Поэтапное точное удобрение для количественной оценки накопления и распределения питательных веществ в системах двойного сезона батата.

Summary

Этот протокол описывает поэтапный метод точного удобрения, синхронизированный с физиологическими стадиями роста для оптимизации питательных веществ в системах двойного сезона батата. Он включает процедуры количественной оценки органоспецифического накопления питательных веществ, подбор нелинейных динамических моделей к траекториям поглощения и расчет видимого баланса питательных веществ для снижения экологических рисков.

Abstract

Двойное производство свежего батата часто испытывает несоответствие между питательными веществами и спросом на культуры, что приводит к неоптимальному урожаю и неэффективному использованию ресурсов. Традиционное удобрение часто зависит от базальных внесений, которые не удовлетворяют динамические потребности культуры в различных весенних и осенних метеорологических условиях. В этой статье представлен комплексный протокол поэтапной стратегии точного удобрения, синхронизирующего азот, фосфор и калия с критическими фенологическими узлами. Метод делит общие потребления питательных веществ на пять отдельных этапов внесения, соответствующих конкретным стадиям роста: установление саженцев, расширение лозы, инициация клубней, быстрое накопление и созревание. Протокол также описывает строгий режим деструктивного отбора проб для анализа распределения питательных веществ в целом растении. Используя логистические нелинейные регрессионные модели, исследователи могут количественно определить максимальную емкость накопления, продолжительность фазы быстрого усвоения и точки перегиба поглощения питательных веществ. Этот подход позволяет точно определить критические окна поглощения и оценить видимый баланс питательных веществ. Применение этого протокола способствует оптимизации режимов удобрений, улучшая как урожай корней, так и коммерческое качество, одновременно снижая риски, связанные с дефицитом или избытками питательных веществ в интенсивных системах двойного посева.

Introduction

Батат (Ipomoea batatas. L.) эволюционировал из натуральной культуры в высокоценный функциональный источник пищи и промышленное^{сырьё 1,2}. В интенсивных сельскохозяйственных регионах всё чаще внедряются системы двойного выращивания — когда две культуры ежегодно собираются с одной земли — для максимизации соотношений эквивалентов земли и экономической^{отдачи 3}. Однако устойчивость этих высокоинтенсивных систем часто подвергается неэффективным стратегиям управления питательными веществами, которые не учитывают временную изменчивость спроса на питательные вещества и сезонные климатические^{изменения 4,5}.

Основная проблема двойного сезонного выращивания заключается в различных метеорологических условиях весеннего и осеннего вегетационных^{периодов 6}. Весенние культуры развиваются при повышении температуры и продолжительности дня, тогда как осенние культуры сталкиваются с постепенным снижением тепловой энергии и солнечного^{излучения 7}. Эти различия в окружающей среде существенно влияют на фенологическую прогрессию, скорость накопления биомассы и эффективность переноса источника-поглотителя^{культуры 5,8}. Традиционные методы удобрений, которые обычно включают сильное базальное внесение компаундных удобрений с последующим нерегулярным верхним докормом, часто приводят к несоответствию спроса и предложения². Это несоответствие проявляется либо в роскошном потреблении в ранней вегетативной фазе, что приводит к чрезмерному росту лозы за счёт образования клубней, либо в скрытом голоде в поздней фазе набора мас, когда преждевременное старение ограничивает потенциал конечного^{урожая 2,9}.

Управление азотом (N) представляет собой особую проблему в производстве батата из-за его двойных^{физиологических эффектов 2}. Хотя чрезмерная доступность азота до начала клубней существенно подавляет развитие корней накопления, смещая расщепление в сторону листвы, а не в подземные органы^{хранения 10,11,12}. В то же время дефицит азота на поздних стадиях роста ускоряет старение листьев и сокращает эффективный фотосинтетический период. Недавние метаанализы показывают, что оптимизация норм внесения азота и сроки внесения азота является самым влиятельным фактором стабилизации урожайности в различных типах почв ^6,13.

