Введение
Электрофизические факторы воздействия на семена и вегетирующие растения, тепличные грунты и субстраты, микроклимат, газовую среду и т.п. могут играть особую роль в повышении урожайности и качества выращиваемых культур [3-7]. Разработка новых методов повышения жизнеспособности сельскохозяйственных культур является важнейшей задачей агробиологических наук и сельскохозяйственного производства.
Как показывает анализ научно-технической литературы, одним из перспективных направлений в повышении урожайности овощных и зерновых культур является применение высокоинтенсивных физических факторов, генерируемых электрофизическими методами. Известны способы стимулирующей обработки семян на основе воздействия постоянных (ПМП), градиентных (ГМП) и импульсных (ИМП) магнитных полей, переменных электромагнитных полей (ЭМП) с широким спектром частот, электрического поля коронного разряда - ЭПКР, некогерентных световых импульсов - НСИ и т.д. [4, 8].
В Российском Федеральном Ядерном Центре - Всероссийском научно-исследовательском институте экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ) в течение ряда лет ведутся инициативные работы по разработке и внедрению электрофизических методов в сельское хозяйство. На основе договоров о научно-техническом содружестве проводились совместные исследовательские работы ученых научно-технического центра НТЦФ ВНИИЭФ, научно-исследовательского института сельского хозяйства (НИИСХ) и сельскохозяйственных предприятий Мордовии, а также и других организаций страны [6].
В течение ряда лет проводились лабораторные, мелкоделяночные и полевые опыты по исследованию влияний высокоинтенсивных экологически безопасных физических факторов, используемых при предпосевной обработке семян и вегетирующих растений, на развитие и урожайность сельскохозяйственных культур в хозяйствах республики Мордовии и Нижегородской области, на базе тепличных хозяйств ОАО «Агросистема» ВНИИЭФ, производственной теплицы ВНИИЭФ, городского тепличного хозяйства г. Сарова [6]. Отмечены положительные тенденции и получены достоверные результаты по увеличению урожайности зерновых и овощных культур, выращиваемых на больших производственных площадях [9].
В связи с этим целью данной работы являлось исследование влияния воздействия высокоинтенсивных физических факторов электрического поля коронного разряда и некогерентных световых импульсов на овощные культуры.
Материалы и методы
В качестве объектов исследования использовали следующие культуры: огурцы сорт «Апрельский»; фасоль сорт «Мистраль»; редис сорт «Жара»; морковь сорт «Амстердам»; лук репка сорт «Штуттгартер ризен»; картофель сорт «Голландский»; салат сорт «Кучерявец Грибовский».
В соответствии с целью исследования работа проводилась по следующим направлениям:
- экспериментальное исследование влияния ЭПКР напряженностью от 1 до 6 кВ/см на овощные культуры;
- экспериментальное исследование влияния НСИ с энергией от 16 до 80 кДж на овощные культуры.
Оценку влияния воздействия высокоинтенсивных физических факторов ЭПКР и НСИ на овощные культуры проводили по результатам всхожести, цветения и итогового сбора урожая.
В эксперименте на опытные и контрольные грядки в равных количествах высаживали семена и проростки следующих культур:
- огурцы сорта «Апрельский» в 3 ряда по 6 штук в ряду;
- фасоль сорта «Мистраль» по 274 шт.;
- редис сорта «Жара» по 6 г семян;
- морковь сорта «Амстердам» по 500 шт.;
- лук репка сорта «Штуттгартер ризен» по 88 шт.;
- картофель сорта «Голландский» по 80 шт.;
- салат сорта «Кучерявец Грибовский» по 1 г семян.
|
|
|
|
Рис. 1. Устройство для обработки посадочного материала «Экран-М» |
Рис. 2. Схема обработки семян |
Воздействие ЭПКР градиентного типа на семена овощных культур проводили с помощью разработанного в НТЦФ ВНИИЭФ опытного устройства для обработки посадочного материала «Экран» (рисунок 1) [2] по схеме, представленной на рисунке 2.
Технические характеристики установки «Экран» представлены в таблице 1.
