Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Реакция пшеницы на изменение уровня минерального питания при разных гидротермических режимах

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Реакция пшеницы на изменение уровня минерального питания при разных гидротермических режимах"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕЛШЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НА,

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ РАСТЕНИЕВОДСТВА имени Н. И. ВАВИЛОВА

На правах рукописи

СТЕПАНОВА Александра Анатольевна

УДК 633.11:631.82:581.1

РЕАКЦИЯ ПШЕНИЦЫ НА ИЗМЕНЕНИЕ УРОВНЯ МИНЕРАЛЬНОГО ПИТАНИЯ ПРИ РАЗНЫХ ГИДРОТЕРМИЧЕСКИХ РЕЖИМАХ

Специальность: 03.00.12 — физиология растений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1995

Работа выполнена в отделе физиологии растений и лаборатории экологической генетики Всероссийского научно-исследовательского института растениеводства имени Н. И. Вавилова в 1991 — 1993 гг.

Научный руководитель — доктор биологических наук, профессор Г. В. Удовенко.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор В. М. Бурень; доктор сельскохозяйственных наук, профессор Г. А. Воробей ков.

Ведущее учреждение — Агро-физическнн институт (С.-Петербург).

дании Специализирова»______ _____ _ ____________________. . . .й

на соискание ученой степени доктора наук во Всероссийском научно-исследовательском институте растениеводства имени Н. И. Вавилова по адресу: 190000, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 44.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Всероссийского научно-исследовательского института растениеводства имени Н. И. Вавилова.

Защита состоится

Автореферат

I

Ученый секретарь

Специализированного совета, доктор биологических наук

Э. А. Гончарова

•ОЕШАЯ ."-ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Несмотря на большое количество работ, посвященных вопроса,! использования минерального питания для повышения урожайности сельскохозяйственных культур, мало исследованной остается проблема соотношения комплекса факторов среды: доз минеральных удобрении, водосбеспеченностн и терморежима.

Поэтому актуальным является изучение влияния повышения уровня минерального питания в разных гидротермических режимах вегетации на общую продуктивность и компоненты структуры урожая пшеницы различающейся по биологическим требованиям сортов.. Практически не наученным является вопрос изменения атт-рагирующей способности зерна ¡г источников аттракции при повышении уровня минерального питания в различных гидротермических режимах вегетации растений лпешрл.

Дель работы - изучить реакцию пшеницы на изменение уровня минерального питания при разных гидротермических режимах.

В ходе исследования предусматривалось решить следующие задачи.

1. Выявить закономерности влияния минерального питания- на компоненты структуры урожая растений пшеницы в зависимости от гидротерм1гчесгак режимов вегетации и генотишгческих- различий сортов. '

2. Выявить закономерности влияния минерального питания на водный статус растений пшеницы в зависимости от гидротермических режимов1 вегетации п генотлпических различий сортов.

2. Выявить закономерности влияния минерального питания на ростовые процессы растений пшеницы в зависимости от гидротермических режимов вегетации и генотипических различий сортов.

4. Выявить закономерности влияния минерального питания на аттрагирующую способность зерна и источники аттракции в зависимости от гидротермических режимов вегетации и генотипических различий сортов.

Научная новизна. Впервые выявлены закономерности влияния минерального питания на водный статус, ■ ростовые процессы и компоненты структуры урожая яровой пшеницы в зависимости от различных сочетаний гвдротермпческих режимов выращивания' растений. Впервые определены закономерности изменения аттрагиру-

¡сщс-й способности верна и источников аттракции в ответ на повышение уровня минерального питания при различных сочетаниях гидрогерыических режимов выращивания яровой пшеницы/

Практическая значимость. Результаты исследований покавы-вавт бобьешюсть регуляции продуктивности яровой пшеницы применением шшералькаго питания в зависимости от конкретных гидротермических условий вегетации.

Экспериментальная работа выполнена в 1991-1993 гг. в отделе физиологпи растений и лаборатории экологической генетики Всероссийского 'института растениеводства иы. Н.И.Еавилова под руководством доктора биологических наук, профессора Г.В.Удо-Еенка.

Апробация работы. Результаты исследований обсуждались на конференциях аспирантов и молодых ученых БНИИР им.Н.И.Вавилова (Санкт-Петербург, 1992, 1393) и на научно-производственных заседаниях отдела физиологии растений и лаборатории экологической генетики БНИИР им.Н.И.Вавилова (1991, 1392, 1993, 1994).

По материалам диссертации опубликовано три статьи, сдана в печать одна.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения; обзора литературы; экспериментальной части, в которой изложены материал, методика и результаты исследований; заключения и выводов.