Динамика фосфора (P) и калия (K) предъявляет одинаково сложные требования к управлению. Фосфор критически важен для инициации корневых примордиев и процессов передачи энергии, однако его часто чрезмерно применяют при базовом удобрении, что приводит к накоплению почвы и потенциальному экологическому^{стоку 1,14}. Калий, часто называемый качественным элементом для корнеплодов, необходим в значительных количествах во время фазы быстрого накопления корней для облегчения загрузки флоэмы и транспортировки сахарозы от листьев к органам погружения^15,16. Дефицит калия в этот критический период снижает не только общий урожай, но и коммерческую конкурентоспособность клубней, что приводит к плохой форме и снижению содержания^{крахмала 17,18}.

Для решения этих агрономических сложностей существует острая необходимость стандартизированной, количественно измеримой методологии, которая выходит за рамки эмпирических правил удобрений. Точное земледелие требует протоколов, связывающих конкретные управленческие действия с физиологическими реакциями. Недавние достижения в моделировании траекторий усвоения питательных веществ с использованием нелинейных логистических функций предоставили новые представления о временных тенденциях потребностей в питании^{сельскохозяйственных культур 19}. Адаптируя эти модели к полевых данным, исследователи могут математически определить начало и окончание фаз быстрого поглощения, тем самым определив точные окна, когда вмешательство удобрения даёт наивысшую предельную^{отдачу 20}.

В частности, в то время как традиционные сплит-приложения зависят от календарных дней, SPF определяет события оплодотворения на основе количественно измеримых физиологических точек перегиба. Извлекая параметры, такие как максимальная скорость накопления (_{R max}) и время перегиба (t₀) из логистических моделей, практики могут точно определить биологическое окно для вмешательства. Это минимизирует избыток питательных веществ и напрямую связывает временные стратегии применения с повышением коммерческого качества.

В этой статье представлен протокол поэтапного точного удобрения (SPF), разработанный для синхронизации доставки питательных веществ с физиологическим ритмом двойного сезона батата. В отличие от статического удобрения, SPF применяет динамическую стратегию распределения, которая распределяет питательные вещества на пяти ключевых этапах роста. Этот метод интегрирует строгие методы отбора проб и аналитических структур для количественной оценки органоспецифического распределения питательных веществ и траекторий накопления всего растения. Цель — обеспечить воспроизводимый, научно обоснованный рабочий процесс, позволяющий исследователям и опытным специалистам оптимизировать эффективность использования питательных веществ, повышать коммерческий урожай и поддерживать плодородие почвы в системах интенсивного^{выращивания культур 21,22}.

Традиционные модели удобрения часто оценивают содержание питательных веществ с помощью статических линейных предположений или фиксированных календарных дней, которые принципиально отличаются от нашего подхода. Такие традиционные методы не учитывают динамические, нелинейные биологические ритмы роста сельскохозяйственных культур и ограничения по эффективности использования^{питательных веществ 23} . В результате остаётся значительный пробел в исследованиях в точной синхронизации поставок питательных веществ с реальными, изменяющимися во времени физиологическими потребностями, особенно в системах с двумя сезонами, где весна и осень представляют совершенно разные метеорологические и развивающиеся^{трудности 24}. Наш протокол Stepwise Precision Fertilization (SPF) устраняет этот разрыв, интегрируя модель логистического роста для динамической оценки накопления питательных веществ. В отличие от статических методов, SPF использует количественные точки перегиба для отслеживания временных сдвигов уровней питательных веществ. Основываясь на этом методе, мы предлагаем важную рекомендацию: практики должны перейти от произвольных разбитых приложений к физиологически обусловленным вмешательствам, динамически корректируя вес питательных веществ в определённых фенологических узлах для оптимизации сезонного распределения и минимизации экологического^{излишка 25}.

В частности, в то время как традиционные разделённые приложения зависят от календарных дней, SPF определяет события удобрения на основе количественно измеримых физиологических точек перегиба. Извлекая параметры, такие как максимальная скорость накопления (_{R max}) и время перегина (t₀) из логистических моделей, практики могут точно определить биологическое окно для вмешательства. Это минимизирует избыток питательных веществ и напрямую связывает временные стратегии применения с улучшением коммерческого качества. Следуя этому протоколу, пользователи могут создавать высококачественные наборы данных, которые проясняют механистические связи между временем внесения удобрений, физиологическим состоянием растений и конечными агрономическими результатами.

