении светодиодом портативного прибора типа Hydro-NTester, который избран нами в качестве прототипа как наиболее близкий к предлагаемому устройству и способу использования по своим общим характеристикам. Недостатками данного метода являются: 1) необходимость периодического тестирования прибора с использованием специального тестового диска, 2) высокая стоимость зарубежного прибора, составляющая, по данным за 2006 г, не менее 4 тыс.долларов США, или 100000 руб., 3) недостаточная надежность разработанного за рубежом метода и прибора для диагностики азотного питания растений в почвенноклиматических условиях России. Как показали испытания прибора и метода на посевах пшеницы в условиях Ивановской области, корреляционная зависимость между содержанием общего азота в листьях яровой пшеницы и показаниями прибора Hydro-N-Tester по отдельным годам выражалась коэффициентами (г) от 0,12 (по данным за 1999 г.) до 0,73-0,83 (2000-2002 гг.). Сущность изобретения состоит в том, что экспрессно диагностируют азотное питание растений с использованием портативного устройства для определения потребности растений в азотной подкормке в производственных условиях. При этом потребность в азотном питании растений устанавливают в зависимости от соотношения флуоресценции хлорофилла листа растения к его светопроницаемости, которую определяют по фотометрической характеристике листа не менее чем на 40 растениях, регистрируемой прибором, при этом при регистрировании прибором величины пропускания менее 1±0,01 необходима азотная подкормка растений, при пропускании, равном 1±0,01 и более, подкормки не требуется. Мониторинг азотного питания осуществляется путем зажима листа диагностируемого растения в соответствующем устройстве прибора и просвечивания его оптическим излучением в диапазоне λ=400±50 нм с регистрацией оптических характеристик пропускания света через пластинку одного развитого листа растения. Мониторинг проводят на 40 произвольно выбранных растениях, в разных случайно выбранных участках посева одной и той же сельскохозяйственных культуры и сорта, что позволяет, при диагностике азотного питания озимой пшеницы, например сорта Московская 39, при регистрируемых прибором с разработанным устройством нормированных показателях пропускания менее 1±0,01 дается заключение о необходимости срочного внесения азотного удобрения в дозах до 60-90 кг/га действующего вещества, при показателе 1±0,01 и более внесения азотного удобрения не требуется. Указанный технический результат достигается тем, что предлагаемым способом и устройством предусматривается листовая диагностика азотного питания сельскохозяйственных культур, так как зеленые листья представляют собой интегральные органы информации о минеральном, в том числе об азотном питании растений [4]. Основой метода служит определение концентрации зеленого пигмента - хлорофилла в листьях растений по интенсивности его флуоресценции и прозрачности (светопроницаемости) листовых пластинок, которая также зависит от уровня содержания хлорофилла. Занятие №7, 8 Вегетационный метод 1 Назначение вегетационных методов. Основные методические требования. 2 Схемы опытов. 3 Водные, песчаные и почвенные культуры. Питательные смеси. 4 Особенности опытов с различными растениями. Вегетационный метод - лабораторный метод изучения растений, заключающийся в выращивании их в сосудах, помещаемых в вегетационных домиках. При помощи вегетационного метода изучают: физиологическую роль питательных веществ и их поступление в растение, значение реакции среды (pH), нормы полива, отношение различных растений к концентрации питательного раствора, к температуре (морозостойкость), влаге (засухоустойчивость), свету (фотопериодизм), к химическим средствам защиты растений, гербицидам и т.