За матеріалами статті на тему «Вплив кліматичних змінних на вміст вуглецю в корені цукрового буряка» («Impact of climatic variables on carbon content in sugar beet root») міжнародного наукового журналу «Агрономія» («Agronomy»), 2018, 8, 147.

Було посіяно два комерційних сорти цукрових буряків: один із високим вмістом цукру, інший з високою врожайністю. Перший тип був представлений сортами Dulzata Hilleshög-Syngenta (Ландскрона, Швеція) у 2011 році та Amalia KWS (Ейнбек, Німеччина) у 2012 році, другим типом став сорт Sandrina KWS (Ейнбек, Німеччина) для обох років досліджень. Середня густота стояння становила 125 тис. рослин · га^-1 на всіх ділянках (враховуючи ширину міжрядь при посіві 13,7 см та проростання 86% насіння). Гербіциди застосовувалися відповідно до рекомендацій AIMCRA, а пестициди — у разі необхідності. Однак у 2011 році на досліджуваній ділянці (M) в Мосгаз де Посеред було виявлено пошкодження посівів нематодою. У 2011 році експериментальні обробки проводили на трьох ділянках із двома рівнями внесення добрив (N, що є оптимальним рекомендованим рівнем для кожної ділянки (зазначений у Таблиці 4), та 2 × N (вдвічі більше рекомендованої дози) для підтвердження необхідності дотримання норм застосування, визначених AIMCRA) для двох вищезгаданих сортів буряків. У 2012 році було визначено вплив лише місця розташування (чотирьох різних ділянок) та сорту буряка (два сорти), а коефіцієнт внесення добрив не враховувався (у попередньому році було підтверджено, що він не впливає на вміст вуглецю в корені). У 2011 році експерименти були організовані за схемою розщеплених ділянок, у трьох випадкових блоках із 12 ділянок, з азотом як основним фактором та трьома копіями. У 2012 році дослідження проводилося в повністю рандомізованому блоковому дизайні з двома копіями (8 ділянок). В обидва роки досліджень площа кожної ділянки становила 9,75 м² і складалася з 3 рядів (6,5 × 1,5 м), із яких збиралися буряки лише центрального ряду. Для уникнення можливих інтерференцій було встановлено 2-метровий проміжок між ділянками-копіями. Збирання проводилося вручну та починалося в той же день, коли місцеві фермери виводили свою збиральну техніку в поля.

Аналізи

Зібрані коренеплоди розділялися на листя, крони (частина кореневої системи, яка стирчить із землі та з якої виростають стебла, яка становить 3-10% кореня) та коренеплоди в лабораторних умовах, де їх окремо промивали, зважували та визначали свіжу біомасу. Потім їх нарізали і висушували при 105°С до досягнення постійної маси для визначення вмісту сухої речовини. Після цього висушені зразки подрібнювалися та гомогенізувалися, одержану суміш пропускали через вібраційний гранулятор із використанням 1 мм сита.

Для визначення вмісту вуглецю та азоту зразки аналізували за допомогою LECO CHN – 2000 (LECO Corp., Сент-Джозеф, Мічиган, США). Поряд із калібрувальними зразками етилендіамінтераоцтової кислоти (EDTA), зразки сухої речовини (від 100 до 150 мг) обгорталися олов'яною фольгою і завантажувалися в аналізатор, де вони плавилися в резистивній печі (при температурі 950°C) з використанням чистого кисню. Продукти згоряння палива використовувалися для визначення азоту через осередок теплопровідності. Вуглець виявлявся за допомогою інфрачервоного випромінювання. Вуглець та азот вимірювалися одночасно з загальним часом аналізу 4 хв. Кінцеві результати повідомлялися у масових відсотках.

