БИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ

БИОЛОГИЯ ЖИВОТНЫХ

ПЕЧАТНАЯ ВЕРСИЯ

ЭЛЕКТРОННАЯ ВЕРСИЯ

КАРТА САЙТА

НА ГЛАВНУЮ

Сельскохозяйственная биология, 2009, № 5, с. 108-113.

УДК 633.2:631.453:57.084

МЕТОДИКА ПОСТАНОВКИ МНОГОФАКТОРНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ДЛЯ ОБОСНОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ КУЛЬТУР НА ЗЕМЛЯХ, ЗАГРЯЗНЕННЫХ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ

В.Г. ГОЛОВАТЫЙ, В.Н. БУРАВЦЕВ, Е.А. КОТОВА

На примере райграса тетраплоидного описана методика постановки многофакторных экспериментов и анализа экспериментальных данных, позволяющая на основе численных операций с использованием регрессионных моделей подбирать дозы удобрений (NPK) для получения нормативно чистой продукции при выращивании сельскохозяйственных рас-тений на почвах, загрязненных комплексом тяжелых металлов (Zn, Cu, Pb).

Ключевые слова: сельскохозяйственные растения, загрязненные почвы, тяжелые металлы, многофакторный вегетационный эксперимент, численный анализ, «ридж-анализ».

 

Наши исследования, а также данные литературы (1, 2) свидетельствуют, что многие сельскохозяйственные культуры накапливают в тканях малые количества тяжелых металлов (ТМ) и проявляют достаточно высокую устойчивость к ним, вследствие чего могут использоваться для освоения загрязненных земель. Такие растения должны иметь высокую продуктивность, накапливать в продукции минимальное количество ТМ (независимо от содержания в почве) и быть отзывчивыми на агромелиоративные мероприятия.

Для обоснования отдельных аспектов технологии возделывания сельскохозяйственных растений на загрязненных почвах необходимо, в частности, исследовать влияние видов ТМ и их содержания в сочетании с дозами минеральных и органических удобрений, извести и т.п. на продуктивность и накопление ТМ в растениях. Синергизм или антагонизм при воздействии этих факторов на почву и растение может быть изучен, как показано нами ранее (3, 4), только в многофакторных экспериментах, разработка методики которых и послужила целью настоящей работы.

Описание методики. За методическую основу был взят так называемый планированный эксперимент, а в качестве планов опыта — планы второго порядка, рекомендованные лабораторией статистических методов Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова (5). Последовательность действий при постановке многофакторных опытов: проведение модельных или полевых экспериментов; расчет математических (регрессионных) моделей с использованием данных экспериментов; исследование поверхности отклика модели для определения глобального (в пределах радиуса опыта) оптимума и значений определяющих его факторов с использованием «ридж-анализа» (6); проведение численных экспериментов на моделях с целью оценки влияния изучаемых факторов на продуктивность растений и накопление ими ТМ.

В качестве примера приведем один из лабораторных вегетационных опытов, в котором факторами, влияющими на аккумуляцию ТМ в сухой массе у райграса тетраплоидного, служили разные фоны — по содержанию в почве ТМ (Zn, Cu и Pb) и дозам удобрений (N, P и K) (табл. 1). Для постановки 6-факторного эксперимента использовался квази-D-оптималь-ный план второго порядка (5). Растения выращивали в вегетационных сосудах, содержащих по 4 кг суглинистой подзолистой почвы (толщина слоя 20 см), отобранной на участке с заведомо минимальным фоновым загрязнением тяжелыми металлами. Перед набивкой сосудов в почву вносили минеральные удобрения и ТМ в соответствии с планом эксперимента. В качестве ТМ (Zn, Cu и Pb) использовали следующие химически чистые соли: Zn(CH₃COO)₂ • 2H₂O, CuSO₃ • 5H₂O и Pb(CH₃COO)₂. Все соли вносили в почву одновременно. Процентное содержание металлов рассчитывали на основании их атомных масс. Посев проводили через 1 нед после внесения ТМ в почву; после всходов в каждом сосуде оставляли по 20 растений. Влажность почвы поддерживали на уровне 0,7 ППВ. Эксперименты осуществляли при естественном освещении (фотопериоде), срезали растения по достижении ими фазы цветения.