д. В. м. применяется, главным образом, для сравнительной оценки разных видов вносимых в почву удобрений. Чтобы выяснить значение для растений тех или иных химических элементов или их солей, вместо почвы сосуды заполняют чистым кварцевым песком либо дистиллированной водой и в них вводят подлежащие изучению соединения. Выращивание растений в сосудах требует защиты культур от случайных повреждений, от попадания в сосуды атмосферных осадков, нарушающих создаваемый в сосудах определенный режим, и от др. воздействий. Существенный недостаток вегетационного метода — ограниченность объёма почвы, в котором выращивают растения; поэтому корневая система в сосудах располагается более скученно, чем в полевых условиях. Небольшое кол-во почвы в вегетационных сосудах — причина того, что выращиваемые в них растения значительно сильнее отзываются на недостаток того или иного элемента, чем растения, выращиваемые в полевых условиях. Поэтому получаемые вегетационным методом данные о потребности в удобрении нередко оказываются преувеличенными. Другой существенный недостаток вегетационного метода — разрушение почвенной структуры при высушивании и просеивании почвы перед набивкой в сосуды. Поэтому получаемые вегетационного метода результаты следует рассматривать как предварительные и очень осторожно переносить на полевые условия. Наиболее полную разработку вегетационного метода получил в трудах русских учёных — П. С. Коссовича, Д. Н. Прянишникова, К. К. Гедройца. Горячим пропагандистом вегетационного метода был К. А. Тимирязев, организовавший показ В. м. на Всероссийской выставке в Нижнем Новгороде (ныне г. Горький) в 1896. Водные культуры выращивание растений на жидкой (водной) питательной среде. Метод водных культур разработан в 70-х гг. 19 в. немецкими биологами И. Кнопом и Ю. Саксом. Применяется в исследованиях питания, роста и развития растений, а также в производственных условиях. Водные культуры позволяют регулировать объём, состав, концентрацию, осмотическое давление, реакцию и другие свойства питательного раствора. С введением метода водных культур, а также песчаных культур в практику физиологических и агрохимических исследований были установлены элементы, необходимые для питания и развития растений, а затем выяснена роль в жизни растений микроэлементов. В России водных культур впервые применил К. А. Тимирязев (1872). Дальнейшее развитие водных культур получили в работах Д. Н. Прянишникова. Водные культуры используются при изучении поступления, усвоения солей и обмена веществ в растениях. В условиях водных культур хорошо развиваются все с.-х. растения, в том числе корнеплоды и клубнеплоды. Рисунок 1 - Влияние отдельных элементов на развитие табака в водной культуре: 1 — без N, 2 — без P, 3 — без K, 4 — без Ca, 5 — без Mg, 6 — на полном питательном растворе; 7 — без B, 8 — без S, 9 — без Mn, 10 — без Fe. Рису нок 2 - Вегетационный опыт с люпином по усвоению фосфорной кислоты в песчаных культурах; 1 — растворимый фосфат; 2 — без фосфора; 3—5 — различные фосфориты. Средой при водных культур служит раствор на дистиллированной воде питательных смесей, состав которых определяется задачами исследования и типом изучаемой культуры. Сосуды с водных культур. помещают в водных культур делают возможными: наблюдение за развитием корневых систем опытных растений, систематический анализ и периодическую смену питательного раствора. Предварительно выращенные семена закрепляют ватой на крышках, покрывающих сосуды и имеющих отверстия для корней. В одно из отверстий вставляют доходящую до дна сосуда стеклянную трубку для снабжения корней кислородом. Во избежание перегрева сосудов, а также развития в них водорослей на сосуды надевают двойные чехлы: внутри из чёрной, снаружи из белой материи. Существенный недостаток водных культур — изменение реакции питательного раствора, резкие сдвиги её в сторону кислотности или щёлочности вследствие физиологической кислотности или щёлочности внесённых питательных солей. Это ведёт часто к развитию болезней (хлороз и др.) растений в водных культур. В этих случаях необходимо прибавлять едкий натр или серную кислоту (до установленной реакции), иногда лимоннокислое железо. Рекомендуется также периодическая смена питательного раствора. Песчаные культуры - выращивание растений в чистом кварцевом песке для исследования их питания, роста и развития в лабораторных условиях. Недостатки песчаных культур — плохая аэрация субстрата и накопление в нём питательных солей. В связи с этим песчаные культуры используют редко . Занятие №9, 10 Полевые опыты 1 Назначение полевых опытов. Географическая сеть опытов с удобрениями. 