Тридцять п’ять змінних параметрів визначалися зі свіжої біомаси (6 змінних), сухої біомаси (10 змінних), вмісту вуглецю (10 змінних) та вмісту азоту під час збирання (9 змінних) (див. Таблицю 5). Таким чином, було отримано вимірювання відносно свіжої та сухої біомаси різних органів рослин (листя, крони та кореня). Із цих первинних змінних було обчислено відсоток сухої речовини в кожному з органів. Результат цих відсотків та концентрації вуглецю та азоту, отримані в аналізаторі LECO CHN – 2000 (LECO Corp., Сент-Джозеф, Мічиган, США), призвів до загальної кількості цих елементів у кожному органі, у цілій рослині та на гектар, але за умови, що також була відома кількість рослин на одиницю площі. Таким чином можна було визначити загальний поглинений азот або СО₂. Крім того, було також розраховано співвідношення вмісту вуглецю в корені до вмісту азоту в листі (CNR) разом із співвідношенням свіжої маси кореня та листя (RTLR). Кількість поглинутого СО₂ визначалася шляхом множення сухої речовини, вмісту вуглецю та коефіцієнта перетворення вуглецю до СО₂ (співвідношення між молекулярною масою СО₂ та атомною масою вуглецю: 44/12).

Таблиця 5. Змінні параметри, отримані від свіжої та сухої біомаси, концентрації вуглецю та азоту в листі, кронах та коренях

Статистика

Статистичний аналіз даних проводився за допомогою STATISTICA 8.0 (StatSoft Inc., Пало Алто, Каліфорнія, США) для дисперсійного аналізу (ANOVA) та подальших тестів на однорідність дисперсій, нормальний розподіл та незалежність. Рівні значущості позначалися наступним чином: * (p < 0,05), ** (p < 0,01) та *** (p < 0,001). критерій Тьюки (HSD) було обрано в якості ретроспективного аналізу для порівняння парних відмінностей між середніми значеннями.

На додаток до цього також було застосовано Метод головних компонент (PCA) та багатоваріантні методи кластерного аналізу (CA) з використанням IBM SPSS Statistics 21 (IBM Corp., North Castle, NY, США). PCA використовувався для визначення шаблонів у наборі даних шляхом зменшення спостережуваних змінних на меншу кількість основних компонентів (штучних змінних), які припадали на більшість дисперсій у спостережуваних змінних параметрах. Для всіх аналізів було використано ортогональне обертання Varimax. Тест на сферичність Барлетта (р < 0,050) та критерій адекватності вибірки Кайзера-Мейера-Олкіна (КМО > 0,50) були успішно використані для проведених аналізів. Отримані нові змінні (компоненти) становили більше 68% від накопиченої дисперсії у всіх випадках. Серед усіх PCA, проведених із використанням різних комбінацій змінних, було обрано лише ті, які призвели до двох компонентів і які відповідали критеріям Барлетта, КМО та дисперсії. Отримані компоненти було інтерпретовано з урахуванням лише тих змінних з навантаженнями, що перевищують 0,5 (абсолютне значення).

Двовимірні графіки були побудовані для того, щоб показати чіткішу інтерпретацію кореляції чи впливу змінних параметрів. Відстань змінної від центру (0,0) вказує на її вплив, який збільшується для віддалених позицій. Кореляція між змінними задається кутом до центру, при цьому гострий кут вказує на позитивну кореляцію, а тупий кут — негативну кореляцію.

Багатоваріантні методи кластерного аналізу (CA) використовувалися для природного розділення даних (ряд параметрів), оскільки вони надають вагомі докази статистично значущих відмінностей між наборами даних. У даному дослідженні CА проводилися за допомогою двоетапного кластерного аналізу. Були побудовані 3D-дисперсійні графіки набору даних, в яких осями були нові змінні, обчислені після PCA, а колір ділянки визначався змінною членства кластера, створеною в процесі аналізу СА.

Результати

Для того, щоб провести ретельний аналіз впливу місця розташування, сорту буряків, типу підживлення та конкретних умов кожного року вирощування на вміст вуглецю в цукрових буряках та інших досліджених змінних, спочатку було проведено аналіз ANOVA, потім — PCA, щоб визначити фактори навколишнього середовища, які найбільше вплинули на рослини на кожній ділянці та в кожному році вирощування.