Методика постановки подобного эксперимента подробно приведена нами ранее (3, 4, 7, 8).

Модели, отражающие влияние изучаемых факторов на накопление ТМ в растениях, описывались уравнениями регрессии второго порядка (9):

У₁ = 7,60 + 1,53Х₁ + 0,27Х₂ + 0,57Х₃ - 0,66Х₄ - 1,26Х₅ + 0,003Х₆ - 0,94Х₁² - 1,33Х₂² + 1,27Х₃² - 1,48Х₄² - 1,96Х₅² - 0,89Х₆² + 0,23Х₁Х₂- 0,03Х₁Х₃ - 0,27Х₁Х₄ - 0,72Х₁Х₅ - 0,44Х₁Х₆ - 0,91Х₂Х₃ + 0,42Х₁Х₄ + 0,06Х₂Х₅ - 0,18Х₂Х₆ - 0,55Х₃Х₄ - 0,52Х₃Х₅ - 0,17Х₃Х₆ + 0,17Х₄Х₅ + 0,10Х₄Х₆ + 0,27Х₅Х₆ [1],

У₂ = 0,84 + 25,0Х₁ - 12,0Х₂ - 0,89Х₃ + 124,0Х₄ + 2,0Х₅ - 2,0Х6 + 17,0Х₁² +

+ 132,0Х₂² - 174,0Х₃² - 43,0Х₄² + 32,0Х₅² + 12,0Х₆² - 54,0Х₁Х₂ + 8,0Х₁Х₃ + 17,0Х₁Х₄ + 40,0Х₁Х₅ + 133,0Х₁Х₆ + 67,0Х₂Х₃ - 23,0Х₂Х₄ - 8,0Х₂Х₅ + 11,0Х₂Х6 - 79,0Х₃Х₄ - 52,0Х₃Х₅ - 88,0Х₃Х₆ + 13,0Х₄Х₅ + 20,0Х₄Х₆ + 7,0Х₅Х₆ [2],

У₃ = 3,6 - 5,3Х₁ + 4,3Х₂ - 4,7Х₃ - 8,5Х₄ + 20,5Х₅ + 2,6Х₆ + 1,1Х₁² +

+ 6,9Х₂² + 10,8Х₃² - 29,4Х₄² + 7,4Х₅² + 18,9Х₆² + 6,0Х₁Х₂ + 3,3Х₁Х₃ - 8,3Х₁Х₄ + 5,4Х₁Х₅ + 3,8Х₁Х₆ + 3,8Х₂Х₃ - 3,5Х₂Х₄ + 1,6Х2Х₅ - 5,1Х₂Х₆ + 4,5Х₃Х₄ - 3,6Х₃Х₅ + 9,4Х₃Х₆ - 5,9Х₄Х₅ - 0,7Х₄Х₆ + 5,0Х₅Х₆ [3],

У4 = 0,85 + 0,94Х₁ + 0,11Х₂ - 0,34Х₃ - 0,63Х₄ + 0,03Х₅ + 1,79Х6 -

- 0,22Х₁² - 1,10Х₂² + 1,08Х₃² - 0,57Х₄² + 0,03Х₅² + 0,53Х₆² + 0,29Х₁Х₂ -

- 0,25Х₁Х₃ - 0,34Х₁Х₄ - 0,66Х₁Х₅ + 0,49Х₁Х₆ - 0,27Х₂Х₃ - 0,16Х₂Х₄ +

+ 0,11Х₂Х₅ + 0,26Х₂Х₆ + 0,48Х₃Х₄ + 0,09Х₃Х₅ - 0,15Х₃Х₆ + 0,31Х₄Х₅ -  0,70Х₄Х₆ - 0,17Х₅Х₆ [4],

где У₁ — сухая надземная масса, г/сосуд; У₂, У₃ и У₄ — содержание соответственно Zn, Cu и Pb, мг/кг сухой массы; Х₁, Х₂ и Х₃ — дозы удобрений (соответственно N, P и K); Х₄, Х₅ и Х₆ — содержание ТМ (соответственно Zn, Cu и Pb) (коэффициенты для моделей рассчитывали в относительных единицах — отн. ед.). Коэффициент множественной корреляции для У₁, У₂, У₃ и У₄ равен соответственно 0,98; 0,98; 0,88 и 0,93.