2 Основные методические требования. Выбор и подготовка участка. 3 Схемы опытов. 4 Учет продуктивности. Полевые опыты в условиях производства. Полевой метод – это проведение полевых опытов (экспериментов). Основной метод научной агрономии, ибо с его помощью связываются теоретические исследования с практическими. На основе полевых экспериментов разрабатывают рекомендуемые агроприёмы, технологии и испытывают сорта для сельскохозяйственного производства. Основная задача полевого метода – выявление достоверных различий между вариантами опытов, количественная оценка влияния факторов жизни на урожайность растений и качество продукции. Почти все важные научные проблемы агрономической науки решаются с помощью полевого метода исследований. Однофакторные опыты. В схеме опыта должны быть представлены градации фактора, соответствующие всем трем областям кривой отклика – лимитирующей, стационарной, ингибирующей. То есть, среди планируемых вариантов должны быть последовательно возрастающие дозы или нормы факторов, при которых урожай сначала увеличивается, достигает наибольшей величины, после чего уменьшается. Шаг эксперимента должен быть таким, чтобы разница между соседними градациями превышала ошибку опыта. При очень большом шаге можно упустить эффективные промежуточные варианты, слишком маленький шаг ведет к набору ненужных вариантов, увеличению объема работы и значительному ее усложнению. П р и м е р. Составить схему однофакторного опыта по изучению эффективности азотных удобрений. Максимальная доза 150 кг/га. Всего 5 градаций изучаемого фактора. Шаг варьирования будет равен 150 : 5 = 30 кг/га. Схема опыта. 1. Контроль (без азота); 2. N30; 3. N60; 4. N90; 5. N120; 6. N150. З а д а н и е. Составить схему опыта по изучению эффективности тилта в борьбе с мучнистой росой и септориозом злаковых культур, если предельно допустимая норма препарата не должна превышать 1 л/га. Единица варьирования тилта при этом составляет 0,2 л/га. Многофакторные опыты. Схема многофакторного опыта должна быть полной. Это означает, что она должна включать все возможные сочетания факторов и их градаций. Для составления правильной схемы многофакторного опыта используют матрицы планирования. Матрицы планирования – это стандартные таблицы, в которых составляют схемы многофакторных опытов с использованием кодирования (таблица 1). Вначале определяют число факторов и градаций, затем число вариантов полного факториального эксперимента (ПФЭ) по формуле (1) l = Г Ф, (1) где l – число вариантов; Г – число градаций факторов; Ф – число факторов. Если число градаций у факторов разное, то число вариантов находят перемножением градаций по факторам. П р и м е р. Составить схему трехфакторного опыта с использованием матрицы ПФЭ по изучению влияния на урожай пшеницы двух предшественников – гороха и кукурузы, двух способов обработки – отвальной и безотвальной и гербицида – аминная соль 2,4-Д. В этом опыте у каждого из трех факторов по две градации. Число вариантов полного факториального эксперимента (ПФЭ) 23=8. Таблица 1 – Матрица ПФЭ 23 Номер варианта 1 2 3 4 5 6 7 8 Факторы и градации А0, 1 0 0 0 0 1 1 1 1 В0, 1 0 0 1 1 0 0 1 1 С0, 1 0 1 0 1 0 1 0 1 Обозначение варианта Код a0 b0 c0 a0 b0 c1 a0 b1 c0 a0 b1 c1 a1 b0 c0 a1 b0 c1 a1 b1 c0 a1 b1 c1 000 001 010 011 100 101 110 111 Используя готовую матрицу планирования, составляется схема опыта, расшифровывая полученный код. Схема опыта ПФЭ 23 1 2 3 4 5 6 7 8 Пшеница по гороху, отвальная обработка Пшеница по гороху, отвальная обработка, аминная соль Пшеница по гороху, безотвальная обработка Пшеница по гороху, безотвальная обработка, аминная соль Пшеница по кукурузе, отвальная обработка Пшеница по кукурузе, отвальная обработка, аминная соль Пшеница по кукурузе, безотвальная обработка Пшеница по кукурузе, безотвальная обработка, аминная соль Задание. 1 Составить схему опыта и матрицу планирования опыта по изучению влияния азотных N0, 30, 60, фосфорных Р0, 40 и калийных К0, 40 удобрений на урожай зерна яровой пшеницы. 