Таблица 1. Технические характеристики установки «Экран»
|
Длительность экспозиции обработки зерна, с |
0,3 |
|
Количество каналов рабочей камеры |
3 |
|
Максимальная производительность обработки семян ячменя, л/мин. |
60 |
|
Максимальная производительность обработки овса, л/мин. |
40 |
|
Напряжение сетевого питания, В |
220 |
|
Максимальная потребляемая мощность, Вт |
10 |
Семена подвергали воздействию ЭПКР в четырех режимах, отличающихся напряженностью электрического поля в рабочем пространстве камеры 2 кВ/см, 3,5 кВ/см, 5 кВ/см и 5,5 кВ/см.
Воздействие мощным некогерентным световым излучением, генерируемым открытым искровым электрическим разрядом в воздухе при атмосферном давлении, на семена овощных культур проводили с помощью разработанного в НТЦФ ВНИИЭФ комплекса «СТИМУЛ-1» (рисунок 3) [1] для стимулирования посевного материала.
Длительность однократных световых импульсов составляет единицы и десятки микросекунд, спектральная область излучения соответствует видимому и УФ-диапазонам длин волн, генерируемые мощности составляют десятки и сотни мегаватт. Обработку проводили одноискровым излучателем, закрепленным сверху над семенами на расстоянии ~ 0,5м.
Технические характеристики установки «Стимул» представлены в таблице 2.
Рис. 3. Одноискровой комплекс «СТИМУЛ-1-1» для обработки семян
Таблица 2. Технические характеристики установки «Стимул»
|
Емкость конденсаторной батареи, мкФ |
40 |
|
Диапазон рабочих напряжений, кВ |
1-15 |
|
Максимальная запасенная энергия, кДж |
4,5 |
|
Число искровых промежутков, шт |
1-10 |
|
Напряжение сетевого питания, В |
220 |
|
Частота сетевого питания, Гц |
50 |
|
Масса установки (без выпрямителя), кг |
100 |
Для выявления эффектов воздействия ЭПКР и НСИ на овощные культуры формировали контрольные группы, которые количественно соответствовали опытным образцам и исследовались по аналогичным методикам.
На опытные участки в одни сроки были высажены контрольные и обработанные культуры. Обработка почвы химическими и органическими веществами не проводилась. Полив растений осуществлялся одинаково (как контрольных, так и обработанных образцов).
Оценку влияния ЭПКР и НСИ на овощные культуры проводили по скорости прорастания семян, всхожести, темпам роста, цветению и урожайности растений.
Результаты исследования
При воздействии мощных НСИ на посевной материал (семена овощных культур, клубни, луковицы) происходит использование энергии фотоиндуцированных свободных радикалов, энергии окислительных реакций фотостимулируемого дыхания, обусловленного активацией митохондрий и пероксисом. Запасенная во время светоимпульсного облучения семян энергия реализуется на синтез пигментов, ускоренное протекание хлоропластогенеза и митохондрогенеза и т.д. Светоимпульсное облучение семян стимулирует рост, формообразование, развитие растений, направленность обмена веществ. В итоге действия и последействия на клетку световых импульсов, стимулирующих растения, повышаются одновременно урожайность, семенная продуктивность в потомстве и биосинтез полезных продуктов: сахаров, крахмала, белков, аскорбиновой кислоты и др.
На рисунках 4 - 9 представлены нормированные к контролю значения прибавки урожая овощных культур, выращенных в 2006 г. на опытном участке.
Выявлено, что все режимы, используемые при воздействии на семена, вызывают однонаправленный биологический эффект. Урожайность овощных культур по сравнению с контрольными значениями увеличивалась.
Наиболее ярко выраженное увеличение урожайности огурцов сорт «Апрельский» (15 %) отмечено при воздействии НСИ с запасенной суммарной электрической энергией источника питания 20 кДж и при воздействии ЭПКР с напряженностью 3,5 кВ/см (18 %).
Наибольшее увеличение урожайности лука репки (51%) отмечено при воздействии НСИ с запасенной суммарной электрической энергией источника питания 80 кДж.
Показано, что максимальное увеличение урожайности фасоли сорта «Мистраль» (26 %) отмечалось при воздействии ЭПКР с напряженностью 5 кВ/см.
Отмечено, что эффективность увеличения урожайности при воздействии обоими режимами, НСИ с запасенной суммарной электрической энергией источника питания 20 кДж и 80 кДж, на семена редиса сорта «Жара» была примерно одинаковой - 47 % и 51 %, соответственно.