Результаты численного эксперимента на моделях (рис. 1) показали, что у растений райграса тетраплоидного накопление разных металлов в сухом веществе неодинаково и зависит от вида ТМ и его содержания в почве. Так, внесение N и P способствовало аккумуляции Zn, но снижению этого показателя для Cu и Pb. Действие калия описывалось параболической кривой, то есть до определенной дозы (-0,25 отн. ед.) в его присутствии содержание Zn в сухой надземной массе увеличивалось, далее — уменьшалось. В целом следует отметить значительное влияние вида и доз удобрений на содержание ТМ (см. рис. 1), что может послужить основой для разработки системы удобрений, позволяющей выращивать на загрязненных почвах нормативно чистую продукцию.

Ранее мы показали (3, 4, 8), что для каждой степени засоления или влажности субстрата можно подобрать сочетание доз N, P и K, обеспечивающих максимальную продуктивность культуры, однако в настоящем исследовании подобные расчеты усложняются вследствие необходимости соблюдать санитарные нормы по содержанию ТМ в продукции. Задача, на наш взгляд, может быть решена с  использованием как модели продуктивности растений [1], так и моделей, отражающих зависимость накопления того или иного вида ТМ от изучаемых факторов, — [2], [3] и [4].

	Рис. 1. Взаимовлияние доз N, P, K, Zn, Cu и Pb (изучаемые факторы) на содержание цинка (А), меди (Б) и свинца (В) в сухой надземной массе растений райграса тетраплоидного в 6-фак-торном эксперименте: 1, 2, 3, 4, 5 и 6 — соответственно  N, P, K, Zn, Cu и Pb.

В основу расчетов была положена первая из перечисленных моделей (оценка накопления сухого вещества надземными органами) (рис. 2).

Численные эксперименты проводили следующим образом. В уравнение [1] последовательно подставляли разные значения содержания ТМ в почве, в результате чего 6-факторная модель превращалась в 3-факторную, где управляющими факторами оставались дозы N, P и K. Это позволяло исследовать поверхность отклика моделей с помощью «ридж-анализа» и выявить сочетания и дозы элементов минерального питания, обеспечивающие наибольшую продуктивность сухой надземной массы при разной степени загрязнения почвы ТМ. Более подробно методика подобных исследований также описана ранее (3, 6). Определенные таким образом величины X1, X2 и X3 далее подставляли в уравнения [2], [3] и [4] для определения содержания каждого из ТМ в сухой надземной массе.

