Использование вегетационного опыта для совершенствования методических подходов при оценке сортовых различий накопления 137 Cs клубнями картофеля - Статья
Рассмотрение материалов сравнения методических подходов при оценке сортовых различий картофеля по накоплению клубнями 137Cs, основанных на результатах дисперсионного анализа. Сравнительный анализ характеристик сортов картофеля по накоплению 137Cs.
Аннотация к работе
В отдаленный после катастрофы на ЧАЭС период закрепление 137Cs в почве в недоступных для растений формах (до 90-95 % на дерново-подзолистых супесчаных почвах) сводит к минимуму переход данного радионуклида в растения. Эту проблему можно решить путем использования в работе метода вегетационных сосудов, в которые помещается почва по своим свойствам аналогичная почве с полевого опыта, но взятая с территории с высокой плотностью поверхностного загрязнения (40 Ки/км2 и более). Для количественной оценки поступления 137Cs из почвы в растения рассчитывался коэффициент пропорциональности (перехода) - Кп, как отношение удельной активности товарной продукции (при стандартной влажности) к плотности радиоактивного загрязнения почвы. На рисунке приведено среднее по почвам и годам содержание 137Cs в клубнях картофеля в условиях полевого опыта при плотности загрязнения почвы 10-12 Ки/км2; среднее значение по сортам составляло 18,1 Бк/кг. Кроме того, были сформированы блоки 2-го, 3-го и 4-го порядков соответственно для 7 двухфакторных (по факторам «сорт» и «почва»), 3 трехфакторных (по факторам «сорт», «почва», «год») и 1 четырехфакторной модели (по факторам «сорт», «почва», «год», «тип опыта») (табл.При анализе результатов исследований, проведенных по методикам вегетационного и полевого экспериментов, были сделаны определенные обобщения, направленные на совершенствование методических подходов, применяемых для оценки накопления 137Cs клубнями картофеля. При проведении экспериментов по определению сортовых различий по накоплению 137Cs клубнями картофеля для повышения точности и достоверности опыта планирование и проведение экспериментов следует осуществлять в строгом соответствии с общепринятыми методиками опытов с сельскохозяйственными культурами.
Введение
В настоящее время сельскохозяйственное производство в Республике Беларусь ведется на площади более 980 тыс. гектаров, загрязненных цезием-137 (далее - 137Cs) с плотностью 1,0 Ки/км2 и более.
На загрязненных радионуклидами землях, в числе прочих контрмер, выбор сортов является рекомендуемым мероприятием, направленным на снижение поступления радионуклидов в продукцию. При современном уровне развития селекции и семеноводства происходит очень быстрая ротация сортов картофеля. В соответствии с «Государственным Реестром сортов и древесно-кустарниковых пород» на 2013 г. в республике допущено к возделыванию 107 сортов. При возделывании картофеля на загрязненных 137Cs территориях существует потенциальный риск получения продукции, не отвечающей радиационно-гигиеническим нормативам, что может негативно повлиять на ее конкурентоспособность на внутренних и внешних рынках.
Влияние видовых и сортовых особенностей сельскохозяйственных культур на накопление их товарной частью радионуклидов является доказанным фактом. Особенности минерального питания растений, разная продолжительность вегетационного периода, различия в характере распределения и мощности корневой системы и другие биологические особенности растений определяют межсортовые различия в аккумуляции 137Cs при корневом пути его перехода, которые у картофеля могут достигать 5 и более раз [1]. В связи с этим при производстве продукции картофелеводства необходимо учитывать сортовые особенности культуры и применять дифференцированный подход при подборе сортов в условиях радиоактивного загрязнения.
В отдаленный после катастрофы на ЧАЭС период закрепление 137Cs в почве в недоступных для растений формах (до 90-95 % на дерново-подзолистых супесчаных почвах) сводит к минимуму переход данного радионуклида в растения. Зачастую даже на участках с высокой плотностью поверхностного загрязнения (до 20-30 Ки/км2) содержание 137Cs в выращенной продукции в 5-10 раз меньше санитарно-гигиенических нормативов. Учитывая стохастический характер радиоактивного распада и особенности измерения содержания 137Cs в продукции, объективная достоверная оценка данного показателя бывает затруднительной. Вместе с тем на торфяных почвах переходы 137Cs в продукцию растениеводства и соответственно содержание в ней радионуклида значительно выше. Однако удельный вес торфяных почв в структуре почвенного покрова гораздо меньше, чем минеральных, и возделывание пропашных культур на них возможно лишь в исключительных случаях.