Наиболее ярко выраженное увеличение урожайности моркови сорта «Амстердам» (39 %) отмечено при воздействии НСИ с запасенной суммарной электрической энергией источника питания 40 кДж.
Отмечено, что урожайность картофеля увеличилась на 32 %, а урожайность салата сорта «Кучерявец Грибовский» на 36 %.
Рис. 4. Прибавка урожая огурцов сорт «Апрельский» (опыт/контроль) в 2006 г. на опытном участке
Рис. 5. Прибавка урожая лука репка (опыт/контроль) в 2006 г. на опытном участке
Рис. 6. Прибавка урожая фасоли «Мистраль» (опыт/контроль) в 2006 г. на опытном участке
Рис. 7. Прибавка урожая редиса «Жара» (опыт/контроль) в 2006 г. на опытном участке
Рис. 8. Прибавка урожая моркови «Амстердам» (опыт/контроль) в 2006 г. на опытном участке
Рис. 9. Прибавка урожая овощных культур (опыт/контроль) в 2006 г. на опытном участке
Таким образом, по результатам данного исследования выявлено, что все использованные в эксперименте режимы высокоинтенсивного физического воздействия на семена овощных культур оказывают стимулирующий биологический эффект при оценке урожайности.
Наиболее эффективными режимами ЭПКР для повышения урожайности овощных культур являются режимы с напряженностью 3,5 кВ/см и 5 кВ/см. Наиболее эффективными режимами НСИ для повышения урожайности овощных культур являются режимы с запасенной суммарной электрической энергией источника питания 80 кДж.
На рисунках 10 - 13 представлены результаты экспериментального исследования влияния НСИ с запасенной суммарной электрической энергией источника питания 40 кДж на посадочный материал картофеля.
Выявлено, что при данном режиме воздействия, всхожесть обработанного картофеля повышается по сравнению с контрольным, причем при первом замере, через 21 день, обработанного картофеля взошло 86 %, а контрольного - 55 %, при втором замере, через 6 дней, в группе после обработки наблюдалась 100 % всхожесть, в контрольной же группе взошло лишь 86 %.
Рис. 10. Динамика всхожести картофеля, обработанного НСИ с запасенной суммарной электрической энергией источника питания 40 кДж
Зарегистрировано, что цветение обработанного картофеля происходит раньше по сравнению с контрольным, причем при первом замере обработанного картофеля цвело 28 %, а контрольного - 13 %, при втором замере в группе после обработки наблюдалось цветение 43 % картофеля, в контрольной же группе - лишь 35 %.
Рис. 11. Динамика цветения картофеля, обработанного НСИ с запасенной суммарной электрической энергией источника питания 40 кДж
Данные весовой прибавки собранного картофеля, отсортированного по размеру, представлены в виде процентного отношения веса собранного картофеля каждого сорта из опытной группы к контролю. Выявлено, что при данном режиме воздействия в группе обработанного картофеля вес крупных клубней на 148 % больше, чем в контрольной, вес средних клубней на 38 % больше, а мелких - на 28 % меньше, чем в контрольной группе.
Рис. 12. Весовая прибавка (опыт/контроль) собранного картофеля, обработанного НСИ с запасенной суммарной электрической энергией источника питания 40 кДж
Данные прибавки собранного картофеля по количеству клубней, отсортированных по размеру, представлены в виде процентного отношения количества собранного картофеля каждого сорта из опытной группы к контролю. Отмечено, что при данном режиме воздействия в группе обработанного картофеля крупных клубней на 140 % больше, чем в контрольной, средних клубней на 53 % больше, а мелких - на 4 % больше, чем в контрольной группе. Общий сбор урожая картофеля увеличился по сравнению с контролем на 32 %.
Таким образом, по результатам данного исследования выявлено, что при воздействии на посадочный материал картофеля НСИ с запасенной суммарной электрической энергией источника питания 40 кДж наблюдается стимулирование роста и развития, повышение всхожести и сокращение вегетационного периода картофеля.
Кроме того, данное физическое воздействие вызывает повышение качества урожая картофеля, т.к. вес и количество крупных и средних клубней в опытной группе значительно больше, чем в контрольной.