1. Результаты оценки продуктивности и накопления тяжелых металлов (ТМ) у растений райграса тетраплоидного в зависимости от фонов минерального питания и загрязнения ТМ (6-факторный вегетационный эксперимент)
¹ п/п	Исследуемый фактор, отн. ед.						Надземная масса
							г/сосуд	содержание ТМ, мг/кг
	N	P	K	Zn	Cu	Pb		Zn	Cu	Pb
1	-1	-1	-1	1	1	0	0,34	590	18	1
2	-1	1	-1	-1	1	1	1,22	20	33	4
3	-1	-1	1	1	1	1	0,22	1449	52	3
4	1	0	-1	-1	-1	1	6,61	18	3	11
5	1	-1	-1	-1	1	-1	0,42	18	55	0
6	1	1	1	-1	1	1	0,86	20	109	5
7	-1	1	1	-1	-1	1	1,90	8	0	2
8	1	1	-1	1	1	-1	4,45	202	11	0
9	-1	-1	1	1	-1	-1	2,00	290	0	0
10	1	-1	-1	1	1	1	0,11	1034	16	2
11	1	-1	-1	1	0	-1	0,64	307	9	0
12	0	1	1	1	1	-1	0,07	98	7	0
13	1	-1	1	1	1	0	0,05	79	4	1
14	-1	1	0	1	1	1	0,12	303	11	1
15	1	1	0	-1	-1	-1	6,49	20	2	0
16	0	1	-1	1	-1	-1	5,33	161	0	0
17	0	-1	1	-1	-1	-1	7,52	10	0	0
18	1	1	1	1	-1	-1	5,84	71	0	0
19	0	-1	-1	1	1	-1	0,78	460	11	0
20	-1	0	-1	1	-1	1	1,51	174	0	1
21	-1	0	1	-1	1	-1	1,68	14	5	0
22	-1	0	-1	-1	-1	-1	1,38	11	0	0
23	1	1	1	1	0	1	4,63	212	11	3
24	-1	-1	0	-1	-1	1	1,24	12	0	2
25	1	-1	1	0	1	-1	5,19	121	12	0
26	1	-1	-1	0	-1	-1	6,41	97	1	0
27	1	-1	1	1	0	1	5,81	192	4	3
28	0	0	0	0	0	0	7,51	72	3	1
29	1	-1	1	-1	0	1	8,28	13	6	4
30	1	-1	1	0	-1	1	7,58	98	0	4
31	1	1	-1	0	-1	1	6,14	187	2	6
32	1	1	1	-1	0	-1	8,29	12	6	0
33	-1	1	1	-1	1	0	1,65	11	4	1
34	-1	1	-1	0	1	-1	0,82	131	5	0
35	-1	-1	-1	0	1	1	1,53	91	3	1
П р и м е ч а н и е. Порядковыми номерами обозначены варианты опыта. Кодировка факторов: для N, P, K, Zn, Cu и Pb -1 отн. ед. — соответственно 0 мг/кг почвы; 0 отн. ед. — соответственно 175, 90, 225, 350, 250 и 150 мг/кг почвы; 1 отн. ед. — соответственно 350, 180, 450, 700, 500 и 300 мг/кг почвы; шаг варьирования — соответственно 175, 90, 225, 350, 250 и 150 мг/кг почвы.

Результаты численных экспериментов (табл. 2) показали, что при степени загрязнения почвы ТМ до среднего уровня (0 отн. ед., или для Zn — 350, Cu — 250 и Pb — 150 мг/кг) (см. табл. 1, вариант № 8), подбирая фон NPK, удается поддерживать в надземной массе растений содержание ТМ ниже санитарной нормы (для Zn, Cu и Pb — соответственно 50, 30 и 5 мг/кг сухой массы) (10) при достаточно высокой продуктивности растений. Близкие результаты по содержанию ТМ в сухой массе были получены в вегетационном эксперименте (см. табл. 1, вариант № 28). При повышении степени загрязнения почвы, очевидно, понадобятся другие мелиоративные методы (известкование, внесение органических удобрений, глинование и т.п.) (2, 11).

Следует отметить, что описанная методика может также применяться для управления другими качественными показателями растениеводческой продукции (содержанием сахаров, масел, эфиромасличных компонентов, протеина и т.п.) с использованием элементов агротехники (орошение, температура воздуха и грунта, освещенность в случае защищенного грунта и т.п.) как управляемыми факторами. Ранее нами было показано, что для максимального роста и развития каждого органа растений требуется свое сочетание управляемых факторов (3, 4, 7), в связи с чем возможна разработка системы управляемых факторов для планирования качественных показателей по отдельным органам — корнеплодам, стеблям, листьям, клубням, корневищам и т.п. (7, 8). Однако для этого необходимо иметь модели зависимости продуктивности растений и качества урожая от управляемых факторов.

Рис. 2. Схема последовательности численных операций по подбору соотношений доз N, P и K для выращивания нормативно чистой растениеводческой продукции на почвах, загрязненных различными тяжелыми металлами (ТМ).