Оценку сортовых особенностей сельскохозяйственных культур принято проводить в условиях полевого эксперимента. Данный способ дает достаточно объективную оценку сортов по комплексу количественных и качественных признаков.
Особенности накопления 137Cs в клубнях картофеля также являются сортовым признаком, детерминирующимся на морфофизиологическом уровне. Вместе с тем незначительное количество в почве доступных для растений форм 137Cs предопределяет низкое его содержание в клубнях и соответственно невозможность достоверно оценить межсортовые различия по величине коэффициентов перехода. Эту проблему можно решить путем использования в работе метода вегетационных сосудов, в которые помещается почва по своим свойствам аналогичная почве с полевого опыта, но взятая с территории с высокой плотностью поверхностного загрязнения (40 Ки/км2 и более).
Цель исследования - выявить возможности совершенствования методических подходов при оценке накопления 137Cs клубнями картофеля разных сортов путем сравнительного анализа достоверности результатов полевого и вегетационного опытов.
Анализ источников
Методика полевого опыта достаточно подробно изложена в трудах Б. А. Доспехова [2]. Предложенные им основные правила проведения экспериментов с сельскохозяйственными культурами, принципы статистической обработки результатов опытов широко используются в исследовательской практике. Метод вегетационных сосудов также нашел широкое применение. Разработаны методики выращивания в вегетационных сосудах зерновых, зернобобовых, а также пропашных культур [3].
Одним из требований к эксперименту является достоверность и точность полученных данных. Поэтому совершенствование методики его проведения должно быть направлено на увеличение достоверности и точности. Точность опыта определяется его способностью выявить действительные эффекты вариантов. Обычно чем точнее эксперимент, тем меньшее различие между вариантами он может установить. Чем больше расхождение между повторностями одного варианта, тем выше ошибка, связанная с оценкой разности между двумя средними, и тем менее точен опыт в отношении выявления эффектов вариантов [4, 5, 6, 7, 8].
Методы исследования
Методика исследований включала использование комплекса методов: полевого и вегетационного опытов, лабораторных и аналитических исследований.
Объект исследований - картофель (Solanum tuberosum L.) 10 сортов разных групп спелости (Дельфин, Лилея, Уладар, Бриз, Нептун, Дубрава, Скарб, Крыница, Журавинка, Ветразь); предмет исследований - методические подходы при оценке накопления 137Cs клубнями картофеля разных сортов.
Полевые и вегетационные эксперименты проводились в 2010-2012 гг. на территории Чериковского района Могилевской области и Брагинского района Гомельской области в соответствии с общепринятыми методиками в трехкратной повторности. Гранулометрический состав и агрохимические характеристики почв полевого и вегетационного опытов были сходные, за исключением содержания 137Cs. На полевых делянках его содержание составляло 1,0-1,5 КБК/кг, в вегетационных сосудах - 4,2-4,5 КБК/кг. Почва для набивки сосудов была взята на территории зоны отчуждения и отселения Славгородского и Костюковичского районов. Сортовой, репродукционный и фракционный состав высаживаемого картофеля в обоих случаях был аналогичным, что сводило к минимуму вероятность биологической разнородности и соответственно ошибку опыта, связанную с этим фактором. Взятие и подготовка почвы для почвенной культуры, набивка почвы в сосуды, уход за растениями проводились по общепринятой методике [3]. Повторность опыта трехкратная. Размер сосудов 30?30 см. Сосуды с вегетирующим картофелем располагались в условиях естественной освещенности и регулируемого увлажнения (вне помещения).
В целом эксперимент был представлен 16-ю экологическими средами, которые позволили его моделировать по схеме одно-, двух-, трех- и четырехфакторного опыта (табл. 1).
Таблица 1
Перечень сред эксперимента, использованных для анализа накопления 137Cs клубнями картофеля
8 Полевой Чериковский район Дерново-подзолистая легкосуглинистая 2010
9 Дерново-подзолистая рыхлосупесчаная 2010
10 Дерново-подзолистая легкосуглинистая 2011
11 Дерново-подзолистая рыхлосупесчаная 2011
12 Брагинский район Дерново-подзолистая связносупесчаная 2010
13 Торфяная 2010
14 Дерново-подзолистая связносупесчаная 2011
15 Торфяная (1) 2011
16 Торфяная (2) 2012
Лабораторные исследования. Удельная активность образцов картофеля и почвы по 137Cs определялась на гамма-бета спектрометре МКС-АТ1315. Для количественной оценки поступления 137Cs из почвы в растения рассчитывался коэффициент пропорциональности (перехода) - Кп, как отношение удельной активности товарной продукции (при стандартной влажности) к плотности радиоактивного загрязнения почвы.