Рис. 13. Количественная прибавка (опыт/контроль) собранного картофеля, обработанного НСИ с запасенной суммарной электрической энергией источника питания 40 кДж
Полученные в данном эксперименте результаты, по-видимому, связаны с тем, что механизм действия некогерентных световых импульсов заключается в реализации запасенной во время светоимпульсного облучения энергии на синтез пигментов, ускоренное протекание хлоропластогенеза, митохондрогенеза и т.д. В итоге действия и последействия на клетку световых импульсов, стимулирующих растения, повышаются одновременно урожайность, семенная продуктивность в потомстве и биосинтез полезных продуктов.
Выводы
1. Проведены экспериментальные исследования влияния ЭПКР градиентного типа, создаваемого установкой «Экран», и НСИ, создаваемого установкой «Стимул», на урожайность овощных культур.
2. По результатам данного исследования выявлено, что все использованные в эксперименте режимы высокоинтенсивного физического воздействия на семена овощных культур оказывают стимулирующий биологический эффект при оценке урожайности.
3. Определено, что наиболее эффективными режимами ЭПКР для повышения урожайности овощных культур являются режимы с напряженностью 3,5 кВ/см и 5 кВ/см.
4. Выявлено, что наиболее эффективными режимами НСИ для повышения урожайности овощных культур является режим с запасенной суммарной электрической энергией источника питания 80 кДж.
5. Показано, что при воздействии на посадочный материал картофеля НСИ с запасенной суммарной электрической энергией источника питания 40 кДж наблюдается стимулирование роста, развития, повышение всхожести и сокращение вегетационного периода картофеля.
6. Получено, что воздействие на посадочный материал картофеля НСИ с запасенной суммарной электрической энергией источника питания 40 кДж вызывает повышение качества урожая картофеля.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
- Спиров Г.М., Селемир В.Д. Разработка устройств для получения высокоинтенсивных физических факторов в НТЦ-1 ВНИИЭФ и перспективы их использования // Высокоинтенсивные физические факторы в биологии, медицине, сельском хозяйстве и экологии. Тр. Международной конф. 26-28 апреля 2004 г. - Саров, 2004. - С. 380-387.
- Спиров Г.М., Савосин С.В., Лукьянов Н.Б., Шлепкин С.И., Климкин В.И., Селемир Н.М. Применение электрического поля коронного разряда для стимулирования и обеззараживания посевного материала // Высокоинтенсивные физические факторы в биологии, медицине, сельском хозяйстве и экологии. Тр. Международной конф. 26-28 апреля 2004 г. - Саров, 2004. - С. 278-284.
- Шахов А.А. Повышение урожайности концентрированным светом. - М.: Колос, 1972. - 400с.
- Батыгин Н.Ф., Потапова С.М., Кортава Т.С. и др. Перспективы использования факторов воздействия в растениеводстве. М. ГВНИИТЭИСХ. 1978. 56 с.
- Батыгин Н.Ф. Биологические основы предпосевного облучения семян и зоны ее эффективности // Сельскохозяйственная биология. 1980. Вып.4. С. 495-04.
- Спиров Г.М., Зайцев А.С, Верхова А.Ф. и др. Стимулирование семян мощными светоимпульсными воздействиями // Международная конференция "Физика и промышленность". 22-26 сентября 1996 г. Голицыно. Московская область: Тезисы докладов. М.: ТОО НИЛ. 1996. С. 256-66.
- Спиров Г.М., Селемир В.Д., Верхова А.Ф. и др. Разработка электрофизических способов и аппаратуры для стимулирующей обработки семян и растений // Машинные технологии и новая сельскохозяйственная техника для условий евро-северо-востока России / Материалы II-ой Международной научно-практической конференции. 20-23 июня 2002 г. Киров, 2000. С. 44-55.
- Патент 2109429 Россия. А01 С1/00. Способы предпосевной обработки семян / Г.М. Спиров, В.Д. Селемир, А.Ф. Верхова // Бюл. 1998. № 12.
- Тюренкова Н.В., Спиров Г.М., Верхова А.Ф., Медведева Л.Н., Меркулова В.Г. Выращивание тепличных культур при стимулирующей обработке семян и вегетирующих растений физическими факторами // Высокоинтенсивные физические факторы в биологии, медицине, сельском хозяйстве и экологии. Тр. Международной конф. 26-28 апреля 2004 г. - Саров, 2004. - С. 308-315.