Нанобиопрепараты в технологии производства яровой и озимой пшеницы Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

ТЕХНОЛОГИЯ ВЫСОКИХ УРОЖАЕВ

УДК 631.811.94

Нанобиопрепараты

Сок^россахар - 20 лет на iuaia страны-!

в технологии производства яровой и озимой пшеницы

А.А. НАЗАРОВА, (e.mail: nanocentr-apk@yandex.ru)

С.Д. ПОЛИЩУК, докт. техн. наук, руководитель Наноцентра для АПК

Д.Г. ЧУРИЛОВ, Ю.В. ДОРОНКИН

Рязанский ГАТУим. П.А. Костычева

Важнейшей задачей агропромышленного комплекса Российской Федерации является развитие зернового хозяйства. Зерновые культуры имеют огромное значение как источник важнейших продуктов питания для населения и концентрированных кормов для сельскохозяйственных животных. Основной резерв производства зерна — это увеличение урожайности культур на основе введения наиболее адаптированных и продуктивных культур и сортов, повышения качества семян, применения прогрессивных ресурсосберегающих технологий возделывания [1].

В настоящее время в сельском хозяйстве широко применяются наноматериалы и нанотехноло-гии. При этом главной задачей является определение их воздействия на окружающую среду и качество сельскохозяйственной продукции. Наноматериалы, обладая малыми размерами, легче вступают в химические превращения, они способны образовывать соединения с неизвестными ранее свойствами. Особенность химического взаимодействия на-ночастиц с жидкой средой является одним из определяющих факторов в активации развития растений [6].

Наиболее удачной считается предпосевная обработка семян

культуры биологически активными препаратами, стимулирующими рост и развитие растений [2]. Высокую эффективность в растениеводстве и кормопроизводстве показали нанодисперсные порошки металлов и разработанные на их основе нанобиопрепа-раты. На базе Рязанского государственного агротехнологического университета им. П.А. Костычева на протяжении 20 лет изучается влияние биологически активных наноматериалов на физиологические, биохимические и продуктивные показатели основных сельскохозяйственных культур — вику, рапс, картофель, озимую и яровую пшеницу, овёс, ячмень, кукурузу, подсолнечник и др. Использование наночастиц металлов в технологии выращивания сельскохозяйственных культур в оптимальных концентрациях способствовало повышению урожайности на 18—25%, а также увеличению качества сельскохозяйственной продукции (полисахариды, белки, витамины, микроэлементы) до 25% [3, 4, 5].

Цель исследования — изучить возможности применения нано-биопрепаратов в качестве стимуляторов роста яровой и озимой пшеницы и внедрение их в технологию производства для повышения урожайности и качества сельскохозяйственной продукции.

Специалистами Наноцентра проведены исследования:

♦ влияния нанобиопрепара-тов на яровую пшеницу сорта «РИМА» в условиях опытного поля Рязанского научно-исследовательского института сельского хозяйства (мелкоделяноч-ный опыт, ФГБНУ «Рязанский НИИСХ», пос. Подвязье, Рязанская область, 2013—2015 гг.);

♦ влияния нанобиопрепаратов на озимую пшеницу сорта «Московская 56» в условиях Агротех-нологической опытной станции Рязанского государственного аг-ротехнологического университета имени П.А. Костычева (производственный опыт, ФГБОУ ВО РГА-ТУ, пос. Стенькино, Рязанская область, 2014-2016 гг.).

Схема и методы

исследований

Мелкоделяночные полевые исследования проводились на опытном поле отдела селекции и первичного семеноводства ГНУ Рязанского НИИСХ. Закладка опыта осуществлялась на тёмно-серой, лесной тяжелосуглинистой почве. Агрохимические показатели: общий азот — 0,24%, содержание гумуса в слое 0-40 см (по Тюрину) — 5,19%, азот гидролизный — 123,5 мг/кг, рН солевой вытяжки 4,92 мг — экв/100 г; подвижного фосфора — 34,6 мг/100 г, подвиж-

22 САХАР № 12 • 2016

Ура Аайнйш ЯШо&шг Тщо-L

ТЕХНОЛОГИЯ ВЫСОКИХ УРОЖАЕВ

Схиа^оссахар - /.U лет на о лага страны-! -

ного калия — 20,0 мг/100 г. Посев осуществляли по технологии, рекомендованной для возделывания данной культуры, с учётом погодных условий. Предшественник — озимая пшеница.