Статистическая обработка. Полученные данные обрабатывались методами дисперсионного и корреляционного анализов с использованием стандартного программного обеспечения (Excel 7.0, Statistica 6.1).
Основная часть
Нормативно чистая продукция картофелеводства, полученная на загрязненных 137Cs землях, все-таки допускает определенное содержание радионуклида - до 80 Бк/кг (РДУ-99). Вместе с тем тенденции на отечественном и зарубежном рынках указывают на рост потребности в экологически чистой продукции, все чаще возникает спрос на продукцию, выращенную с применением методов биологического земледелия, исключающих содержание в продукции поллютантов любого происхождения. С учетом возможности подобного подхода целесообразно снижение содержания 137Cs в продукции не только до уровня РДУ-99, но даже ниже уровня РДУ-99. Резервом для этого является подбор сортов с низким накоплением 137Cs в клубнях. На рисунке приведено среднее по почвам и годам содержание 137Cs в клубнях картофеля в условиях полевого опыта при плотности загрязнения почвы 10-12 Ки/км2; среднее значение по сортам составляло 18,1 Бк/кг. В то же время содержание 137Cs в клубнях, выращенных в вегетационных сосудах, достигало 107,7 Бк/кг при среднесортовом значении 87,3 Бк/кг. Оба типа опыта отражают тенденцию усиления накопления 137Cs с увеличением срока созревания сорта. Менее всего накапливали 137Cs сорта Лилея и Уладар.
Рис. Содержание 137Cs в клубнях картофеля, выращенного в полевых условиях
Накопление 137Cs клубнями картофеля находится в зависимости от ряда факторов - это учитываемые факторы эксперимента, нерегулируемые случайные факторы, а также их взаимодействие. При проведении трехлетнего эксперимента в качестве регулируемых учитываемых факторов фигурировали сорт, почва, условия года, тип опыта. При помощи дисперсионного анализа сравнивалось их детерминирующее действие на накопление 137Cs клубнями, были установлены факторы, в наибольшей степени определяющие накопление и проявляющиеся в одно-, двух-, трех- и четырехфакторных экспериментах.
Для выполнения этой работы все полученные в течение 2010-2012 гг. данные по Кп были объединены в первичные рабочие блоки и затем группировались для формирования одно-, двух-, трех- и четырехфакторных моделей. Таким образом было сформировано 16 первичных блоков данных, которые позволили оценить 16 однофакторных моделей (по фактору «сорт»). Кроме того, были сформированы блоки 2-го, 3-го и 4-го порядков соответственно для 7 двухфакторных (по факторам «сорт» и «почва»), 3 трехфакторных (по факторам «сорт», «почва», «год») и 1 четырехфакторной модели (по факторам «сорт», «почва», «год», «тип опыта») (табл. 2).
Таблица 2
Формирование блоков данных для оценки влияния факторов на величину Кп в клубни картофеля
Каждый из 16 первичных блоков представляет собой совокупность значений Кп по 10 сортам в трехкратной повторности.
На основании однофакторного дисперсионного анализа была дана оценка влияния сортового фактора и достоверности различий между сортами картофеля в разных условиях проведенного эксперимента (табл. 3).
Таблица 3
Влияние фактора «сорт» на величину Кп при однофакторном эксперименте
Результаты однофакторного дисперсионного анализа сортовых различий картофеля по величине Кп указывают на их высокую достоверность во всех случаях. Принимая во внимание одинаковое число степеней свободы по каждому из рассматриваемых блоков, в качестве показателя достоверности различий между вариантами рассматривается критерий Фишера (F), значение которого в целом по вегетационному опыту было несколько выше, чем по полевому опыту. Отмечено, что во всех случаях уровень значимости р был меньше 0,05, что соответствует требованиям, предъявляемым общепринятыми методиками экспериментов с полевыми культурами. Доля дисперсии сортового фактора (%SS) в общей дисперсии составляет 81,3-99,4 %, что говорит о высокой степени детерминированности Кп этим фактором и незначительном влиянии повторностей эксперимента и случайных факторов.