2 Составить матрицу планирования опыта по изучению влияния различных доз органических (3 градации) и минеральных (2 градации) удобрений на качество зерна пшеницы. 3 Составить матрицу планирования для проведения опыта по изучению влияния способов обработки почвы (глубокая вспашка, безотвальная обработка, плоскорезная обработка) и сроков посева (20.08, 30.08, 10.09) на урожай озимой пшеницы. 4 Для изучения эффективности протравителей в борьбе с корневой гнилью яровой пшеницы составить схему полевого опыта и матрицу планирования, используя следующие препараты: Формалин, Фундазол, Байтан. Опыт проводится при изучении действия органических (0 и 30 т/га) и минеральных (0; N30P30K30; N60Р60К60) удобрений. Планирование количества наблюдений Для определения необходимого количества наблюдений используется формула: 2 2 S V% n = = , Sx Sx % (2) где S – стандартное отклонение; Sx – ошибка в опыте; Sx % – относительная ошибка в опыте; V% - коэффициент вариации. Задание. 1 Определить количество наблюдений в опыте, если результаты дробного учета урожая показывают, что S – 1,8 ц, а ошибка – 0,9 ц. 2 Определить количество повторений, если средний урожай в опыте 19 ц/га, а стандартное отклонение равно 2,2 ц. Относительная ошибка в опыте должна быть не более 5 %. 3 Определить количество индивидуальных образцов на делянке для определения содержания фосфора в почве, если коэффициент варьирования при предыдущих анализах составил 18 %. Занятие №11, 12 Лизиметрические исследования 1 Назначение лизиметрических исследований. 2 Основные виды лизиметров. 3 Изучение режимов. Лизиметр – это инженерно-техническое сооружение, используемое для слежения за динамикой и характером поступления влаги в почву, изменением химического состава почвенных растворов, в т.ч. под воздействием различных факторов (минеральных и органических удобрений, методов и способов орошения, характера поступления атмосферных осадков, а также в зависимости от особенностей фитоценоза). В настоящее время существуют лизиметры различных типов, различающихся по конструкции и назначению: гидрологические, метеорологические, полевые научно-исследовательские (почвенные), агрохимические. Для решения задач данного проекта нами предлагается сооружение лизиметра конструкции Ю. Мокински, который удачно сочетает в себе достоинства и преимущества агрохимического и мелиоративного типов. На наш взгляд, преимущества лизиметра конструкции Ю. Мокински следующие: 1. Возможность проведения многовариантных полевых опытов различного назначения (агрохимических, агрофизических, мелиоративных, экологических). Общее количество вариантов – 48 делянок (ванн). 2. Расчетная мощность грунтового слоя – 25 см, что составляет рекомендованную Зональными системами земледелия мощность пахотного горизонта. Учитывая, что мы находимся в зоне недостаточного увлажнения (глубина промачивания почвы, особенно в вегетационный период, невелика), а также тот факт, что расчет норм внесения удобрений и средств химизации ведется на мощность пахотного слоя, считаем, что данная конструкция оптимальна для решения поставленных задач. 3. Возможность использования грунтовых покрытий различного состава - от естественных почвенных слоев до искусственных покрытий, в т.ч. негрунтовых. 4. Конструкция позволяет при необходимости проводить быструю, с минимальными затратами, перезарядку грунта в соответствии с целями и задачами конкретных исследований. 5. Варианты опытов (делянки) изолированы друг от друга специальными пластиковыми перегородками (ячейками), что обеспечивает чистоту и надежность экспериментов. Выемные лизиметры устраивают для того, чтобы их можно было извлекать из ямы и взвешивать. Во всех случаях в дне лизиметра сделано отверстие, соединенное системой трубок с приемником для сбора фильтрата. Для взятия образцов почвы без заметного нарушения ее естественного строения лизиметры цилиндрической формы имеют заостренные концы у дна и врезаются в почву при их наполнении. Дно воронкообразной формы заполняют дренажным материалом и после наполнения лизиметра почвой прикрепляют к нему. Затем лизиметр переносят на постоянное место и соединяют системой трубок с приемником. Примером