Агрохимия, 2023, № 3, стр. 43-52

ВВЕДЕНИЕ

В соответствии с государственным стандартом (ГОСТ Р 53049-2008. Рожь. Технические условия) наиболее важными показателями технологических качеств зерна озимой ржи служат “число падения” и натура. Хотя содержание белка и пентозанов, а также масса 1000 зерен не регламентируются ГОСТом Р 53049-2008, определяющим пригодность зерна озимой ржи для хлебопечения, данные показатели в большинстве случаев статистически значимо связаны с “числом падения” [1–7].

Одним из способов регулирования (повышения или снижения) показателей технологических качеств зерна озимой ржи может служить его фракционирование на стандартных решетах с продолговатыми отверстиями [8, 9].

Необходимо отметить, что выполненные ранее исследования [8–13] по выявлению эффективности фракционирования зерна озимой ржи для целей семеноводства и продовольственного использования проводились на одном уровне минерального питания. Не претендуя на полноту изложения данных, имеющихся в научной литературе по данному вопросу, было сделано предположение, что вопросы изменения урожайности и технологических качеств зерна озимой ржи при разделении его на фракции остаются малоизученными. Особенно для выяснения интервала варьирования технологических качеств и их изменений, происходящих под действием различных уровней минерального питания и изменяющихся гидротермических условий в период вегетации. Выяснение зависимостей урожайности и технологических качеств зерна озимой ржи от относительной доли фракций и уровня минерального питания позволит оптимизировать дозы минеральных удобрений и азотных подкормок в период вегетации [14].

Исследования по изучению изменения фракционного состава зерна озимой ржи, выращенного на фоне возрастающих уровней минерального питания, показали, что в контрастные по увлажнению годы изменение урожайности зерна происходило за счет перераспределения относительной доли фракций (%). При этом относительная доля фракций в урожае зерна озимой ржи в текущем (конкретном) году не зависела от уровня минерального питания. С увеличением толщины зерновки от ее минимальных величин относительная доля фракции в урожае зерна возрастала, однако каждое последующее возрастание толщины зерновки замедляло темпы ее роста и, достигнув точки экстремума, она начинала снижаться. Урожайность (ц/га) всех фракций увеличивалась одновременно с возрастанием уровня минерального питания и толщины зерновки, однако темпы роста урожайности каждой фракции существенно различались в зависимости от размера зерновки. При этом минимальные прибавки урожая зерна по сравнению с предыдущей дозой минеральных удобрений отмечены у самой мелкой и самой крупной фракций, максимальные – у средней фракции зерна 2.2–2.4 мм [14].

Следующий этап исследований – изучение изменений качества различных фракций зерна озимой ржи, выращенного на фоне возрастающих уровней минерального питания. В результате проведения исследований появляется реальная возможность сознательно управлять в желаемом направлении величиной основных показателей качества зерна не только в период вегетации, регулируя уровень минерального питания применением удобрений и азотных подкормок, но и в послеуборочный период, т.к. известно, что различные фракции зерна озимой ржи существенно различаются по биохимическому составу и технологическим качествам [8, 9, 12, 13].

Цель работы – выявить изменения технологических качеств различных фракций зерна короткостебельного сорта озимой ржи, выращенного на фоне возрастающих уровней минерального питания.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование по разделению зерна озимой ржи на фракции проведены с допущенным к использованию короткостебельным сортом Фаленская 4 (совместной селекции Зонального НИИСХ Северо-Востока и Фаленской государственной селекционной станции). Зерно озимой ржи было получено в лаборатории агрохимии Зонального НИИСХ Северо-Востока при проведении полевого опыта [15] на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве и внесении возрастающих доз минеральных удобрений. При фракционировании были использованы образцы зерна озимой ржи, полученные в 6-ти основных вариантах: без удобрений, (NРК)30, (NРК)60, (NРК)90, (NРК)120 и (NРК)150. При проведении полевого опыта фосфорно-калийные (Р_сд и K_кх) во всех вариантах и азотные удобрения (N_аа) в дозах N30 и N60 вносили до посева, а в вариантах с внесением доз азота N90, N120 и N150 – дробно, в 2 срока: N90 (N60 до посева + N30 весной) и N120 (N60 до посева + N60 весной) или в 3 срока: N150 (N60 до посева + N60 весной + N30 трубкование). Более детально условия и методика проведения опыта, откуда отбирали образцы зерна озимой ржи для фракционирования и основные работы по разделению его на фракции, а также некоторые результаты по изменению фракционного состава зерна озимой ржи, выращенного на фоне возрастающих уровней минерального питания, опубликованы ранее в работах [14, 15].