Список цитируемой литературы включает 172 наименования, в трм числе 31 - на иностранных языках.

'Диссертация изложена на 156 страницах машинописного текста и содержит 15 рисунков, Б таблиц в тексте и 13 таблиц в приложении.

ОБЪЕКТЫ,.УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Экспериментальная работа проводилась в 1991-1933 гг. а Пушкинских лабораториях ВИР.

Объектами исследования служили растения яровой мягкой пшеницы (ТгШсигл аезЦуиш Ь.) двух различающихся по биологическим свойствам сортов: местная из Швеции (номер по каталогу ВИР к-6166) и Опекая (к-43062).

Сорт местная из Швеции - экстенсивного типа, приспособлен

■ к широкому диапазону и частой смене погодных условий в течение вегетации. Сорт Ошскзя - интенсивного типа, выведен для условий сильной жары и орошения.

Вегетационный опыт ставился по методике, описанной у Прянишникова (1965), Соколова, Ахромейко, Панфилова (1928), Жур-бицкого (1968). Влажность и влагоемкоеть почвы определялись по Скаэкшу, Ловчиновской, Красносельской и др. (1953) и Жур-бицкому (1368).

Растения .выращивали в сосудах, вмещающих б кг сухой почвы. Использовалась' старопахотная дерново-подзолистая почва.

Сосуды о растениями, помещали в вегетационный домик (естественный температурный режим), теплицу (температура в среднем на 10"С выше, чем в вегетационном домике) и два фитотрона ШКШ 1,БВ(ижаркнй"-30°/'22''С, день/ночь, "холодный" -20®/12*С, день/ночь).

Таким образом, в эксперименте были созданы четыре терма-режима. Два нестабильных терморежима: холодный нестабильный (ХН) в вегетационном домике, жаркий нестабильный (ЖН) в теплице. Два стабильных терморежима: холодный стабильный (ХС) в ' "холодном" фитотроне, жаркий стабильный (ЖС) в "жарком"- фитотроне.

Погодные условия в течение вегетации 1991 г. отличались сильной неустойчивостью, о длительным похолоданием в начале вегетации. Вегетационный период 1992 г. характеризовался устойчиво жаркой погодой.■

В сосуд высевали по 15 сухих семян каждого сорта, после . полных всходов.оставляли по 10 растений каждого сорта.

При посеве вносили раствор комплексного удобрения крис-таллин В с процентным соотношением по массе Ы:Р:К 20:16:10. В/ соответствии со схемой опыта в каждый год эксперимента создавалось четыре уровня минерального питания: в 1991г. 0,5 (контроль), 2, 3,5, 5 доз удобрения, в 1992г. О (контроль), 1, 2,3 дозы удобрения. В качестве одинарной'дозы использовали в 1991 г. 1 г кристаллина на сосуд, в 1992 г. - 4 г крис-таллина на сосуд. В фитотронах из-за ограниченности площади не было варианта с максимальной дозой удобрения.

Уровни влажности почвы в соответствии со схемой опыта создавали после всходов и поддерживали на заданном уровне путем ежедневного полива по весу. В 1931 г. создавали три уров-

нл ЕС'ДсоСс-опёчешюсги: оптимальный - VOX Ш, засушливый - 3QX ПЕ ц прсые.лу точный - 50« БЕ, ь 1992 г. - два уровня водообес-пэчёшюсти: оптншльный - бСЙ ПВ и эасушиылй - 30% ПВ.

Ё кшдои варианте опыта было в 1391 г. по 3 сосуда в фитотрона" i: теплице и по 5 сосудов б вегетационном домике, в 1992 г. - по 3 сосуда в фитотронах и по 8 сосудов в вегетационной домике и теплице.

' В 1922 г. в течение вегетации в каждом варианте опыта измеряли сирую и сухую (после высушивания в сушильном шкафу при 105"С) биомассу растений в фазы кущения, выхода в трубку, флагового листа, цветения, определяемые по Куперыан(1984).

В течение вегетации в каждом варианте опыта учитывался расход поливкой воды на сосуд и рассчитывался расход воды на одно растение в сутки за каждый межфазный период.

Для.характеристики водного статуса растений определяли влажность биомассы и транспнрационный коэффициент общепринятыми метода.«.

о ростоеой активности судили по показателям абсолютного прироста биомассы за каздый межфазный период и интенсивности прироста биомассы в сутки, определяемым общепринятыми методами, а также относительной скорости роста биомассы, определяемой по методу Sallrn & Pitman (1983).

