За последнее столетие в мире произошли радикальные сдвиги в решении проблемы повышения эффективности сельского хозяйства и обеспечения населения продуктами питания. Интенсивная научная и технологическая деятельность в решении широкого комплекса задач велась по самым различным направлениям. Одно из таких направлений связано с изучением биологического действия на растения, их семена и плоды электромагнитных полей и излучения оптического диапазона [1, 2]; появились работы, посвященные исследованию соответствующих физико-химических механизмов [3, 4]. В частности, значительные ожидания связаны с эффектом от обработки посадочного материала сельскохозяйственных культур лазерным излучением с длиной волны из инфракрасной (например, [5–7]) и ультрафиолетовой (например, [8, 9]) частей спектра.
Результаты анализа многочисленных работ, посвященных влиянию облучения на всхожесть семян, как правило, говорят, что соответствующая обработка дает положительные результаты. Например, в работе [6] для ИК-сушки использовались различные излучатели: «ELSER» с длиной волны 3,3 мкм, лампы «КГТ» – 1,45 мкм и «OSRAM» – 1,1 мкм. Наибольший стимулирующий эффект наблюдался у ламп OSRAM с излучением в ближней инфракрасной (ИК) области спектра. Представленные данные показали, что всхожесть семян, высушенных ИК-способом, для семян овощных культур в зависимости от типа излучателя увеличивается в среднем на 11–24 %. В другой работе, посвященной изучению влияния ИК-излучения [7], сообщается, что обработка дражированных семян лазерным излучением низкой интенсивности положительно влияет на урожай сахарной свеклы. Облученные семена опережают контрольные во всходах, прирост содержания сахара составляет более 15 %.
Исследования влияния ультрафиолетового (УФ) облучения на зерна пшеницы в работе [8] проводились со светом ртутно-кварцевой лампы. Эксперименты показали, что ультрафиолетовое излучение стимулирует всхожесть и ускоряет развитие проростков пшеницы. При малых дозах облучения влияние ультрафиолета проявляется в повышении вегетативной массы и длины зеленых проростков. Указывается, что УФ-облучение зерен пшеницы повышает содержание в них антиоксидантов. С другой стороны, в работе [9] делается вывод, что облучение семян пшеницы ультрафиолетом в течение 5 и 30 мин незначительно меняет всхожесть и энергию прорастания – на 1–3 %. Таким образом, в известных нам данных обнаруживаются противоречия, так что вопрос влияния лазерного излучения на развитие семян сельскохозяйственных культур нельзя считать в полной мере изученным.
Цель исследования состояла в том, чтобы определить, как облучение в инфракрасной части спектра, проведенное в ходе предпосевной обработки семенного материала, влияет на его прорастание и влагопоглощение.
Материалы и методы исследования
Эксперименты проводились на базе лаборатории агробиофотоники Пермского федерального исследовательского центра (ПФИЦ) УрО РАН. Семенной материал для исследований был предоставлен лабораторией агротехнологий Пермского научно-исследовательского института сельского хозяйства (НИИ СХ) ПФИЦ УрО РАН.
Методика проведения эксперимента, соответствующая ГОСТ 12038-84 «Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести», была разработана совместно с сотрудниками Пермского НИИ СХ.
В качестве источника когерентного излучения использовался иттербиевый лазер с длиной волны 1080 нм с возможностью регулирования его выходной оптической мощности. Экспериментальная установка состояла из лазера с блоком питания; персонального компьютера, с которого при помощи специализированного программного обеспечения задавались параметры излучения, генерируемого лазером. Это излучение рассеивалось с торца пигтейла, закрепленного на держателе таким образом, чтобы обеспечивалось полное покрытие световым потоком кюветы, в которой размещался облучаемый семенной материал. Мощность лазера и расстояние от торца пигтейла до кюветы использовались в расчете площади модового пятна на облучаемой поверхности и плотности мощности излучения.
По всей площади кюветы следовало создать одинаковую освещенность. С этой целью были предложены и рассчитаны три оптические схемы: а) с непосредственным облучением кюветы с торца пигтейла (числовая апертура 0,22, половинный угол расходимости 12,7°); б) с отраженным от зеркала также расходящимся пучком; в) с использованием системы линз, дающих параллельный пучок. Реализованы были две первые схемы; в соответствии с расчетами степень неоднородности освещенности для лучшей из этих двух схем не превышала 5 %; в схеме, которую пока не удалось реализовать, эта величина должна была снизиться до менее чем 1 %.