Гидротермические условия в период посев–окончание осенней и в период возобновление весенней вегетации–трубкование существенно не различались и характеризовались избыточным увлажнением (ГТК по Г.Т. Селянинову 1.56–1.84 и 1.52–1.78 соответственно). Гидротермические условия, сложившиеся в период трубкование–цветение, наоборот, существенно различались. В первый год этот период характеризовался избытком влаги (ГТК = 2.12), во второй – недостаточным (ГТК = 1.01), а в третий – нормальным увлажнением (ГТК = 1.38). В репродуктивный период в первый и во второй годы сложились засушливые условия (ГТК = 1.02 и 1.14 соответственно), а в третий – наблюдали резкий недостаток влаги (ГТК = 0.75). Более подробно характеристика гидротермических условий межфазных и всего периода вегетации и их влияние на уровень урожайности и фракционный состав зерна озимой ржи представлены ранее в работе [14].

Определение массы 1000 зерен исходных образцов зерна озимой ржи и выделенных из них фракций проведено в соответствии с ГОСТ 10842-89 “Метод определения массы 1000 зерен или семян”, содержание белка – ГОСТ 10846-91 “Метод определения белка”, показателя “число падения” – ГОСТ 27676-88 “Метод определения “числа падения”, а содержание пентозанов – в соответствии с методом, опубликованным в работе [16]. Статистическая обработка экспериментальных данных проведена методом множественного регрессионного анализа (линейного, полинома половинной степени, 2-го и 3-го порядка) с использованием пакета статистических программ “Statistica 6” (Stat–Soft Inc., США). Основным критерием оценки точности полученных уравнений множественной регрессии принята величина коэффициента детерминации (R²) [17].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Проведение 3-летних исследований по фракционированию зерна озимой ржи на стандартных решетах с продолговатыми отверстиями показало, что величина массы 1000 зерен различных фракций варьировала в сравнительно широких пределах: 11.2–42.9 г, содержание белка (N_общ × 5.7) и пентозанов – 9.86–12.80 и 1.33–3.91% соответственно, а “число падения” – 67–180 сек (табл. 1, 3–5). Полученные данные подтвердили известное положение о том, что различия по любым признакам и свойствам между сортами одной культуры всегда существенно меньше, чем между контрастными фракциями внутри одного сорта [18].

Так как при проведении фракционирования зерна озимой ржи изученные показатели технологических качеств изменялись в одном и том же направлении, ниже приводится их анализ по усредненным данным за годы проведения исследования. Статистическая обработка полученных данных методом множественного регрессионного анализа показала, что во все годы проведения исследований уровень минерального питания (Х₁, код. ед.: 0 – без удобрений, 1 – (NРК)30, 2 – (NРК)60 … 5 – (NРК)150) оказывал существенное влияние на содержание белка и пентозанов в зерне различных фракций, а также на величину показателя “число падения”, но не оказывал достоверного влияния на массу 1000 зерен (табл. 1, 2).

При этом зависимость массы 1000 зерен от толщины зерновки (Х₂, мм) максимально точно (по величине R²) описывалась уравнением 2-го порядка. С увеличением толщины зерновки масса 1000 зерен возрастала, при этом каждое последующее возрастание толщины зерновки в большей степени повышало массу 1000 зерен по сравнению с предыдущей (+$X_{2}^{2}$). Необходимо отметить, что и линейная зависимость между этими показателями статистически значима, но характеризуется несколько меньшей величиной R² (табл. 1, 2, рис. 1).

Рис. 1.

Зависимость массы 1000 зерен (Y, г) от толщины зерновки (Х₂, мм) (среднее за 3 года): n = 42, 0.996* – статистически значимо при р < 0.05; средняя толщина зерновок во фракции 1.7 мм – варьирование от 1.5 до 1.7 мм, 2.0–1.7–2.0, 2.2–2.0–2.2, 2.4–2.2–2.4, 2.6–2.4–2.6, 2.8–2.6–2.8, 3.0–2.8–3.0 мм, n = 42 – общее число наблюдений. То же в табл. 3–6 и на рис. 2.