В фазе цветения определялась масса флаговых листьев и по методике Аникиева и Кутузова (1961) рассчитывалась площадь флаговшс листьев как произведение длины листа на ширину листа, умноженное на коэффициент 2/3/

•. В'1391 и 1992 гг. при окончательной уборке анализировалась структура урожая.

Па методике Удовенко (1SS2) определялась аттрагирувщая способность зерна главного колоса и источники аттракции. .Для этого у растений определяли сухую массу главного побега целиком и массу главного колоса, а также массу зерна и число зерен. Определения проводили в два срока: по окончании цветения и при созрев'анш зерна., По изменению массы этих органов рассчитывали коэффициент аттракции колоса, общую аттрагирущу» способность зерна о колоса и удельную атграгирукяцуи способность одной зерновки, а также долю в наливе зерна различных источников аттракции: фотосинтеза, реутилизации асоимилятов из стебля и реутйлиаации ассимилятов б

из незерновой частя колоса.

Стзгпстнческзя обработка результатов проведена на компьютере IBM PC/AT 386 по программе Paradox Statgraphics. Биологическая повторность 3-5.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. ВЛИЯНИЕ УРОЕНЯ. МИНЕРАЛЬНОГО ПИТАНИЯ ПРИ РАЗНЫХ П1ДРОТЕРШИЕСКИХ РЕЖИМАХ НА ЕОДНЫЗ СТАТУС РАСТЕНИЙ ПШЕНИЦЫ

При увеличении доз удобрений при всех гидротермических режшах наблюдается тенденция в период кущение-флаговый лист к уменьшению, а в' фазе цветения - к увеличению влажности биомассы растении пшеницы обоих сортов на 1-5«: Видимо, это связано о недостаточной развитостью корневой системы в начальной период вегетации для преодоления повышенного осмотического давления почвенного раствора, создающегося в вариантах с высокими дозами удобрений. После выколалшвания, когда растение достигает максимальных размеров, вероятно, умеренные• дозы удобрении активизируют биохимические процессы в растениях. Однако повышенные дозы удобрений действуют угнетающе, причем растению особенно сложно преодолеть как высокое осмотическое давление почвенного раствора, так и прямое токсическое действие на ткани высоких концентраций солей в условиях засухи и жары.

В фазе цветения ' разница между значениями влажности биомассы при разных гидротерышесклх режимах в удобренных вари-' антах проявляется сильнее, чем в вариантах без удобрения, видимо, вследствие активизации биохимических процессов под действием удобрений в благоприятных условиях (особенно в ХС терморежиме) и большей депрессии физиологических функции при увеличении доэ удобрений в неблагоприятных условиях жары и засухи (особенно у не приспособленного к засухе сорта Опекая) ....

Удобрения повышают эффективность использования воды растениями пшеннцы. Во всех гидротермических режимах внесение удобрений уменьшает потребление воды растениями пшеницы-обоих сортов на 2-13«, видимо, вследствие повышения осмотического

У

давления почвенного раствора и трашпирациошше коэффициенты на 10-50%(рнс. 1), видимо, вследствие активизации биохимических процессов при повышении уровня минерального питания и более экономного расходования еоды.

2. ВЛИЯНИЕ УРОВНЯ ШНЕРАЛЬНОГО ПИТАНИЯ ПРИ . РАЗНЫХ ГИДРОТЕРШЧЕСКИХ РЕШйХ НА КОМПОНЕНТЫ СТРУКТУРЫ УРОЖАЯ

Б ХС и КН терморежшш при оптимальной водообеспеченности и засухе, в 10 ц ЖН термарежимак при оптимальной всдообеспе-ченности в фазе созревания биомасса растений пшеницы обоих сортов в удобренных вариантах достовёрно в 1,5-2 раза больше, чем в варианте без удобрения, видимо, вследствие активизации биохимических процессов и возрастания интенсивности , ростовых процессов. Изменения величин биомасс растений пшеницы при внесении удобрений в жарких засушливых режимах статистически недостоверны, видимо, вследствие подавленности ростовых процессов в экстремальных гидратермшеских режимах. Разница между величинами биомасс в вариантах с равными дозами удобрений статистически недостоверна.

Аналогично изменению общей биомассы растения, при внесении .удобрений изменяются такие показатели продуктивности главного колоса, как масса колоса, масса верна с колоса и число зерен в колосе.

.. Внесение удобрений увеличивает массу колоса по сравнению с вариантом Сеэ удобрения в Ж и Ж терыорежимах при оптимальной водообеспеченностн и засухе, в ЖС и ЖН терморежимах при оптимальной всдообеспеченнасти, а в ЖС и ЖН терморежимах при . засухе - .уменьшает (в ХС, ХН, ЖН терыорежимах разница достоверна, в 1С - недостоверна).Растения пшеницы не приспособленного к засухе сорта Ошская в условиях стабильной жары и засухи практически не образуют колосьев.