Опыт однофакторный. Фактор — предпосевная обработка семян различными биопрепаратами на основе наночастиц биогенных металлов. Повторность в опыте четырёхкратная, размещение вариантов систематическое, площадь делянки 12,6 м2, уборочная площадь — 11,3 м2.

Производственные полевые исследования на озимой пшенице проводились на опытном поле Агротехнологической станции РГАТУ. Закладка опыта осуществлялась на серой лесной среднесу-глинистой почве, хорошо окультуренной, содержание гумуса в пахотном слое составляло 3,4% и рНсол среды почвенной вытяжки — 5,9. Обеспеченность подвижным фосфором — 13,0—14,5 мг/100 г почвы и калием — 11,8— 12,4 мг/100 г почвы. Плотность почвы — 1,1—1,2 г/см.

Повторность в опыте трёхкратная, размещение вариантов систематическое, площадь делянки 1 га, уборочная площадь — 0,8 га.

Для создания биопрепаратов использовались нанопорошки, произведённые в НИТУ МИСиС со следующими характеристиками: нанопорошки железа ^е), кобальта (Со) и меди (Си) — мелкодисперсные однородные порошки соответственно чёрного, тёмно-серого и тёмно-красного цвета без посторонних включений, чистота 99,99%. Средний размер частиц — 20—40 нм. Для придания биологической активности суспензию металла подвергали ультразвуковой обработке в водной среде.

Схема опыта

Перед посевом семена замачивались на 30 мин.:

1) контроль — в дистиллированной воде;

2) в водном растворе биопрепарата на основе наночастиц железа (НП железа);

3) в водном растворе биопрепарата на основе наночастиц меди (НП меди);

4) в водном растворе биопрепарата на основе наночастиц кобальта (НП кобальта).

Значение суммы активных температур за период вегетации принято считать достаточно стабильным для конкретного сорта вне зависимости от погодных условий. В целом температурные условия 2013—2016 гг. оказались благоприятными для созревания яровой и озимой пшеницы.

Закладка опытных делянок, наблюдения, оценки проведены в соответствии с «Методическими рекомендациями по госиспытанию сельскохозяйственных культур», определение количества и качества клейковины в зерне пшеницы - по ГОСТ 13586.1-68.

Статистическую обработку полученных данных проводили методом дисперсионного анализа по

Доспехову с помощью пакета статистических программ Excel 7.0.

Результаты исследований

на яровой пшенице «РИМА»

Предпосевная обработка семян яровой пшеницы биологически активными препаратами в оптимальной концентрации способствовала повышению полевой всхожести (рис. 1). В 2013 г. достоверное повышение полевой всхожести наблюдалось на варианте с наночастицами меди — на 8,0% и наночастицами кобальта — на 5,0% относительно контрольных значений. В 2014 г. всхожесть возросла в присутствии наноча-стиц железа на 5,2% и наночастиц кобальта — на 6,5%, в 2015 г. — под действием кобальта 5,5% и меди 4,3% относительно контроля.

По результатам наблюдений в процессе онтогенеза 2013—2015 гг. вегетационный и межфазные периоды контрольных и опытных растений достоверно не отличались.

В фазе начала выхода в трубку были проанализированы высота растений, а также масса корней

№ 12 • 2016 САХАР

23

и вегетативной части растений яровой пшеницы (табл. 1, рис. 2).

Развитие и рост растений, семена которых были обработаны биологически активными нанопре-паратами (см. табл. 1), опережали контрольные растения. Различие растений по высоте не оказались достоверными, хотя опытные были выше контрольных на 5,0—8,9%. Масса корневой части достоверно превышала контроль на варианте с НП кобальта (на 32,6%), масса вегетативной части растений была выше контроля на всех опытных вариантах, но достоверно увеличилась при НП железа (+22,3%) и НП кобальта (+47,1%). На рис. 2 представлены фотографии контрольных и опытных растений яровой пшеницы за 2014 г.

Анализ структуры урожая и урожайности яровой пшеницы «РИМА» за 2013—2015 гг. показал следующее (табл. 2).