При фракционировании зерна озимой ржи зависимости содержания сырого белка и пентозанов от уровня минерального питания (Х₁, код. ед.) и толщины зерновки (Х₂, мм) по годам и в среднем за годы проведения исследования максимально точно (по величине R²) отражали уравнения 2-го порядка, т.к. коэффициенты корреляции линейных уравнений незначимы на принятом в агрохимических исследованиях уровне значимости (р < 0.05), а уравнений половинной степени хотя и значимы, но имеют более низкие их величины, чем уравнения 2-го порядка (табл. 2–4, рис. 2а, б).

Рис. 2.

Зависимость содержания: (а) – белка (Y, %), (б) – пентозанов (Y, %), (в) – величины “числа падения” (Y, сек) от уровня минерального питания (Х₁, код. ед.) и толщины зерновки (Х₂, мм) (среднее за 3 года).

На рис. 2 в пределах полученных экспериментальных данных по величине изученных показателей качества зерна озимой ржи представлены графические изображения их зависимостей (Y) (или поверхности отклика функции) от возрастающих уровней минерального питания (Х₁, код. ед.) и толщины зерновки (Х₂, мм). Анализ уравнений и их графических изображений показал, что с усилением уровня минерального питания содержание белка в зерне различных фракций зерна озимой ржи возрастало. При этом каждое последующее увеличение доз удобрений приводило к более высокой белковости зерна по сравнению с предыдущей (+Х₁ + $X_{1}^{2}$). С увеличением толщины зерновки содержание белка снижалось, однако каждое последующее увеличение толщины зерновки замедляло темпы роста белковости зерна и, достигнув минимальных величин при размерах решет 1.7–2.0 или 2.0–2.2 мм, содержание белка начинало возрастать (–Х₂ + $X_{2}^{2}$). Следует отметить, что при одновременном возрастании доз удобрений и толщины зерновки темпы роста белковости зерна снижались (– Х₁Х₂).

Данные, представленные на рис. 2а показали, что минимальное содержание белка (не >10.5%) наблюдается в зерне мелких (1.5–1.7, 1.7–2.0 мм) и средней фракции (2.0–2.2 мм) в контрольном варианте (без внесения удобрений) и при внесении минеральных удобрений не более 60 кг д.в./га. Максимальное содержание белка отмечено в зерне самой мелкой фракции (1.5–1.7 мм) при внесении максимальной дозы удобрений (NРК)150 и у самой крупной фракции (2.8–3.0 мм) во всех вариантах с их применением (11.5–12.0%).

Данные, представленные на рис. 2б, показали, что минимальное содержание водорастворимых пентозанов (2.0–2.2%) отмечено в вариантах с внесением доз минеральных удобрений в интервале (NРК)60–(NРК)150 у средних фракций зерна озимой ржи (2.0–2.2 и 2.4–2.6 мм). Максимальное содержание пентозанов (2.6–2.8%) отмечено в варианте без внесения удобрений у самой мелкой и самой крупной фракций, а также на фоне внесения максимальной дозы удобрений у самой мелкой фракции.

Известно, что величина показателя “число падения” (ЧП) существенно снижается в условиях избыточного увлажнения в предуборочный период. Кроме условий увлажнения его величина также зависит от содержания белка в зерне: в большинстве случаев, чем больше его содержание, тем меньше величина данного показателя [1–6]. Различия в гидротермических условиях весенне-летних периодов вегетации привели к формированию существенно различающихся исходных образцов зерна озимой ржи по величине ЧП. Согласно ГОСТ 16990-88, в 1-й и 2-й годы проведения исследования по его величине зерно озимой ржи соответствовало III классу (80–140 сек), в 3-й год в 2-х вариантах из 6-ти – III классу, а в оставшихся 4-х вариантах – II классу (140–200 сек) качества (табл. 5, 6).

Фракционирование зерна озимой ржи показало, что во все годы минимальным ЧП характеризовались мелкие и крупные, а максимальным – средние фракции зерна (рис. 2в). Аналогичное явление наблюдали и при проведении исследований с сортом озимой ржи Кировская 89. При этом самые мелкие фракции также характеризовались более высоким ЧП, чем самые крупные [8, 9].