Protocol

1. Подготовка и проектирование экспериментального участка

1. Выберите экспериментальный участок с ровной местностью, эффективным дренажем и однородным плодородием почвы, чтобы минимизировать пространственную гетерогенность.
2. Соберите составные образцы почвы с верхнего слоя шириной 0–20 см с помощью шнека Эдельмана. Возьмите образцы из пяти случайных точек на каждом участке участка и объедините их в один пластиковый пакет перед подготовкой земли к каждому сезону роста (весна и осень).
3. Сушите образцы почвы на воздухе при комнатной температуре, измельчайте их механически и пропускайте через 2-мм нержавеющий стальной решето для анализа базовых физико-химических свойств, включая pH, органические вещества, общий азот, доступный фосфор (Olsen-P) и доступный калий (NH4OAc-извлекаемый K).
4. Установить рандомизированный блок для эксперимента с минимум четырьмя репликами на обработку. Определить четыре метода обработки: традиционное удобрение (CON), поэтапное точное удобрение (SPF), азот-ориентированное (NF) и калий-усиленное (KB). Сохранять точно одинаковое распределение участков как весной, так и осенью, чтобы учесть возможные наследные эффекты.
5. Разграничить отдельные участки площадью примерно 25^{м 2} (плотность посадки 40 000 растений на гектар), обеспечивая включение буферных рядов (не менее 1 м шириной) между участками для предотвращения перекрёстного загрязнения удобрений и боковой миграции корней.
6. Исключите внешние два ряда каждого участка как границы, чтобы минимизировать пространственное смещение. Обозначите следующие 10 последовательных растений строго как Зону разрушительного отбора проб. Оставьте оставшееся центральное ядро участка (минимум 20 растений) полностью нетронутым как Зону сбора урожая, чтобы сезонный отбор проб не нарушал плотность популяции растений или целостность урожайности.

2. Расчёт и внедрение поэтапного удобрения

1. Определите общую сезонную целевую дозировку, рассчитав разницу между потребностью в питательных веществах для заранее определённого регионального целевого урожая и местным запасом питательных веществ в почве. Например, при целевом урожаи корней запасов в 35 т/га, абсолютные целевые значения, применяемые в этом исследовании: 150 кг·га^⁻1 для N, 75 кг·га^⁻1 для_{P 2}^O5 и 225 кг·га^⁻1 для K₂O.
2. Разделить общий объем питательных веществ на пять отдельных этапов применения (m = 5), соответствующих следующим фенологическим узлам: базальное внесение (при пересаживании); фаза расширения лозы (диагностируется при быстром удлинении межузлов и стабилизации выживания сеженцев); фаза инициации клубней (диагностируется при первом видимом набухании адвентивных корней в белые примордии); фаза быстрого набора (диагностируется при закрывании кроны ≥80% и при быстром утолщении первичных корней); поздней фазе нарастания/созревания (диагностируется при раннем физиологическом желтении базальных листьев).
3. Рассчитайте конкретную дозировку для каждого события применения с помощью формулы соотношения
   F_x,t = F_x × R_t (1)
   Где F_x — общее сезонное количество питательных веществ x, а R_t — пропорция распределения для^t-го события.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Для физиологического обоснования необходимо избегать раннего роскошного азота для предотвращения подавления туберизации, тогда как K необходимо поддерживать во время заполнения для поддержки транслокации крахмала. Точные рекомендуемые пропорции R t для SPF на пяти стадиях: базальные (N: 20%, P: 50%, K: 10%), расширение лозы (N: 20%, P: 20%, K: 10%), инициация клубней (N: 20%, P: 20%, K: 20%), быстрое наращивание (N: 30%, P: 10%, K: 40%) и созревание (N: 10%, P: 0%, K: 20%).
4. Взвесьте конкретное количество удобрений для каждого участка индивидуально с помощью точного электронного веса.
5. Внесите удобрение.
   1. Для подачи в борозду: Откройте неглубокую траншею (глубиной 10 см) вдоль гребня, равномерно распределите удобрение и сразу же накройте почвой.
   2. Для систем капельного удобрения: полностью растворите рассчитанное удобрение до максимальной концентрации 2 г/л, чтобы предотвратить засорение эмиттера. Введите раствор в стандартизированном объёме 150 л на участок. Запустите систему чистой водой в течение 15 минут до и после инъекции для промывки линий, избегая засоления и обеспечивая равномерное пространственное распределение.
6. Записывайте точную дату, метеорологические условия и состояние влажности почвы во время каждого внесения.