Так как спектральный состав излучения влияет на развитие семян и растений, был определен спектр используемого лазера. Оказалось, что он излучает в узком интервале длин волн вблизи 1080 нм; полуширина пика по точкам половинной мощности составляла около 6 нм.
Известно, что на прорастание семенного материала влияет большое количество факторов окружающей среды, таких как температура, освещенность, влажность и т.д. Вариации этих параметров зашумляют результаты экспериментов, поэтому методически правильно проводить облучение сопоставляемых образцов семенного материала в течение одного дня.
В ходе подготовки кювет для семян их оборачивали слоем фольги для предупреждения паразитной засветки. Следуя методике [4], в кювету укладывали сложенную в три слоя марлю, которая после смачивания формировала питательную среду для семян. В каждую кювету укладывали 100 семян одной из исследуемых культур, располагая их равномерно, без наложений друг на друга, с тем, чтобы семена получали одинаковую дозу облучения.
Во всех экспериментах сравнивали результаты для четырех групп кювет – облучавшихся 1, 3 и 5 мин, а также контрольных, не подвергавшиеся облучению.
Для исследования влияния лазерного излучения на всхожесть семян были взяты восемь различных сельскохозяйственных культур: 1 – ячмень Родник Прикамья некондиционный, 2 – голозерный овес Першерон, 3 – пшеница, 4 – овес Стайлер, 5 – клевер Луговской Лобановский, 6 – лен Масличный уральский, 7 – горчица, 8 – ячмень Родник Прикамья кондиционный. Для набора статистики и получения значения отклонения проводилось пять серий экспериментов; в рамках каждой серии использовали по четыре кюветы для каждого из восьми видов семян. Ниже представлены результаты, усредненные по всем сериям.
Исследование проводили с использованием Yb-лазера при освещенности 113,23 и 509,55 Вт/м2. После облучения содержимое кювет поливали водой из расчета 10 мл на 100 семян. Подсчет количества проросших семян проводился спустя 24, 48 и 72 ч после облучения. По результатам подсчетов определяли долю проросших семян от их общего количества, строили диаграммы, отражающие зависимость доли проросших семян от длительности облучения в абсолютных значениях и в процентном соотношении с контрольной группой.
Для исследования влияния лазерного излучения на влагопоглощение семян было отобрано шесть видов сельскохозяйственных культур: 1 – ячмень Родник Прикамья некондиционный, 2 – ячмень Родник Прикамья кондиционный, 3 – голозерный овес Першерон, 4 – пшеница, 5 – овес Стайлер, 6 – горох. Как и при исследовании прорастания семян, в каждой из пяти серий экспериментов использовали по четыре кюветы; в них укладывали по 10 г зерен для каждого вида растений. Продолжительность лазерной обработки сохраняли ту же: 1, 3 и 5 мин.
Семена в каждой кювете предварительно взвешивали; взвешивание проводили согласно ГОСТ 11913-66 «Зерновые культуры. Норма точности взвешивания». После облучения семенной материал поливали из расчета 20 мл воды на 10 г. Контроль влагопоглощения проводили путем взвешивания семян, высушенных бумажными салфетками, спустя 2 и 24 ч после облучения. Для визуализации результатов строили диаграммы, отражающие зависимости от продолжительности облучения для разницы относительного прироста массы в экспериментальных и контрольных образцах.
Результаты исследования и их обсуждение
Прорастание. Результаты исследования влияния лазерного облучения на всхожесть семенного материала оценивали, сравнивая количество проросших зерен в образцах, подверженных облучению, и в контрольных образцах. Усредненные по пяти сериям экспериментов результаты через 72 ч после облучения при плотности мощности 113,23 Вт/м2 и 509,55 Вт/м2 представлены на рис. 1 и 2. Для разницы между долями проросших семян в экспериментальных и контрольных группах можно проследить зависимость от продолжительности облучения.
Приведенные данные показывают, что инфракрасное лазерное излучение по-разному влияет на прорастание семенного материала в зависимости от культуры.