Енесение удобрений достоверно увеличивает массу зерна с !юлоса (рис.г) и число зерен в колосе в ХС и ХН терморежимах при оптимальной водообеопеченнооти и засухе. В ЖС и ЖН терморежимах при оптимальной водообеопеченнооти наблюдается тенденция к увеличению массы зерна о колоса'и числа зерен в колосе при внесении удобрений. В ЖН терморежиме при засухе вне-8 '

Рис. {. ТранспирадионныЯ коэффициент растений пшеницы за период всхода - цветение (1992г.)

ШВЕДСКАЯ О III С К А Я i Сорт

Рис.Х. Масса зерна с главного колоса растений пшеницы (1992 г.)

сеиие' удобрений уменьшает массу зерна с колоса достоверно и число верен в колосе недостоверно по сравнению с вариантом без удобрения. В условиях ЖС терморелима и засухи удобрения практически не влияют на массу зерна с колоса и число зерен: зернз образуется мало, а растения' сорта Ошская в двух варианта;: вообще не образовали зерна.

Необходимо отметить, что степень изменения рассматриваемых показателей продуктивности при внесении удобрений в ХС терморежиме наибольшая, в ЖС - наименьшая, в ХН hJKH терморе-жшах носит промежуточный характер.

Достоверное увеличение массы 1000 зерен растениями пшеницы при внесении удобрений наблюдается только в наиболее благ гоприлгноы для каждого сорта гидротермическом режиме вегетации: ХС при оптимальной водообеспеченности для сорта Шведская и ЖН при оптимальной водообеспеченности для сорта Ошская.

Внесение удобрений практически не оказывает влияния на общее число колосков в колосе, однако озерненнооть колосков при внесении удобрений изменяется (не всегда достоверно) так же, как масса колоса, масса зерна с колоса и число зерен: увеличивается в холодных терморежшах при оптимальной и недостаточной вадообеспеченкаоги и жарких терморежимах при оптимальной водообеспеченности и уменьшается в жарких терморежима;; при засухе.

Б ЖС терморежиме растения сорта Ошская сильнее снижают массу колоса и зерновую продуктивность, чем растения сорта ' Шведская, в основном за счет уменьшения числа озерненных колосков и числа зерен в колосе. Однако степень изменения данных показателей продуктивности колоса при внесении удобрений у растений • сорта Шведская выражена сильнее, чем у растений сорта Ошская. _ .

2. ВЛИЯНИЕ ' УСЛОВИЙ ЕЕГЕТАЩШ ' НА АТТРАГИРУЩУЮ • .СПОСОБНОСТЬ КОЛОСА, ОБЩУЮ АТТРАГИРУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ ЗЕРНА В КОЛОСЕ 31 УДЕЛЬНУЮ АТТРАГИРУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ ЗЕРНОВКИ '

Е холодных терморежимах при достаточной, и недостаточной водообеспеченности и жарких при достаточной водообеспеченнос-jn внесение удобрений увеличивает аттрагируюшую способность ■колоса и зерна на 10-50°;, а в условиях жары и недостаточной 10

водообеспеченности - уменьшает.

Внесение удобрений увеличивает число зерен в колоое в колодных терморежимах, при достаточной и недостаточной водообеспеченностп и в жаркгас терморежиыах при достаточной водообеспеченностп. Видимо, это связано с понижением конкуренции между зерновками за ассимиляты и снижением на 10-ЗОЯ удельной аттрагирующей способности зерна в этих режимах при внесении удобрений. Однако в ЖН режиме при оптимальной водообеспеченностп, соответствующем биологичесгаш особенностям сорта Отекая, при внесении удобрений увеличивается не только общая аттрагпрующая способность зерна, но и удельная аттрагирующая способность зерновки. Поэтому увеличивается не только число зерен в колосе растений сорта Отекая, но и их крупность.

Вкла^ различных источников ассимилятов в налив 'зерна представлен на рисунке 3. ...

В ХС терморежиме при оптимальной и недостаточной водообеспеченностп у растений обоих сортов и в ЖС терморежиме при оптимальной водообеспеченности у растений сорта Ошская внесение удобрений не влияет на источник аосимилятов. Видима, данные гвдротермические режимы благоприятны для жизнедеятельности растений пшеницы, и зерно образуется'за счет аосимилятов, поступающих в процессе- фотосинтетической деятельности растения.