3. Разрушительное сэмплирование и разделение органов

1. Запланируйте восемь точек отбора проб за сезон, чтобы отразить полный этап роста: выживание саженцев, удлинение лозы, закрытие кроны, инициация клубней, раннее накопление, среднее накопление, позднее накопление и предуборка.
2. Используя стратифицированный случайный метод выборки, выберите три растения строго внутри 10-разрушительной зоны отбора проб, постоянно обходя пограничные ряды.
3. Аккуратно выкопайте всё растение, используя лопату, чтобы разрыхлить почву радиусом около 30 см, чтобы сохранить мелкую корневую систему и небольшие развивающиеся клубне.
4. Промыйте собранные растения водопроводной водой, чтобы удалить всю прилипшую почву и мусор.
5. Немедленно разделите растение на четыре чётко выраженные органные части: листья (включая лезвия), черешки, стебли (лозы) и корни хранения (клубни).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Отдельте мелковолокнистые корни от корней хранения, исходя из диаметра (>5 мм для корней хранения).
6. Немедленно взвесьте свежую массу каждой фракции органа, чтобы избежать потери влаги.
7. Нарежьте стебль и образцы клубней на маленькие (<1 см) кубики для равномерной сушки; оставьте листья и черешки нетронутыми, но отдельными.
8. Поместите каждый образец органа в бумажный пакет с этикеткой.

4. Определение сухого вещества и химический анализ

1. Поместите пакеты с образцами в духовку с принудительным давлением.
2. Деактивировать ферменты, нагревая при 105 °C в течение 30 минут.
3. Снизить температуру до 75 °C и высушить образцы до достижения постоянного веса (обычно 48–72 часа).
4. Взвесьте сухие образцы, чтобы определить накопление сухого вещества (DMA) для каждого органа.
5. Измельчите высохшие образцы на мельнице из нержавеющей стали и пропустите порошок через решето диаметром 0,25 мм.
6. Переварить 0,2 г порошковых образцов с помощью смеси 5:1 (v/v) концентрированной серной кислоты (H₂SO₄) и 30% перекиси водорода (H_2O2) при 350 °C для извлечения питательных веществ.
7. Анализировать общий азот с помощью метода Кьельдаля или автоматизированного элементного анализатора; общий фосфор с помощью ванадиево-молибдатного жёлтого колориметрического метода; общий калий с помощью фотометрии пламени.
8. Вычислите накопление питательных веществ ($NA$, кг·^га-1) по формуле:
   NA = (2)