Проведение статистической обработки полученных экспериментальных данных показало, что зависимости показателя ЧП от толщины зерновки по годам и в среднем за годы исследования (табл. 2, рис. 2в) наиболее точно (по величине R²) отражают уравнения 3-го порядка, т.к. коэффициенты корреляции (r) линейных уравнений и уравнений половинной степени в данном случае статистически незначимы при р < 0.05, а уравнений 2-го порядка хотя и значимы, но имеют более низкие величины, чем уравнения 3-го порядка.

С возрастанием уровня минерального питания величина показателя ЧП снижалась. При этом каждая последующая доза удобрений приводила к еще большему снижению величины данного показателя по сравнению с предыдущей (–$X_{1}^{3}$). Максимальное же снижение его величины наблюдали при внесении максимальных доз минеральных удобрений (NРК)120 и (NРК)150 (табл. 5, рис. 2в).

С увеличением толщины зерновки от ее минимальных величин ЧП возрастало, однако каждое последующее увеличение толщины зерновки приводило к меньшему его возрастанию по сравнению с предыдущей (Х₂ – $X_{2}^{2}$) и достигнув первой точки экстремума (2.26 мм) или размеров решет 2.2–2.4 мм, ЧП начинало снижаться. Однако в дальнейшем, каждое последующее увеличение толщины зерновки (>2.26 мм) сопровождалось меньшим снижением ЧП (–$X_{2}^{2}$ + $X_{2}^{3}$) и, достигнув 2-й точки экстремума при размерах решет 3.74 мм, ЧП должно возрастать. Как видим, 2-я точка экстремума по величине ЧП находится вне пределов полученных экспериментальных данных.

Итак, исследование показало, что зависимости показателей качества зерна озимой ржи от толщины зерновки при изменении гидротермических условий имели однонаправленный характер. По этой причине фракционирование средних образцов, отобранных от однородных крупных партий и проведение соответствующих анализов позволит определить содержание белка и пентозанов, величину показателя ЧП и массы 1000 зерен (при желании и более широкий спектр показателей) всех выделенных фракций, а статистическая обработка – вид зависимостей перечисленных выше показателей качества от толщины зерновки.

Затем, за счет правильного подбора и установки верхних и (или) нижних решет на зерноочистительных машинах вторичной очистки можно изменить (повысить или снизить) интересующие производителя показатели качества у конкретной партии зерна до регламентируемых ГОСТами или требуемых потребителями кондиций [8, 9]. При этом необходимо иметь в виду, что изменение отдельных показателей качества зерна будет связано с уменьшением веса партии, причем, чем в большей степени будет изменяться (повышаться или снижаться) величина конкретного показателя качества, тем меньше выход зерна или семян [19].

Так как фракции зерна озимой ржи различались по их относительной доле в ежегодном урожае [14], то вполне логичным является определение средневзвешенной величины изученных показателей технологических качеств: массы 1000 зерен, содержания белка и пентозанов, а также показателя ЧП [8, 9].

ГОСТ 10842-89 “Метод определения массы 1000 зерен или семян” регламентирует, что допускаемые расхождения между 2-мя результатами ее определения не должны превышать 6%. Следует отметить, что в государственных стандартах нашей страны используется понятие “допускаемое расхождение” (табл. 6), показывающее максимальную аналитическую ошибку при определении какого-либо показателя – в рассмотренном случае массы 1000 зерен, содержания белка и показателя ЧП.

Средневзвешенные величины массы 1000 зерен варьировали в интервале 27.7–29.9 в 1-й год проведения исследования, 26.0–29.2 и 23.0–23.9 г во 2-й и 3-й годы соответственно. Допускаемые расхождения между массой зерновки исходных образцов и их средневзвешенных величин по годам исследования находились в пределах 1.64–1.81, 1.55–1.69 и 1.36–1.43 г соответственно. Как видим, во всех случаях расхождения между экспериментальными и средневзвешенными величинами массы зерновки не превышали допускаемых расхождений (6%), регламентируемых ГОСТом 10842-89.