может служить лизиметр A.B. Ключарева. Это тонкостенный стальной цилиндр диаметром 11 см и глубиной 20 см. Снизу к цилиндру, заполненному почвой естественного сложения, герметически прикреплено дно в форме цинковой воронки, в которой помещен дренирующий материал. Для сбора фильтрата служит делительная воронка, соединенная с прибором пробкой с трубками. Чтобы эти лизиметры поместить в грунт, в него предварительно зарывали до краев другие тонкостенные железные цилиндры высотой 50 см, открытые с обоих концов. Диаметр их был таков, что стальные цилиндры как раз входили в них. Лизиметры с почвой и воронками опускали в эти железные цилиндры и удерживали на крючках. Зазоры между железным цилиндром и лизиметром закрывали специальными цинковыми защитными щитками. Лизиметрические воронки используют только для работы с почвами естественного строения. Эти конструкции были впервые применены Эбермайером в 1879 г. Считают, что металлические цилиндрические лизиметры при врезании в грунт все же частично нарушают естественное сложение. Этот вид лизиметра не имеет боковых стенок. Устройство воронок следующее. Цинковые воронки диаметром 25 или 50 см имеют глубину 5 см. Края их загнуты на 0,5 см вверх и заострены. Шейка прикрыта цинковым кружком с отверстиями 2 мм. Заполнена воронка дренирующими материалами. Для установки воронок Эбермайера вырывают достаточно глубокую траншею и на передней вертикальной стенке ее делают ниши на той глубине, на какой хотят поместить воронки. Их вводят в нишу и врезают острым краем в ее потолок. Воронки трубками соединяют с приемниками, размещенными на некотором расстоянии от ниш. Сверху траншею закрывают досками и цементом и засыпают землей. Делают люк с крышкой, чтобы можно было спускаться в яму к приемникам. В нишах все эти пустоты снова засыпают землей. Расстояние между воронками 30 - 100 см. Отсутствие боковых стенок у воронок не дает уверенности в том, что в нее будет просачиваться вода только с площади, находящейся строго вертикально над воронкой. Возможно как затекание воды со стороны, так и отток влаги на соседние участки, Поэтому в опытах для изучения вымывания питательных веществ из разноудобренных почв нельзя ставить лизиметрические воронки на делянки с различными удобрениями близко по соседству; нужно оставлять между ними интервалы наподобие защитных полос в полевых опытах. Водный режим лизиметров. Опыты в лизиметрах должны полностью воспроизводить условия природной обстановки. Это в полной мере относится и к водному режиму. Одинаковый водный режим лизиметров и почв в окружающих естественных условиях может быть только в том случае, когда динамика всех категорий воды в почве лизиметра совпадает с динамикой влаги в природной почве. Экспериментальные исследования показали, что наблюдается ряд моментов, которые отличают водный режим лизиметров от водного режима естественных почв. Почвы в лизиметрах со стенками отличаются от естественных почв количеством осадков, попадающих на площадь, равную площади лизиметра. Так как стенки лизиметра немного выше уровня почвы в нем, то все осадки, попавшие на данную площадь, должны пройти через почву. В природных условиях, как правило, в среднем 20 - 25% воды сбегает с поверхности по уклонам рельефа. Следовательно, в лизиметры со стенками осадков попадает больше, чем в естественных условиях. В лизиметрических воронках этого различия не наблюдается. Изучение поведения разных форм почвенной влаги в лизиметрах по сравнению с естественной почвой показало, что наблюдаются существенные различия в их динамике. Это связано в первую очередь с разрывом слоев почвы, обусловленным наличием дна у лизиметров. Этот разрыв приводит к появлению воздушной прослойки, которая мешает свобод-ному движению гравитационной воды вниз. Как правило, в лизиметрах мы отмечаем избыток влажности, задержку известного количества воды и, следовательно, неполное просачивание по сравнению с тем же слоем естественной почвы. Наблюдения показали, что просачивание воды в лизиметры зависит от их глубины. В более глубоких лизиметрах оно относительно больше, чем в мелких. Так как количество осадков, попадающих на одинаковые по площади лизиметры, будет одно и то же, а влажность оказывается в глубоких лизиметрах большая в слоях, лежащих ближе ко дну, а у мелких лизиметров в поверхностных слоях, то испарение более интенсивно происходит с поверхности мелких лизиметров, чем с поверхности глубоких. Занятие №13, 14 Полевые обследования почв 1 Полевые обследования почв сельскохозяйственных земель. 