Проведение экспериментов с полевыми культурами предполагает возможность учета влияния на изучаемый показатель не одного, а нескольких факторов, что дает возможность более объективной оценки изучаемых явлений. При рассмотрении сортового фактора в двух-, трехфакторном экспериментах отмечается ослабление его влияния на варьирование Кп (табл. 4, 5). Это связано с возникновением дополнительной факторной нагрузки и сопутствующим ей «перераспределением» дисперсий каждого из факторов.
Таблица 4
Влияние факторов «сорт» и «почва» на величину Кп при двухфакторном эксперименте
Номер блока Условия опыта Факторы и их взаимодействие SS %SS F p
Так, в вегетационном двухфакторном эксперименте доля фактора «сорт» в формировании общей изменчивости Кп составляла от 4,0 % до 19,5 %, в трехфакторном - 5,6 %, при этом влияние сортового фактора было достоверно во всех случаях (р<0,05). В полевом двух и трехфакторном опыте статистически доказанной достоверностью влияния сортового фактора характеризовался только эксперимент 2011 г. в условиях Чериковского района, где доля дисперсии данного фактора составляла 14,6 %.
Представленные данные характеризуют вегетационный эксперимент как более предпочтительную модель по сравнению с полевым опытом для вычленения и оценки влияния сортового фактора на накопление 137Cs клубнями картофеля. На предпочтительность вегетационного эксперимента указывает также доля дисперсии, приходящаяся на фактор «ошибка», представляющий собой совокупность случайных и неучтенных факторов. Так, в случае с опытом в вегетационных сосудах в двух и трехфакторных экспериментах случайными факторами детерминировалось 3,1-11,8 % изменчивости Кп, а при проведении полевого опыта - 23,8-65,7 %. Большая доля ошибки при проведении полевого опыта зачастую не позволяет проводить достоверную оценку учетных регулируемых факторов.
Четырехфакторная модель эксперимента дала возможность оценить влияние фактора «тип опыта», при помощи статистических показателей выразить различия между вегетационным и полевым опытами. Было установлено, что данный фактор с очень высокой степенью достоверности оказывает влияние на формирование величины Кп, доля его дисперсии составляет 15,5 % (табл. 6). Вместе с тем статистически доказанные значительные различия между вегетационным и полевым опытами по величине Кп не дают основания считать невозможным экстраполирование результатов вегетационного эксперимента на полевой опыт со сходными почвенными условиями, т. к. в рамках четырехфакторного эксперимента достоверные различия были доказаны и по почвенному, и по сортовому факторам (р<0,05).
Таблица 6
Влияние факторов «сорт», «почва», «год» и «тип опыта» на величину Кп при четырехфакторном эксперименте
Номер блока Условия опыта Факторы и их взаимодействие SS %SS F p
Полевой опыт в Чериковском районе 2010 суглинистая почва 2010 супесчаная почва 2011 суглинистая почва 2011 супесчаная почва
Анализируемый массив данных является блоком данных 4-го порядка. Объем выборки в нем был достаточным для выполнения расчета корреляционной зависимости между величинами Кп, полученными при проведении вегетационного эксперимента и величинами Кп, полученными при проведении полевого эксперимента, при условии общности остальных учитываемых факторов - сортового, почвенного и годового. Это дало возможность сравнить близость выборочных совокупностей величин Кп, полученных в вегетационном и полевом опытах для 10 сортов картофеля на 2 разновидностях почв (супесчаной и суглинистой) в 2010 и 2011 гг.
Рассчитанный коэффициент линейной корреляции указывает на достоверную сильную положительную связь между рассматриваемыми параметрами (rфакт. = 0,657 при rкрит.= 0,315 для 5 %-го уровня значимости), т. е. подтверждает близость тенденций сортового влияния на изменчивость показателей Кп в случаях использования методик вегетационного и полевого экспериментов.
Таким образом, в результате проведенного эксперимента была подтверждена гипотеза о предпочтительности использования методики вегетационного опыта, как более точного, информативного и достоверного инструмента для определения сортовых различий картофеля по переходу 137Cs в клубни из почвы. Было статистически доказано влияние на эти процессы сортового фактора и дана сравнительная характеристика данного фактора в ряду других.