Вне зависимости от мощности излучения наибольший прирост проросших семян показал голозерный овес Першерон; лазерная обработка в течение 1 мин способствовала увеличению прорастания на 11 % по сравнению с контрольной группой. Наиболее сильное негативное влияние наблюдалось для семян ячменя Родник Прикамья (уменьшение прорастания до 19 %).
Для остальных культур эффект не вполне отчетливый, но в целом прослеживается тенденция к ухудшению результата с увеличением продолжительности облучения. С учетом того, что разброс результатов в контрольной группе составлял 5–7 %, говорить об определенном влиянии ИК излучения на прорастание семян нет оснований.
Рис. 1. Разница доли проросших семян в экспериментальных и контрольной группах: зависимость от продолжительности облучения; плотность мощности 113,23 Вт/м2
Рис. 2. Разница доли проросших семян в экспериментальных и контрольной группах: зависимость от продолжительности облучения; плотность мощности 509,55 Вт/м2
Влагопоглощение. Анализируя данные по приросту массы образцов, можно сделать вывод, что все виды семян впитывают влагу в количестве примерно половины своей массы, за исключением ячменя Родник Прикамья и пшеницы. Горох впитывает практически 100 % от своей массы. Схожие результаты получены при плотности мощности облучения 96,25 Вт/м2 и 509,55 Вт/м2. Поэтому можно предположить, что мощность облучения влияет на результат несущественно. Более того, сравнение экспериментальных и контрольных групп не обнаруживает систематических изменений.
В целом оказалось, что за первые два часа после облучения и замачивания семена увеличивают свою массу приблизительно на 12–23 %, за сутки они впитывают немногим большее количество влаги. Таким образом, за первые часы семена поглощают основную часть воды, а в дальнейшем «добирают до своей нормы».
Рис. 3. Разница относительного прироста массы облученных семян (в %) по сравнению с образцами контрольной группы через 2 ч при плотности мощности 96,25 Вт/м
Рис. 4. Разница относительного прироста массы облученных семян (в %) по сравнению с образцами контрольной группы через 24 ч при плотности мощности 96,25 Вт/м2
Рис. 5. Разница относительного прироста массы облученных семян (в %) по сравнению с образцами контрольной группы через 24 ч при плотности мощности 509,55 Вт/м2
Теперь сравним влагопоглощение в экспериментальных и контрольных группах образцов. Влияние лазерного облучения оценивали, сравнивая массу зерен в кюветах, подвергавшихся и не подвергавшихся обработке.
Результаты при плотности мощности 96,25 Вт/м2, усредненные по пяти сериям экспериментов, представлены на рис. 3 и 4. На диаграммах представлена разница между относительным увеличением массы семян в экспериментальных и контрольных группах в зависимости от продолжительности облучения и времени замачивания в воде.
Практически по всем позициям (видам растений и продолжительности облучения), кроме ячменя Родник Прикамья, наблюдается усиление влагопоглощения при замерах через 24 ч, несмотря на некоторое снижение этого показателя по сравнению с контрольными группами при замерах через 2 ч. При этом увеличение экспозиции в большинстве случаев приводит к ухудшению результатов.
При увеличении мощности излучения до 509,55 Вт/м2 происходило уменьшение влагопоглощения, что видно из сравнения данных на рис. 4 и 5.
Во всех случаях изменение обсуждаемого показателя составляло, как правило, 2–3 %, что сопоставимо с оценками экспериментальной погрешности.
Заключение
Полученные данные не позволяют сделать однозначных выводов о влиянии ИК-лазерной обработки семян на их прорастание. С увеличением продолжительности облучения прослеживается слабая тенденция к ухудшению результата.
На влагопоглощение такая обработка влияет в целом положительно, но очень слабо. Увеличение продолжительности и мощности облучения дает ухудшение результатов.
Следует, однако, отметить, что в описанных экспериментах не выполнялось строгое термостатирование образцов и что речь идет о длине волны излучения 1080 нм.
Дальнейшие эксперименты планируется посвятить изучению других эффектов от обработки семян лазерным излучением: его возможности обеззараживания зерновых культур от фитопатогенных грибов, влиянию на биохимический состав проростков и на урожайность.
Работа выполнена в рамках государственного задания, номер государственной регистрации НИОКТР 122031100058-3.