Змінні параметри рослин під час збирання

Результати аналізу ANOVA для 11 відібраних змінних, підсумовані в Таблицях 6 та 7 для кожного досліджуваного фактору (місце розташування, сорт та внесення добрив) обох років вирощування: (І) свіжа біомаса та врожайність (PWF, урожайність , LWF та RTLR); (ІІ) вміст вуглецю в корені, суха біомаса та СО₂ (RC, RDM, PDM і TCO₂) та (ІІІ) вміст азоту в листі, загальне поглинання азоту та відношення вуглецю до азоту (LN, TN та CNR). Факторіали «ділянка × добрива» (1-й рік вирощування) та «ділянка × сорт» (2-й рік вирощування) показали статистичну значимість (Таблиця 6). Факторіали «ділянка × сорт» (1-й рік вирощування) не виявили статистичної значущості, а «сорт × добрива» (1-й рік вирощування) — лише для змінної RDM (вміст сухої речовини в корені) (p < 0,05).

Таблиця 6. Аналіз ANOVA для даних за перший рік вирощування (2011 рік). Рівні значущості позначаються як * (p < 0,05), ** (p < 0,01) та *** (p < 0,001). S × F — спільний вплив ділянки та добрив. Цифри, виділені жирним шрифтом, вказують на основний внесок у значущість, згідно з парним порівнянням середніх значень з використанням ретроспективного аналізу з HSD-критерієм Тьюки. Стандартні похибки відображаються в дужках.

PFW — свіжа біомаса рослин; Врожайність — свіжа біомаса коренів на га; LFW — свіжа біомаса листя; RTLR — співвідношення кореня до листя; RC — вміст вуглецю в корені; LN — вміст азоту в листі; CNR — співвідношення вуглецю до азоту; PDW — суха біомаса рослини; RDM — вміст сухої речовини в корені; TN — загальна кількість поглинутого азот на га; TCO₂, CO₂ на га.

Таблиця 7. Аналіз ANOVA для даних за другий рік вирощування (2012 рік). Рівні значущості позначаються як * (p < 0,05), ** (p < 0,01) та *** (p < 0,001). S × V — спільний вплив ділянки та сорту. Цифри, виділені жирним шрифтом, вказують на основний внесок у значущість, згідно з парним порівнянням середніх значень з використанням ретроспективного аналізу з HSD-критерієм Тьюки. Стандартні похибки відображаються в дужках.

PFW — свіжа біомаса рослин; Врожайність — свіжа біомаса коренів на га; LFW — свіжа біомаса листя; RTLR — співвідношення кореня до листя; RC — вміст вуглецю в корені; LN — вміст азоту в листі; CNR — співвідношення вуглецю до азоту; PDW — суха біомаса рослини; RDM — вміст сухої речовини в корені; TN — загальна кількість поглинутого азоту на га; TCO₂, CO₂ на га.

Свіжа біомаса та врожайність

Що стосується фактору географічного розташування, то перший крок полягав у вивченні змінних свіжої біомаси та врожайності (PFW, LFW, урожайності, RTLR), виявивши, що в обидва роки вирощування результати показали дуже значні статистичні відмінності між середніми значеннями свіжої біомаси та змінних врожайності під час обробок на різних ділянках, за винятком 2012 року, для свіжої біомаси рослин (PFW) (див. Таблиці 6 та 7). PFW виявилася статистично значимою в 2011 році завдяки тому, що в регіоні Віллавія (VV-I) було отримано найвищу врожайність (120,94 т · га^-1), найбільшу біомасу листя (LFW = 524,29 г · рослину^-1) та найвищу свіжу біомасу рослин (PWF = 1808,29 г · рослину^-1). Наступного року (2012) Віллавія (VV-II) знову стала регіоном із найвищою врожайністю (124,38 т · га^-1), але свіжа біомаса листя (LFW) виявилася вищою в Памплієзі (P) (639,52 г · рослину^-1, проти 482,26 г · рослину^-1), а різниця між свіжою біомасою рослин обох ділянок (PFW — 1789,46 г · рослину^-1, проти 1754,70 г · рослину^-1 для P та V-II, відповідно) виявилася незначною, що пояснювало відсутність статистичної значущості.