В 2013 г. урожайность семян яровой пшеницы «РИМА» достоверно была выше контроля на вариантах с наночастицами меди и кобальта. Применение биологически активных наночастиц металлов также способствовало увеличению у растений опытных групп числа колосков и средней длины колоса. Помимо повышения числа зёрен в колосе на 2% по сравнению с контролем в среднем по вариантам, масса зёрен в колосе также была выше контроля на 8,0% с применением наночастиц железа, на 14,5% — на-ночастиц меди и на 12% в варианте применения наночастиц кобальта. Изменилась урожайность семян яровой пшеницы: при использовании наночастиц железа — увеличилась на 13,7%, наночастиц кобальта — на 14,4%, наночастиц меди — на 17,5%, что является лучшим результатом в опыте.

Результаты 2014 г. значительно отличаются от результатов 2013 г. Так, опытные варианты были выше контроля по показателям «число зёрен в колосе», «масса зёрен в колосе» и массы 1 000 семян. Достоверное повышение урожайности

Рис. 2. Контрольные и опытные растения яровой пшеницы (июль, 2014 г.)

Таблица 1. Морфофизиологические показатели растений яровой пшеницы сорта «РИМА»

Варианты Высота растений Масса корневой части Масса вегетативной части

см Отношение к контролю, % г Отношение к контролю, % г Отношение к контролю, %

Контроль 48,0±1,53 — 1,78±0,09 — 7,03±0,51 —

НП железа 50,4±1,69 +5,0 1,75±0,11 —1,7 8,60±0,44 +22,3

НП меди 51,0±1,62 +6,3 1,88±0,11 +5,6 7,76±0,48 + 10,4

НП кобальта 52,3±1,28 +8,9 2,36±0,12 +32,6 10,34±0,59 +47,1

НСР05 5,44 0,18 0,87

наблюдалось при использовании наночастиц железа (+9,9%) и наночастиц меди (+8,4%), наночастицы кобальта не оказали влияния на урожайность яровой пшеницы.

В 2015 г. у растений опытных групп было замечено большее число колосков и зёрен в колосе, увеличилась и масса зёрен в колосе с применением наночастиц железа — на 36,9%, наночастиц меди — на 19,2%, наночастиц кобальта — на 13,7% относительно контроля. Увеличение продуктивных показателей структуры урожая привело к повышению урожайности семян яровой пшеницы: при использовании наночастиц кобальта — на 5,74%, наночастиц меди — на 9,39%, наночастиц железа — на 12,53% относительно контроля.

После уборки опытных и контрольных делянок в лабораторных

условиях были определены массовая доля сырой клейковины и её качество, а также зольность зерна яровой пшеницы сорта «РИМА» (табл. 3, рис. 3).

Зольность зерна во всех вариантах была ниже контроля, за исключением варианта с наночасти-цами меди в 2014 г. Массовая доля сырой клейковины превышала контроль в 2013 г. в вариантах с наночастицами железа и меди (на 1,02% и 0,43% соответственно), в 2014 г. содержание клейковины было выше контроля во всех опытных вариантах: при использовании наночастиц железа — на 5,61%, наночастиц меди — на 8,24%, наночастиц кобальта — на 4,95%.

В 2015 г. зольность зерна практически не отличалась от контроля. Массовая доля сырой клейковины превышала контроль во всех вари-

24 САХАР № 12 • 2016

Ура Аайнага ЯШв&шг Тща Ь

ТЕХНОЛОГИЯ ВЫСОКИХ УРОЖАЕВ

Саю^рассахар - /.и лет на о лага страны-! -

Таблица 2. Структура урожая и урожайность яровой пшеницы «РИМА»

за 2013-2015 гг.

Вариант Число колосков в колосе, шт Длина колоса, см Число зёрен в колосе, шт Масса зёрен в колосе, г Масса 1 000 зёрен, г Урожайность, ц/га Отношение к контролю, %

Данные за 2013 г.

Контроль 10,4 5,9 16,6 0,54 30,6 21,98±2,99 -

НП железа 10,9 6,1 18,9 0,64 34,5 24,99±2,55 + 13,7%

НП меди 12,5 6,4 20,2 0,72 32,8 25,83±1,96 + 17,5%

НП кобальта 11,2 6,2 21,5 0,69 31,8 25,15±2,59 + 14,4%

НСР05 3,06 ц/га

Данные за 2014 г.