2 Уровни неоднородности почвенных свойств и их выявление. 3 Агроэкологический мониторинг. 4 Агрохимические обследования. 5 Агрофизические обследования почв. Полевой опыт — исследование, осуществляемое в природной (полевой) обстановке на специально выделенном участке, в целях установления количественного воздействия факторов жизни, условий среды или приемов выращивания на урожай сельскохозяйственных растений и его качество. Вариантом опыта называют изучаемые в опыте растения, сорта, агротехнические приемы, условия воздействия на сельскохозяйственную культуру или их сочетание. Один из вариантов, с которыми сравнивают остальные, принимают за контроль (стандарт). Совокупность вариантов, изучаемых в опыте, называют схемой опыта. В полевом опыте культурные растения выращивают на опытных делянках (в дальнейшем будем называть их делянками). Каждая из них составляет часть площади опытного участка. Урожай в полевом опыте — масса основной или побочной продукции с учетной площади делянки. Его собирают и взвешивают с каждой делянки отдельно. По урожаю на учетной площади делянки устанавливают урожайность — расчетный показатель, характеризующий сбор продукции с единицы площади посева. Урожай выражают единицами массы в килограммах, центнерах, тоннах, а урожайность — частным от деления единицы массы на площадь, с которой она получена, например в центнерах с 1 га. Одно из преимуществ полевого опыта по сравнению с другими методами исследования в том, что его осуществляют в условиях, приближенных к производственным или непосредственно в производственных. Поэтому в полевых опытах изучают многие вопросы, имеющие непосредственное отношение к сельскохозяйственному производству, например влияние на культурные растения и их урожай разных предшественников, механических обработок почвы, удобрений, приемов мелиорации и многие другие. Полевой опыт позволяет оценить варианты по урожайности сельскохозяйственных культур и дать им экономическую оценку. Производственный сельскохозяйственный опыт — комплексное, научно поставленное исследование, которое проводится непосредственно в производственных условиях и отвечает коренным задачам производства, способствует его постоянному развитию и совершенствованию. Задача производственного опыта — установить эффективность сложившегося комплекса из взаимосвязанных агротехнических, экономических и организационно-хозяйственных мероприятий. В производственном сельскохозяйственном опыте «делянками» становятся бригады, хозяйства, группы хозяйств, а «вариантами» — сложившиеся в них комплексы агротехнических, экономических и организационно-хозяйственных мероприятий как единое целое. Естественно, что при такой методике исследования невозможно вычленить влияние отдельных агротехнических приемов или экономических и организационно-хозяйственных мероприятий. Задачи, решаемые полевыми и производственными сельскохозяйственными опытами, разные. Полевые опыты делят на группы и виды. Существует две группы полевых опытов: 1) агротехнические опыты, в которых изучают агротехнические приемы и их влияние на условия среды, культурные растения и урожайность. Задачи, тематика и методика проведения опытов этой группы разнообразны; 2) опыты по сортоиспытанию сельскохозяйственных культур. Они более унифицированы по задачам, методике и технике выполнения. Их цель дать разностороннюю оценку изучаемым сортам, оценить их по урожайности и качеству получаемой продукции. Видов полевых опытов гораздо больше. По количеству изучаемых факторов полевые опыты делят на однофакторные и многофакторные. В первых изучают градации любого, но только одного фактора, например, нормы посева семян одной сельскохозяйственной культуры, или разные дозы одного гербицида, или способы основной обработки почвы и т.