У 2011 році коефіцієнт співвідношення біомаси кореня до листя (RTLR) досяг найвищого значення в регіоні Мосгаз де Посеред (M) (3,58), порівняно з Лагуною де Негрільйос (LN) (1,68) або Віллавія (VV) (1,99). У 2012 році найвищий коефіцієнт RTLR було зареєстровано в регіоні Вертавільйо (V) (2,83), за ним слідують Віллавія (VV) (2,23) та Памплієга (P) зі значно нижчим значенням (1,43).

Що стосується сортів, то в 2011 році (сорти Dulzata та Sandrina) було відзначено значні відмінності у свіжій біомасі листя (LFW) та в його співвідношенні зі свіжою біомасою кореня (RTLR), тоді як у 2012 році (сорти Amalia та Sandrina) було зареєстровано значну різницю у врожайності. Урожайність виявилася вищою для сорту Sandrina як у 2011 році (96,98 т · га^-1, проти 95,14 т · га^-1 для Dulzata), так і в 2012 році (120,80 т · га^-1, проти 104,45 т · га^-1 для Amalia). Те ж саме стосується свіжої біомаси рослин (PWF) як у 2011 році (1428,20 г · кг^-1 для Sandrina, проти 1288,21 g · кг^-1 для Dulzata), так і в 2012 році (1806,58 g · кг^-1 для Sandrina, проти 1579,32 g · кг^-1 для Amalia). У 2011 році на ділянці в регіоні Мосгаз де Посеред (M) було відмічено виняток для RTLR. З іншого боку, сортом, який демонстрував більшу поляризацію або вміст цукру · га^-1, завжди виявлявся сорт Amalia, порівняно з Sandrina (17,9%, проти 16,28% відповідно у Вертавільйо, 17,73%, проти 16,65% у Віллавії; 17,68%, проти 16,83% у Памплієзі та 18,78%, проти 17,48% у Лагуні де Негрільйос).

Стосовно внесення добрив, аналогічно до тенденції, що спостерігалася із сортами, значні відмінності спостерігалися у свіжій біомасі листя (LFW) та рослин (PFW), а також у коефіцієнті RTLR, але не у врожайності.

Вміст вуглецю, сухої речовини та СО₂

Середній вміст вуглецю в сухій речовині коренів склав 434,05 г · кг^-1 у перший рік та 437,46 г · кг^-1 у другий рік вирощування. Що стосується впливу місця розташування ділянки на вміст вуглецю в корені (RC), то найвищі концентрації вуглецю (RC) були досягнуті в Лагуні де Негрільйос (LN) як у 2011, так і в 2012 році (449,65 г · кг^-1 та 446,25 г · кг^-1 відповідно), а також найбільший вміст сухої речовини в корені (RDM = 251,26 г · кг^-1 у 2011 році та 243,62 г · кг^-1 у 2012 році), порівняно з результатами регіону Мосгаз де Посеред (M) у 2011 році або Памплієги (P) в 2012 році.

У 2011 році Віллавія (VV) стала регіоном із найбільшим вмістом сухої речовини (PDW — 332,77 г) та поглинутого CO₂ (TCO₂ — 63,84 CO2 · га^-1), обчисленою як сума сухої речовини та вмісту вуглецю в кожній із трьох частин рослини. З іншого боку, у 2012 році найвищі показники по PDW та СО₂ було отримано в Памплієзі (P) (PDW = 352,23 г; TCO₂ = 69,42 CO₂ · га^-1).

Щодо сорту цукрових буряків, у 2011 році лише взаємодія «сорт × добрива» була визнана істотною. У 2012 році статистичну значимість перевіряли лише для сорту Amalia по відношенню до сорту Sandrina (240,13, проти 227,16, відповідно)

Стосовно внесення добрив, статистичної значущості не було виявлено для жодної зі змінних, що стосуються вмісту вуглецю в корені, сухої речовини або СО₂ (RC, RDM і TCO₂).

