Вегетационные опыты с песчаной и водной культурой

В опытах с песчаной культурой субстратом является песок, с водной – дистиллированная, бидистиллированная, иногда водопроводная вода. Песок и вода в отличие от почвы – бесплодные среды и их применяют, чтобы создать при изучении питания растений строго контролируемые условия.

С помощью песчаной культуры определяют, какие элементы необходимы растениям, какова роль каждого элемента, устанавливают их оптимальное соотношение, формы и дозы внесения, изучаются явления антагонизма и синергизма различных элементов и др. В опытах используют кварцевый или белый речной песок с частицами от 0,2 до 0,5 мм, отмытый от илистых частиц. Когда в опыте нужна особо чистая среда, песок 3–5 дней выдерживают в концентрированной соляной кислоте, после чего промывают сначала водопроводной, а затем дистиллированной водой до отрицательной реакции на хлор (с AgNO₃).

Для зерновых, трав, бобовых используют сосуды, вмещающие 4–8 кг песка, для корнеплодов и клубнеплодов – 10–20 кг. Техника закладки и проведения опытов с песчаной культурой такая же, как и с почвенной, с той только разницей, что в песчаную культуру питательные элементы вводят с питательной смесью.

Питательная смесь содержит все необходимые элементы питания в усвояемой форме (соли) и в количествах, достаточных для нормального роста и развития растений. Питательная смесь должна обеспечивать физиологическую уравновешенность раствора и оптимальную, желательно нейтральную, реакцию на протяжении вегетационного периода. Существует множество разнообразных по составу питательных смесей, отличающихся набором солей, реакций, концентрацией питательных элементов. Приведем некоторые универсальные питательные смеси для песчаных и водных культур (соли, отмеченные звездочкой, лучше растворять отдельно, так как они образуют осадок).

Смесь Гельригеля (г/л): Ca(NO₃)₂ безводный* – 0,492 или Ca(NО₃)₂ ∙ 4Н₂О – 0,708; FeCl₃∙6Н₂О – 0,025; КС1 – 0,075; КН₂РО₄* – 0,136; MgSO₄ безводный – 0,060 или MgSO₄∙7H2O – 0,123.

Смесь Кнопа (г/л): Ca(NO₃)₂ безводный* – 1,00 или Ca(NО₃)₂∙4Н₂О – 1,44; FeCl₃∙6H₂О (5%-ный раствор) – 1 капля; KH₂PO₄*– 0,25; КС1 – 0,12; MgSО₄ безводный – 0,25 или MgSО₄ ∙7H₂О – 0,51.

Смесь Гильтнера (г/л): KNO₃ – 0,0368; NaNO₃ – 0,0512; (NH₄)₂НРО₄ – 0,25; Fe₃(PО₄)₂∙4H₂О – 0,25; (NH₄)₂SO₄ – 0,064; MgSО₄∙7H₂О – 0,25; KC1 – 0,25; FeCl₃^- (3,5%-ный раствор) – 3 капли.

Смесь Прянишникова (г/л): NH₄NО₃ – 0,24; СаНРО₄ – 0,172; FeCl₃∙6Н₂О – 0,025; CaSО₄∙2H₂О – 0,344; MgSО₄ безводный – 0,060 или MgSО₄∙7H₂О – 0,123; КС1 – 0,160.

Смесь Белоусова для сахарной свеклы (г/л): Ca(NO₃)₂ –1,1; КН₂РО₄ – 0,36; К₂НРО₄ – 0,43; MgSO₄ безводный – 0,054; FeCl₃ – 0,010; NaCl – 0,1; Н₃ВО₃ – 0,005; MnSО₄∙5H₂О – 0,005.

Смесь Ягодина для гречихи (мг/л): NH₄NО₃ – 343; КН₂РО₄ – 263; K₂SО₄ – 166; Fe(SO₄)₃∙9H₂О – 40; MgSO₄∙7Н₂О – 716; Н₃ВО₃ – 2,86; CuSO₄∙5H₂О – 0,197; ZnSО₄ – 0,44; MgSO₄∙5H₂O – 2,63; CaSO₄∙7H₂O – 0,095; NaMoО₄∙2Н₂О – 0,77; СаСО₃ – 500,5; СаСО₃ (дополнительно через 20 дней) – 55,5.

Смеси Кнопа, Гельригеля составлялись главным образом эмпирически, Прянишникова, Белоусова, Ягодина – на основании теоретических предпосылок.

Главные отличия между питательными смесями состоят в выборе источников азота и фосфора, влияние которых на реакцию раствора должно быть уравновешено. Если в состав смеси входит аммонийная соль (физиологически кислая), то смесь со временем будет подкисляться, а если Ca(NO₃)₂ – подщелачиваться. Однозамещенные фосфаты (КН₂РО, NaH₂PO и др.) обладают буферным свойством против подщелачивания, а двухзамещенные [К₂НРО₄, Na₂HPO₄, СаНРО₄, а также Са₃(РО₄)₂] – против подкисления. Так, в смесь Гельригеля азот введен в форме Ca(NО₃)₂ – соли физиологически щелочной, а КН₂РО₄ служит буфером против подщелачивания.