Таким образом, использование метода планирования многофакторного эксперимента дает возможность устанавливать взаимосвязи в виде уравнений регрессии второго порядка между вносимыми дозами минеральных удобрений и содержанием тяжелых металлов в почве, с одной стороны, и накоплением сухой массы надземными органами и содержанием в ней тяжелых металлов (ТМ) — с другой. Представленная в качестве примера методика подбора доз удобрений позволяет на основе численных экспериментов с использованием регрессионных моделей обосновать технологии возделывания сельскохозяйственных культур, обеспечивающие получение нормативно чистой растениеводческой продукции при разной степени загрязнения и сочетаниях ТМ в почве. Методика может быть применена для планирования качественных показателей для разных органов растений.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Б у р а в ц е в  В.Н.,  Г о л о в а т ы й  В.Г.,  И л ь и н с к и й  А.В. и др. Подбор растений для фиторемедиации почв, загрязненных тяжелыми металлами. Мат. Межд. конф. «Наукоемкие технологии в мелиорации». М., 2005: 282-286.
2. М а ж а й с к и й  Ю.А.,  Т о б р а т о в  С.А.,  Д у б е н о к  Н.Н. и др. Агроэкология техногенно загрязненных ландшафтов. Смоленск, 2003.
3. Х у д я к о в а  Х.К.,  Г о л о в а т ы й  В.Г. Определение потребности райграса однолетнего в элементах минерального питания и влажности субстрата. Агрохимия, 1977, 7: 122-128.
4. Г о л о в а т ы й  В.Г.,  Ш а м с у т д и н о в  Н.З.,  Х у д я к о в а  Х.К. и др. Влияние доз минеральных удобрений, водобеспеченности и засоления на продуктивность галофита сведа высокая. Агрохимия, 2005, 6: 59-65.
5. Г о л и к о в а  Т.И.,  П а н ч е н к о  Л.А.,  Ф р и д м а н  М.Э. Каталог планов второго порядка. М., 1974, т. 1, вып. 47.
6. D r a p e r  N.N. «Ridge Analysis» of response surfaces. Technometrics, 1963, 5(4): 469-479.
7. К а л и м у л и н а  Х.К.,  Г о л о в а т ы й  А.Г.,  Г о л о в а т ы й  В.Г. Изменение в содержании сахаров и аминокислот в еже сборной в зависимости от температуры воздуха, влажности почвы и уровня удобрений. Физиол. и биохим. культ. раст., 1976, 8(В2): 209-214.
8. П е т и н о в  Н.С.,  И в а н о в  В.П.,  Г о л о в а т ы й  В.Г. и др. Динамика накопления сухого вещества и пластических соединений в растениях ячменя в зависимости от влажности почвы и уровня минерального питания. Физиол. раст., 1977, 24(В3): 593-600.
9. Н а л и м о в  В.В.,  Ч е р н о в а  Н.А. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. М., 1965.
10. Санитарные правила и нормы СанПиН 2.1.7.573-96 «Гигиенические требования к использованию сточных вод и их осадков для орошения и удобрения» (утв. постановлением Госкомсанэпиднадзора РФ от 31 октября 1996 г. № 46).
11. Н е б о л ь с и н  А.Н.,  Н е б о л ь с и н а 3.П.,  А л е к с е е в  Ю.В. и др. Известкование почв, загрязненных тяжелыми металлами. Агрохимия, 2004, 3: 48-54.

 

METHOD OF POLYFACTORIAL EXPERIMENTS FOR SUBSTANTIATION OF TECHNOLOGY OF CULTIVATING OF AGRICULTURED CROPS ON SOIL CONTAMINATED BY HEAVY METALS

V.G. Golovatyi, V.N. Buravtsev, E.A. Kotova

By the example tetraploid ryegrass the method was described of polyfactorial experiments and analysis of experimental data, permitted on the basis of numeral operations with the use of regression models to select the doses of fertilizations (NPK) for obtaining of standard pure production on the soils contaminated by the complex of heavy metals (Zn, Cu, Pb).

Key words: agricultural plants, polluted soil, heavy metals, complex vegetation experiment, numerical analysis, ridge analysis.

 

ГНУ Всероссийский НИИ гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова Россельхозакадемии, 127550 г. Москва, ул. Большая Академическая, 44, e-mail: buravtsev@vniigim.ru

Поступила в редакцию 24 июля 2007 года

 

Оформление электронного оттиска

От эксперимента — к практике Всероссийский НИИ селекции и семеноводсва овощных культур Всероссийский селекционно-технологический институт садоводства и питомниководства Всероссийский НИИ cельскохозяйственной биотехнологии РАСХН Биотехнический научно-экспериментальный комплекс "ГосНИИсинтезбелок"