Вміст азоту в листі, загальне поглинання азоту та відношення вуглецю до азоту

Що стосується впливу місця розташування ділянки на вміст азоту в листі, загальне поглинання азоту (N) та коефіцієнт співвідношення вуглецю до азоту (LN, TN та CNR), в регіонах, де було зареєстровано більше поглинання азоту (тобто, Віллавія (VV-I) та Памплієга (P)) було відмічено збільшення врожайності в контексті свіжої біомаси. Щодо вмісту азоту в листі (LN), найнижча його концентрація була виявлена в Лагуні де Негрільйос (LN) у 2011 році (19,61 г/кг) та у Вертавільйо (V) у 2012 році (19,18 г/кг), супроводжуючись найвищим вмістом вуглецю в крені в регіоні Лагуна з Негрільйос (LN) у 2011 році (449,65 г/кг) та в регіоні Вертавільйо (V) у 2012 році (441,00 г/кг). 

У плані сорту, не було виявлено суттєвих відмінностей у поглинанні азоту (ТN), хоча він був вищим для сорту Sandrina як у 2011 році (375,95 кг/га, проти 345,15 кг/га для Dulzata), так і в 2012 році (436,64 кг/га, проти 381,71 кг/га для Amalia). Однак було виявлено значні відмінності в концентрації азоту в листі (LN), яка виявилася вищою для сорту Sandrina як у 2011 році (2,20 г/рослину, проти 2,16 г/рослину для Dulzata), так і в 2012 році (2,14 г/рослину, проти 2,00 г/рослину для Amalia). Результати коефіцієнту співвідношення вуглецю до азоту (CNR) показали, що він була меншим для сорту Sandrina як у 2011 році (19,88, проти 21,25 для Dulzata), так і в 2012 році (20,73, проти 22,01 для Amalia). Щодо внесення добрив, були виявлені значні відмінності в концентрації азоту в листі (LN) та в загальній кількості поглинутого азоту (TN).

Критерій Тьюки

Значення, виділені жирним шрифтом, у результатах аналізу ANOVA (див. Табл. 6 та 7), вказували на ділянку, яка найбільше сприяла значущості різних змінних згідно з ретроспективним аналізом із HSD-критерієм Тьюки. Було встановлено, що в 2011 році суттєві відмінності щодо змінної врожайності були пов’язані з високими показниками, отриманими в регіоні Віллавія (VV). Лагуна де Негрільйос (N) став регіоном, який найбільше сприяв значним відмінностям змінних RC, LN та CNR, тоді як Мосгаз де Посеред (M) найбільше сприяв LFW, RTLR і TCO₂.

У 2012 році ретроспективний аналіз із HSD-критерієм Тьюки шляхом попарного порівняння середніх значень стосувався статистичної значимості у змінній врожайності до низьких значень в Лагуні де Негрільйос (LN). У RC, LN, CNR, RDM та TN тестові змінні Тьюки вказували на відмінності між Памплієгою (P) та Лагуною де Негрільйос (LN-II) як джерело статистичної значущості ділянки.

Кліматичні змінні

Кліматичні змінні, отримані за даними метеостанцій протягом періодів вирощування в 2011 та 2012 роках, наведені в Таблиці 8. Варто зазначити, що в 2011 році тривалість періоду вирощування для трьох ділянок у середньому становила 190 днів, у зв’язку з пізньою посівною (13 квітня) у випадку регіону Лагуна де Негрільйос-І (LN-I). Це викликало  відмінності у деяких кліматичних змінних, таких як середня температура та радіація: для LN-I протягом перших 65 днів (T1/R4) вона була на рівні 14,9°C/1481 МДж · м^-2, що перевищує 13,5°C/1153 МДж · м^-2, зареєстровані у регіоні Мосгаз де Посеред (M), та 12,2°C/1240 МДж · м^-2, зареєстровані у Віллавії (VV-I). У регіоні Лагуна де Негрільйос (LN-I) опади (182 мм, Таблиця 2) також були дещо вищими, ніж у Мосгазі де Посеред (M) (100 мм) або у Віллавії (VV) (134 мм). З іншого боку, в 2012 році період вирощування (CP) для чотирьох ділянок (P, LN-II, V і VV-I) в середньому становив 209 днів, тобто трохи довше, ніж у 2011 році. Порівнюючи радіацію (R1 до R6) за сезони 2011 та 2012 років, вона була майже завжди вищою у 2012 році, за винятком регіону Вертавільйо (оскільки посівна затягнулася до кінця березня).