ГОСТ 10846-91 “Метод определения белка” регламентирует, что допускаемые расхождения при контрольных определениях общего азота не должны превышать 0.04 + 0.045Х где Х – среднее арифметическое первоначального и контрольного определений (в рассматриваемом случае, соответственно, исходные и средневзвешенные величины). Данные, представленные в табл. 6, показали, что, как и у массы 1000 зерен, во всех случаях расхождения между экспериментальными и средневзвешенными величинами содержания общего азота были меньше регламентируемых ГОСТом 10846-91 допускаемых расхождений.

ГОСТ 27676-88 “Метод определения ЧП” предусматривает, что при контрольном (повторном) определении данного показателя (в рассматриваемом случае – средневзвешенные величины) допускаются расхождения между ними и первоначальным определением не более 10% от их среднего арифметического. Средневзвешенные величины ЧП по годам исследования варьировали в пределах: 113–141 в первый год, 88–124 и 117–165 сек во 2-й и 3-й годы проведения исследования соответственно (табл. 6). Допускаемые расхождения между ЧП исходных образцов зерна озимой ржи и их средневзвешенных величин по годам находились в пределах 11–13, 8–12 и 12–17 сек соответственно. Как видим, в 1-й и 3-й годы в 3-х случаях и во 2-й год – в 2-х случаях из 6-ти (в сумме 8 из 18 или в 44.4% случаев), расхождения между экспериментальными и средневзвешенными величинами ЧП превышали регламентируемые ГОСТом 27676-88 допустимые расхождения. То есть во все годы практически в половине случаев наблюдали существенные расхождения между ЧП исходных образцов и их средневзвешенных величин, что при проведении фракционирования предполагает индивидуальный подход к каждой партии зерна озимой ржи с учетом экономической эффективности разделения зерна на фракции.

Средневзвешенные величины содержания пентозанов по годам исследования варьировали в пределах 2.24–2.77% в 1-й год проведения исследования, 1.64–2.73 и 1.80–2.31% во 2-й и 3-й годы соответственно (табл. 5). Отклонения между содержанием пентозанов в зерне исходных образцов и их средневзвешенных величин по годам варьировали в пределах – 0.07–0.15, 0.11–0.24 и 0.15–0.11% соответственно в абсолютном выражении или 2.9–5.1, 4.2–11.9 и 6.9–5.8% в относительных единицах. В отсутствии государственного стандарта России на “Метод определения пентозанов” при определении их содержания примененным методом [16] допускаемые расхождения не регламентированы. По этой причине в табл. 5 принят термин “отклонения” экспериментальных величин от средневзвешенных.

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что зерно различных фракций озимой ржи неравноценно по содержанию белка и пентозанов, массе 1000 зерен и величине показателя “число падения”. Исследование показало отсутствие каких-либо статистически значимых зависимостей массы 1000 зерен определенной (конкретной) фракции зерна озимой ржи от уровня минерального питания. При этом зависимость массы 1000 зерен от толщины зерновки максимально точно (по величине R²) описывалась уравнением 2-го порядка. В отличие от массы 1000 зерен содержание белка и пентозанов, а также величина показателя “число падения” существенно зависели как от уровня минерального питания, так и от толщины зерновки. При этом максимально точно зависимости содержания белка и пентозанов от уровня минерального питания и толщины зерновки отражали уравнения 2-го, а показателя “число падения” – 3-го порядка.

2. Экспериментальные величины массы 1000 зерен и содержания белка исходных образцов зерна озимой ржи и их средневзвешенные величины (определенные с учетом доли каждой фракции в исходных образцах) практически не различались и находились в пределах допускаемых расхождений, регламентируемых соответствующими ГОСТами. Исключение составил показатель “число падения”, у которого обнаружены существенные расхождения между “числом падения” исходных образцов зерна и их средневзвешенных величин, что при проведении фракционирования предполагает индивидуальный подход к каждой партии зерна озимой ржи с учетом экономической эффективности разделения зерна на фракции. Аналогичный (индивидуальный) подход может быть использован при введении ГОСТом допускаемых расхождений при определении пентозанов в случае обнаружения существенных отклонений между содержанием пентозанов в исходных образцах зерна озимой ржи и их средневзвешенных величин.

3. В случае подтверждения полученных зависимостей основных показателей качества зерна озимой ржи от уровня минерального питания и толщины зерновки при генотипических (сортовых) различиях полученные данные могут быть использованы в селекционном процессе.