. В ЖС терморежиме при недостаточной водообеспеченности у растений обоих сортов внесение удобрений не влияет на источник ассимилятов. Видимо, данный гидротермический режим неблагоприятен для фэтосинтетической деятельности растения, и зер- . но образуется^ ва счет ассимилятов, реутшшэированных из стебля.

В ХН терморежиме при оптимальной и недостаточной водообеспеченности внесение удобрений повышает долю фотосинтеза в наливе зерна у растений сорта Шведская и понижает у растений сорта. Ошская. '.

При оптимальной водообеспеченности в НИ терморежиме у растений обоих сортов ив ЖС у растений сорта Шведская внесение удобрений повышает долю фотосинтеза в наливе зерна. В ЖН терморежиш при недостаточной водообеспеченности у растений обоих сортов 1 внесение удобрений понижает долю фотосинтеза в наливе зерна,

Доля различных источников ассимилятов, %

SSäegSSiSS г.;

О сх о CJ

а в ■с со

а §

i i

ta

о о

ä ä

•a tj

га п>

"3 3

s s

a ta

S s

cj о

P> и

i- а

s s

s s

s s

G) CJ

4) S

tD »

b<

Ja О Ь) ¡4

•a«

о H

о о s я ч п>

о р»

'S

CJ

¡a s £ 2

о ш

s: m

и

cd •tí X t»

ЛО ГО

3 Я

а з:

Внесение удобрений поЕышает долю фотосинтеза в источниках аттракции сильнее у растений сорта Ошская, чем у растений сорта Шведская.

ВЫВОДЫ

Проведенные эксперименты с растениями яровой пшеницы приспособленного к широкому диапазону условий вегетации сорта местная из Швеции и узкоприспособленного к условиям дары » орошения, отзывчивого на удобрения сорта Ошская позволяют сделать следующие выводы:

1. Действие учтенных факторов окружающей среды проявляется в онтогенезе пшенпцы с задержкой и неодновременно. Растения реагируют вначале на температурные условия вегетации, позднее - на условия водообеспеченности и еще позднее - на действие удобрений.

2. Внесение удобрений повышает эффективность использования воды растениями пшенпцы при всех сочетаниях термо- и гидрорежимов.

3. Еыявлено возрастание степени отзывчивости рартений пшеницы на повышение уровня минерального питания при оптимизации водообеспеченности.

4. Отзывчивость растений пшеницы на повышение уровня минерального питания возрастает в изученных холодных терморежимах .

Б. Условия терморежима влияют на показатели ростовой активности, продуктивности растений пшеницы и процессов аттракции: изученный холодный стабильный термореким повышает, а жаркий стабильный понижает названные показатели по сравнению с соответствующий'нестабильными терморежимами.

6. Изученные дозы удобрении повышаю? ростовую - активность, продуктивность растений пшеницы и процессы аттракции только по сравнению с вариантом без удобрений.

?. Внесение удобрений увеличивает продуктивность растений пшеницы в изученных холодных терморежимах при достаточной и недостаточной водообеспеченности и жарких терморежимах при достаточной водообеспеченности; в. жарких терморежимах при'недостаточной водообеспеченности внесение удобрений снижает продуктивность по сравнению с неудобренным вариантом.

8.' Повышение уровня минерального питания слаба влияет на число колосков в колосе и массу 1000 зерен.

9. В благоприятных для ростовых процессов гидротермических режимах у растений пшеницы сорта интенсивного типа (Ошс-кая) в большей степени увеличивается крупность зерна, а сорта

"экстенсивного типа (местная из Швеции) - число зерен в колосе. ■

10. Ухудшение условий вегетации повышает удельную аттра-гирующуга способность зерновки и долю реутилизации ранее образованных ассимилятов и снижает долю фотосинтеза в наливе .зерна.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Степанова A.A. Елиянив различных гидротермических режимов и уровней минерального питания на урожайность яровой пшешщы//Бюлл. ВИР.-1993.-Вып. 230.

2. Степанова A.A. Зависимость величин- транспирационных коэффициентов у растений пшеницы от уровней минерального питания и гидротермическпх режимов//Еюлл.ВИР.-1994.- Вып.233.

2. Драгавцев В.А., Удовенко Г.В., Преображенский М.Г., Никулин П.Л., Степанова A.A. - Характер взаимодействий генотип - среда при разных комплексах средовых факторов//Доклады РАСХН.-1994.-N 6.

4. Удовенко Г.В., Степанова A.A. Совместное влияние условий пищевого и гидротермических режимов на функциональную активность и продуктивность растений пшеница//Физиология растений (в печати).'