д. В многофакторных опытах изучают градации двух и более факторов. Многофакторные опыты представляют большой интерес, но они сложнее. В них целесообразно иметь все возможное сочетание вариантов. Такую схему опыта называют факториальной или ортогональной. По длительности проведения полевые опыты бывают: краткосрочные — до трех лет и многолетние. Последние представляют большой интерес при изучении фундаментальных агрономических вопросов в области земледелия, агрохимии и других наук. По месту заложения полевые опыты делят на стационарные, которые проводят длительно на одном месте, и нестационарные, ежегодно закладываемые на новых участках. По охвату пунктов полевые опыты бывают единичными и массовыми (например, географические). Массовые полевые опыты закладывают по единой схеме и методике в разных почвенно-климатических условиях. Все виды полевых опытов могут существовать в трех основных модификациях. Первая модификация — лабораторно-полевой опыт. Его проводят в типичных почвенных и климатических условиях для конкретного района, зоны, хозяйства или поля севооборота. Схема лабораторно-полевого опыта должна быть аналитической, то есть допускать необходимое расчленение изучаемых приемов, а сам опыт сопровождаться необходимыми сопутствующими наблюдениями и исследованиями. Лабораторно-полевой опыт позволяет дать только агротехническую оценку изучаемым вариантам опыта. Рисунок – Расположение делянок в опытах. Занятие №15, 16 Математические методы анализа 1 Ошибки и основные методы математической статистики. 2 Метод дисперсионного анализа. 3 Корреляционный и регрессионный анализ. 4 Понятие о математическом моделировании. Математическая обработка полученных данных. Цифровая информация, получаемая в результате учета урожая и проведения сопутствующих наблюдений, должна быть пригодной для дальнейшего использования. Нужно твердо знать, что методика и техника проведения полевого опыта не были нарушены. Это устанавливают путем просмотра полевых журналов, дневника и других записей, сличив их с фактическим осуществлением работ. Опыты с нарушениями методики бракуют. Экспериментальные данные доброкачественных полевых опытов подвергают предварительной обработке. В первую очередь обрабатывают сведения об урожае. При необходимости его переводят на стандартную влажность и 100%-ную чистоту (в опытах с зерновыми и некоторыми другими культурами). Далее, принимая во внимание размер учетной площади делянки, рассчитывают урожайность и составляют таблицу урожайности. В нее записывают урожайность с учетных делянок, суммы по каждому варианту и повторению и средние по каждому варианту и в целом по опыту. Сравнивая среднюю урожайность любого изучаемого варианта с контрольным и установив различие между ними, еще нельзя определить, насколько это различие существенно, так как неизвестна причина, создавшая его. Оно могло появиться от влияния варианта или обусловлено случайными ошибками опыта. Только результаты статистической обработки урожайности могут помочь в этом. Статистическую обработку полученной информации в настоящее время осуществляют методом дисперсионного анализа. Для каждого рендомизированного метода размещения вариантов в опыте существует своя модификация метода дисперсионного анализа. По сравнению с другими методами он имеет ряд преимуществ. Обобщающим, итоговым, статистическим показателем в методике дисперсионного анализа часто является НСР — наименьшая существенная разность. НСР подсчитывают в абсолютных (для урожайности полевых культур в ц с 1 га) и относительных (в %) показателях. С помощью НСР устанавливают существенность различий между вариантами опыта. Одновременно сравнивают только два варианта. Устанавливают, насколько урожайность с одного больше, чем с другого. Один из вариантов — контрольный. Если, сравнивая два любых варианта, будет установлено, что разница между их урожайностью равна или больше НСР, то такая разница признается существенной и делается вывод, что она обусловлена влиянием варианта. Если же разница в урожайности окажется меньше НСР, то она не признается существенной, и можно сделать вывод, что в опыте не доказали влияние варианта