Устойчивую реакцию среды сохраняют питательные смеси Прянишникова и Белоусова, включающие труднорастворимые соли. При использовании хорошо очищенной воды и питательных смесей, в состав которых первоначально не включены микроэлементы, в раствор добавляют микроэлементы. Растворы микроэлементов по Хоклэнду для универсальных питательных смесей готовят из 18 мл воды и следующих солей: Н₃ВО₃ – 11 г; МпС1₂∙5Н₂О – 7; CuSO₄∙5Н₂О, ZnSO₄, A1₂(SО₄)₃, NiSO₄∙6Н₂О – по 1 г; Co(NO₃)₂∙6Н₂О, ТiО₂ – по 1 г; LiCl, SnCl₂∙2Н₂О, Kj, KBr – по 0,5 г. Раствор микроэлементов добавляют по 1–1,5 мл к 1 л питательной смеси или песка.

В качестве водной культуры обычно используется дистиллированная вода и лишь в специальных опытах бидистиллированная. Вода по сравнению с песком более чистый субстрат, но опыты с водной культурой более трудоемки. Эту модификацию вегетационного опыта применяют при изучении периодичности питания растений (для определения оптимальных условий в разные периоды вегетации), особенностей развития корневых систем, влияния реакции и буферности питательной среды на развитие растений.

Опыты с водной культурой проводят в широкогорлых стеклянных или полиэтиленовых сосудах вместимостью 3–5 и более литров, закрытых пробками с отверстиями, в которых растения закрепляются с помощью ватных тампонов или других приспособлений. Крепится каркас, через него пропускают трубки для насыщения питательного раствора воздухом (рис. 15.10). Удобно закреплять растения в широких цилиндрах из пластмассы или других нержавеющих материалов с сетчатым дном, наполненных гравием или гранулированным полиэтиленом. Способы укрепления растений в водной культуре показаны на рис. 15.11. Сосуды наполняются водой на три четверти объема.

Рис. 15.10. Стеклянный вегетационный сосуд для водной культуры с трубкой и грушей для насыщения воды воздухом.

В опытах с водной культурой готовят питательные растворы высокой концентрации (в 100–200 раз выше, чем нормальной питательной смеси) и вносят их пипеткой или мерным цилиндром по схеме опыта. Семена проращивают в кюветах с песком, опилками, фильтровальной бумагой. Когда у растений образуются корни длиной 6–7 см, их закрепляют в крышке вегетационного сосуда. Во избежание перегрева сосудов и появления водорослей на сосуды надевают двойные чехлы (темные внутри и светлые снаружи).

Уход за растениями в опытах с водной культурой включает аэрацию питательного раствора. Резиновой грушей или воздуходувкой воздух продувают через воду один-два раза в сутки по 5–10 мин. Аэрация необязательна, если корни не полностью погружены в раствор (примерно на две трети). В соответствии со схемой опыта 3–4 раза за вегетацию питательные растворы меняют. 2–3 раза в неделю определяют реакцию питательного раствора и добавляют щелочные или кислотные растворы, чтобы значение рН находилось в нужных пределах. По мере испарения жидкости в сосуды доливают дистиллированную воду.

Рис. 15.11. Способ закрепления растений в водной среде:

1 – в момент посадки; 2 – после укоренения; 3 – кружок из парафинированного

дерева; 4 – питательная среда из фильтровальной бумаги.

Убирают и учитывают урожай в опытах с водной культурой так же, как с почвенной, но кроме основной и побочной продукции учитывается масса корней, анализируются части растений. Данные опыта статистически обрабатывают.

Метод изолированного питания, или разделенной культуры, используется при изучении значения разных солей в питании растений, передвижения элементов питания по корневой системе, выделения питательных элементов растениями, влияния внешних условий (температуры, реакции и др.) на питание растений, влияния взаимодействия двух или нескольких солей на усвоение элементов питания. В опытах с разделенной культурой растения одновременно выращивают на двух субстратах. Для этого один сосуд помещают в другой и заполняют их разными субстратами. Проростки растений закрепляют так, чтобы одна прядь корней растения получала питание из внешнего сосуда, другая – из внутреннего. Этот метод называют еще методом «всадника» – растение «сидит» на стенке внутреннего сосуда, как всадник на лошади (рис. 15.12). В опытах с изолированным питанием в качестве субстрата используются песчаные, песчано-почвенные, водные и другие культуры с нормальными или измененными питательными смесями.

Метод текущей песчаной культуры, или протекающих растворов (капельная культура по Демолону), применяется, когда для исследования надо иметь постоянную концентрацию элементов или постоянное соотношение элементов, а также стабильную реакцию среды. В опытах с текущей песчаной культурой питательный раствор из бутылей вместимостью 16–20 л, помещенных на верхней полке установки, с помощью сифона подается в промежуточный сосуд, откуда он под постоянным давлением через сифоны с кранами или зажимами поступает в сосуды с растениями на нижней полке установки (рис. 15.13). Раствор проходит через песок, омывает корни и вытекает из отверстия в нижней части сосуда. При набивке сосудов питательная смесь в песок не вносится. Питательные смеси (Кнопа, Гельригеля и др.) разбавляют в 5–10 раз и пропускают через сосуды с растениями со скоростью 4 л в день – такой скорости достаточно, чтобы полностью обновить раствор в сосудах и поддерживать на одном уровне состав и реакцию питательной среды.

В опытах со стерильной культурой изучаются роль микроорганизмов в питании растений, корневые выделения, питание растений органическими соединениями. Эта модификация вегетационного опыта очень сложна, так как в сосудах субстрат и корневая система должны быть стерильными. Надземная часть растений находится в обычных условиях (рис. 15.14). Стеклянную посуду и песок стерилизуют при температуре 150 °С в течение двух часов, для обработки семян и материалов, не выдерживающих нагрева, используют антисептики (спирт и др.). Опыты со стерильной культурой ставятся редко, поэтому на технике их проведения мы останавливаться не будем.

Рис. 15.14. Стерильная культура.