Кроме того, эксперимент в вегетационных сосудах обеспечивает однородное воздействие на почву и растения изучаемых вариантов, контроль над внешними условиями, воздействующими на объект исследования. При проведении эксперимента все варианты должны быть поставлены при сравнении в одинаковые условия. В вегетационном эксперименте растения всех вариантов помещаются в тщательно перемешанный почвенный субстрат, характеризующийся однородностью гранулометрического состава, агрохимических показателей, влажностью и другими показателями, влияющими на величину Кп. В условиях полевого опыта всегда присутствует некоторая почвенная разнородность, изза которой различия между вариантами, обусловленные эффектом сорта, зачастую нивелируются. Вегетационный опыт дает возможность подбора почвенного субстрата с удовлетворяющими исследователя качествами. Почва разных вариантов в вегетационных сосудах различается по ряду характеристик. Определенные характеристики почвы с большой достоверностью выступают как отдельно учитываемый фактор опыта. Гораздо сложнее подобрать участки в полевых условиях, чем произвести набивку вегетационных сосудов почвой необходимого качества. В первую очередь речь идет о возможности проведения эксперимента на почвах со сравнительно высоким содержанием 137Cs, обуславливающим повышенное содержание 137Cs в клубнях и более четко выраженные переходы радионуклида. Помимо этого, опыт в вегетационных сосудах проводится на весьма компактной площадке и требует постоянного присутствия и контроля 1-2 человек в течение вегетационного сезона, тогда как проведение полевого эксперимента с картофелем требует значительных трудовых и материальных затрат, т. к. требует значительной площади делянок.
Вывод
При анализе результатов исследований, проведенных по методикам вегетационного и полевого экспериментов, были сделаны определенные обобщения, направленные на совершенствование методических подходов, применяемых для оценки накопления 137Cs клубнями картофеля.
При проведении экспериментов по определению сортовых различий по накоплению 137Cs клубнями картофеля для повышения точности и достоверности опыта планирование и проведение экспериментов следует осуществлять в строгом соответствии с общепринятыми методиками опытов с сельскохозяйственными культурами. При этом метод вегетационного опыта имеет ряд преимуществ перед методом полевого опыта.
Доказано, что при равном количестве повторностей достоверность результатов вегетационного эксперимента всегда выше, чем полевого. При проведении двух- и трехфакторных экспериментов достоверность влияния факторов в вегетационном опыте доказывается всегда, а полевом - только в некоторых случаях. Возможность экстраполирования результатов экспериментов в вегетационных сосудах на полевые условия достаточно оправдана, т. к. тенденции, выявленные в полевом опыте, четко и достоверно проявляются в рамках вегетационного опыта в виде закономерностей. Сорта, слабо накапливающие 137Cs в клубнях, подтверждают эту свою характеристику как при вегетационном, так и при полевом экспериментах в схожих почвенно-климатических условиях.
Таким образом, совершенствование методических подходов при оценке накопления 137Cs клубнями картофеля возможно при расширении применения методики вегетационного опыта совместно с полевыми исследованиями.
Список литературы
1. Агеец, В. Ю. Система радиоэкологических контрмер в агросфере Беларуси / В. Ю. Агеец. Минск: РНИУП «Институт радиологии», 2001. 250 с.
2. Доспехов, Б. А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований / Б. А. Доспехов. М.: Агропромиздат, 1985. 351 с.
3. Соколов, А. В. Вегетационный метод / А. В. Соколов //Агрохимические методы исследования почв; под ред. А. В. Соколова. М.: Наука, 1975. С. 585-604.
4. Корниенко, А. В. Методика полевого опыта в свекловодстве / А. В. Корниенко, А. Н. Нанаенко. М.: Всероссийский научно-исследовательский институт сахарной свеклы и сахара им. А. Л. Мазлумова (ВНИИСС), 2004. 104 с.
5. Смиряев, А. В. Биометрия в генетике и селекции растений / А. В. Смиряев, С. П. Мартынов, А. В. Кильчевский. М.: МСХА, 1992. 269 с.
6. Рокицкий, П. Ф. Биологическая статистика / П. Ф. Рокицкий. Минск: Вышэйшая школа, 1967. 328 с.
7. Никитенко Г. Ф. Опытное дело в полеводстве / Г. Ф.Никитенко. М.: Россельхозиздат, 1982. 190 с.
8. Основы научных исследований в агрономии: учебник / В. Ф. Моисейченко [и др.]. M.: Колос, 1996. 336 c.