на изменение урожайности. В этом случае различие в урожайности могло быть вызвано влиянием варианта, а могло произойти и от влияния случайных ошибок. Для изучения одномерных статистических совокупностей используются: вариационный ряд, законы распределения» вы борочный метод. Для изучения многомерных статистических совокупностей применяют корреляции, регрессии, дисперсион ный, ковариационный, спектральный, компонентный, фактор ный виды анализа, изучаемые в курсах теории статистики. Контрольная работа 1 Определить количество наблюдений в опыте, если результаты дробного учета урожая показывают, что S – 1,8 ц, а ошибка – 0,9 ц. 2 Определить количество повторений, если средний урожай в опыте 19 ц/га, а стандартное отклонение равно 2,2 ц. Относительная ошибка в опыте должна быть не более 5%. 3 Определить количество индивидуальных образцов на делянке для определения содержания фосфора в почве, если коэффициент варьирования при предыдущих анализах составил 18%. 4 Составить матрицу планирования для проведения опыта по изучению влияния способов обработки почвы (глубокая вспашка, безотвальная обработка, плоскорезная обработка) и сроков посева (20.08, 30.08, 10.09) на урожай озимой пшеницы. 5 Для изучения эффективности протравливателей с корневой гнилью яровой пшеницы составить схему полевого опыта и матрицу планирования, используя следующие препараты: Формалин, Фундозол, Байтан. Рисунок 2 – Экономико-математические методы оценки Занятие №17 Использование меток при проведении исследований 1 Стабильные и радиоактивные метки. 2 Назначение и особенности использования меток в опытах с почвами и растениями. 3 Изотопы азота. 4 Изотопы фосфора. 5 Изотопы калия. Основное направление применения метода меченых атомов в агрохимии и почвоведении связано с исследованием химического состояния и скорости перемещения (миграции) химических элементов в агроценозе. Если внести элемент в систему, то он начнет распределяться между всеми компартментами с различными скоростями. Основные задачи метода изотопных индикаторов закономерностей распределения элементов по исследование компартментам и определение скоростей распределения. Эти задачи решаются в физиологии растений и животных. Представленная система агроценоза очень сложна, хотя может быть еще более усложнена. Чтобы выпутаться из ситуации, нужно упрощать ее. Например, решать блок только почвы или только раствора и растений и т.д. ┌──────────┐ ┌<──┤почвенная ├>─┐ ┌─────────┐ │ ┌─┤микрофлора│ │ │ │ └─────────┬┘ │ │ ^ │ ^ ┌─┴─┴─────┐ ┌─┴───┴──┐ │доступные├──>─┤почвенный├─<─┤ корни │формы ├<─┤надземная│ ├─<──┤ раствор ├┬─>┤растений├─>┤ └─────────┘ ┌─────────┐ │трудно- ┌─────────┐ └┬┬───┬┬──┘│ └────────┘ ││ ││ ││ │└───>───┐ └──────<──────>────┘ │ ┌────┴────────┐ │доступные├─<────┘ │ │фильтрующиеся│ │формы │ │ │ └───┬─────┘ │ └─────────────┘ │ воды │ └───┬─────┘ ├──>──┘│ │ часть │ │ │ ┌─────────────┐ │ └─>─┤поверхностные│ └──────────────>─────┤ воды │ └─────────────┘ Рисунок 4 - Модель распределения химических элементов по пулам агроценоза Если внести элемент в систему, то он начнет распределяться между всеми компартментами с различными скоростями. Основные задачи метода изотопных индикаторов закономерностей распределения элементов по исследование компартментам и определение скоростей распределения. Эти задачи решаются в физиологии растений и животных. Представленная система агроценоза очень сложна, хотя может быть еще более усложнена. Чтобы выпутаться из ситуации, нужно упрощать ее. Например, решать блок только почвы или только раствора и растений и т.д. Список литературы 1 Ещенко, В.Е. Основы опытного дела в растениеводстве / В.Е. Ещенко, М.Ф.Трифонова, П.Г. Копытко. - М.: КолосС, 2009 -268 с. 2 Комиссарова, И.В. Методы исследования почв. Методические указания для лабораторных занятий. – Курган: Изд-во КГСХА, 2014. – 22 с. 3 Пискунов, А.С. Методы агрохимических исследований. - М.: КолосС, 2004.-312 с. 4 Кирюшин, В. И. Агрономическое почвоведение. - М.: КолосС, 2010.687с. 5 Аграрный вестник Урала 6 Агрохимия 7 Вестник Алтайского государственного аграрного университета 8 Земледелие 9 Почвоведение 10 Плодородие