5. Анализ данных и подгонка моделей

1. Рассчитайте индекс урожая (HI) и коэффициент разбиения корней для количественной оценки распределения биомассы в экономические органы.
2. Подстраивать данные о накоплении питательных веществ в целом растении и корнях хранения в уравнение логистического роста с помощью функции нелинейных наименьших квадратов ('nls') в программном обеспечении R:
   Y = (3)
   Где Y — накопление, A — максимальное теоретическое накопление, k — коэффициент скорости роста, а t₀ — время перегина.
3. Выведите вторичные параметры программно: длительность быстрой фазы (_{T rapid}) и максимальную скорость (_{R max}) по производным формулам:_{t 10} =_{t 0} – ; t₁₀ = t₀ + ; T_rapid = t₉₀ – t¹⁰; R_max = 
4. Вычислите видимый баланс питательных веществ (B) для каждого участка, где «Общее удаление урожая» определяется строго как общая масса питательных веществ, постоянно экспортируемая с поля через собранные коммерческие и некоммерческие корни хранения (исключая лианы, оставшиеся на поле):
   B = Общий вход – Общая вырубка посевов (4)
   ПРИМЕЧАНИЕ: «Полное удаление урожая» строго определяется как общая маса питательных веществ, постоянно экспортируемая с поля через коммерческие и некоммерческие корни хранения. Надземные побеги, оставшиеся в поле в виде остатков посевов, исключаются из расчёта удаления.
5. Проведите статистический анализ с использованием линейной модели смешанных эффектов (LMM) в R (например, пакет 'lme4') для учёта двух факторов (лечение × сезона) и повторяющихся измерений со временем (8 коллекций), определяя 'Лечение' и 'Сезон' как фиксированные эффекты, а 'График' — как случайный эффект.

Results

Базовые характеристики почвы и сезонные вариации

Таблица 1 показывает физико-химические свойства верхнего слоя почвы (0–20 см), определённые до пересадки как весной, так и осенний вегетационный периоды. Анализ показывает, что фундаментальные характеристики почвы, включая pH (поддерживаемый в слабо кислом диапазоне 6,38–6,42), содержание органического вещества и плотность объёма, оставались статистически стабильными между двумя...

Discussion

Внедрение протокола Stepwise Precision Fertilization (SPF) демонстрирует, что формирование высокой урожайности в системах двойного сезона батата во многом зависит от синхронизации доставки питательных веществ с физиологическим спросом^{культуры 26,27}. Результаты подтверждают, что ритм поставок так же критичен, как и общая доза. Используя пошаговый протокол, мы эффективно смягчили общий компромисс между растительным ростом и репроду...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Аналитическое сито (0,25 мм)	Ретч	AS200	Стандартизация размера частиц
Кальций суперфосфат	Sinofert Holding Co., Ltd. (Китай)	≥ 12% P2O5	Источник фосфора
Композиционные удобрения (N– P2O5– К<суб>2О)	Sinofert Holding Co., Ltd. (Китай)	Индивидуальная формулировка	Используется для поэтапного точного оплодотворения
Система пищеварения блока	Герхардт	Kjeldatherm	Кислотное расщепление растительного материала
Система капельного орошения и удобрения	Нетафим	Стандартная сельскохозяйственная система	Опциональное оплодотворение
Сушильная духовка (с принудительным воздухом)	Меммерт	UF110	Сушка образца на 75– 105 градусов; C
Электронный баланс	Меттлер Толедо	MS204S	Используется для точного взвешивания удобрений
Пламенный фотометр	Sherwood Scientific	Модель 420	Определение калия
Анализатор азота Кьельдаля	Фосс	Kjeltec 8400	Определение общего уровня азота
Бумажные сумки для образцов	Уотман	Класс 1	Сушка и хранение образцов растений
Сульфат калия	Sinofert Holding Co., Ltd. (Китай)	≥ 50% K2O	Источник калия для этапа набора массивов
Грунтовый шнек	Эйкелькамп	Шнек Эдельмана	Отбор проб почвы (0– глубина 20 см)
Лопаты и ручные инструменты	Местный сельскохозяйственный поставщик	—	Разрушительный отбор проб целых растений
Шлифовальная машина из нержавеющей стали	Ретч	ZM200	Измельчение образцов сушёных растений
Программное обеспечение для статистического анализа	Фонд R	R версия 4.3.0	Подгонка логистической модели и ANOVA
Материал для посадки батата (Ipomoea batatas L.)	Местный поставщик сертифицированных семян	—	Универсальный сорт, используемый для полевых экспериментов в двойной сезоне
Мочевина (N-удобрение)	Sinofert Holding Co., Ltd. (Китай)	≥ 46% N	Источник азота для расщепления
UV– Vis спектрофотометр	Симадзу	UV-1800	Фосфорный колориметрический анализ