Контроль 11,8 6,1 20,9 0,88 42,1 38,29±2,49

НП железа 12,5 5,9 22,7 0,99 43,6 42,08±3,02 +9,9%

НП меди 11,8 5,7 22,0 0,95 43,2 41,52±2,04 +8,4%

НП кобальта 12,3 6,1 22,4 0,84 37,5 38,26±2,19 -0,08%

НСР05 2,61 ц/га

Данные за 2015 г.

Контроль 21,9 6,1 19,5 0,73 37,44 38,3±1,22 -

НП железа 26,5 6,6 26,4 1,00 37,88 43,1±2,03 + 12,53%

НП меди 24,3 6,2 23,5 0,87 37,02 41,9±2,87 +9,39%

НП кобальта 22,9 5,8 21,9 0,83 37,89 40,5±2,54 +5,74%

НСР05 2,16 ц/га

Таблица 3. Некоторые показатели качества зерна яровой пшеницы «РИМА»

Варианты Зольность зерна, % Массовая доля сырой клейковины, % Показатель качества клейковины Группа качества

Данные за 2013 г.

Контроль 2,19 26,67±0,13 82,9±0,4 II

НП железа 2,02 27,69±0,55 84,9±0,8 II

НП меди 1,97 27,10±0,14 83,8±1,1 II

НП кобальта 2,01 25,11±0,89 84,0±0,5 II

Данные за 2014 г.

Контроль 2,14 25,34±0,12 83,8±0,9 II

НП железа 2,02 27,95±0,15 83,0±1,2 II

НП меди 2,21 30,58±0,48 85,0±2,4 II

НП кобальта 2,03 27,29±0,62 84,8±2,1 II

Данные за 2015 г.

Контроль 2,10 26,38±0,15 83,5±1,4 II

НП железа 2,12 27,95±0,18 83,6±1,7 II

НП меди 2,11 30,17±0,43 85,3±1,8 II

НП кобальта 2,13 29,23±0,69 84,6±1,1 II

антах, максимально с наночастица-ми меди и кобальта (на 3,79% и на 2,85% соответственно). По качественному показателю клейковина всех вариантов была отнесена ко II группе качества. По совокупности полученных результатов зерно пшеницы «РИМА», полученное в

2013-2015 гг., может быть отнесено к 3-му классу.

Таким образом, применение биологически активных препаратов на основе наночастиц металлов способствует повышению качественных и количественных показателей урожайности яровой пшеницы.

Рис. 3. Уборка учётных площадок яровой пшеницы, выделение клейковины и определение её качества

Результаты исследований на озимой пшенице

Исследование влияния наноби-опрепаратов на рост и развитие озимой пшеницы в 2014-2016 гг. показало следующее. Обработка семян перед посевом проводилась совместно с протравливанием, что исключило дополнительные материальные и трудозатраты. В производственных условиях обработка нанопрепаратами способствовала повышению полевой всхожести (на 3-10% в зависимости от металла).

№ 12 • 2016 САХАР 25

В табл. 4 представлены данные по урожайности и содержанию клейковины.

Анализ данных табл. 4 свидетельствует, что предпосевная обработка семян озимой пшеницы совместно с протравливанием показала высокую эффективность нанобиопрепаратов в производственных условиях. В зависимости от металла увеличилась масса 1 000 зёрен (на 4,0—7,4%), достоверно и значительно увеличилась урожайность зерна, а также содержание клейковины, что позволило в процессе опыта увеличить класс полученного зерна с 4-го (контроль) до 3-го (биопрепараты на основе железа и меди).

Выводы

Мелкоделяночные и производственные полевые исследования показали, что нанобиопрепараты обладают высокой биологической активностью от процесса прорастания до сбора зерна яровой и озимой пшеницы. Их применение в качестве стимулятора роста при предпосевной обработке семян способствовало повышению полевой всхожести, массы растений и корней, урожайности и качества зерна.

Наибольший эффект по сумме показателей продуктивности наблюдался при использовании в технологии возделывания яровой пшеницы для нанобиопрепарата на основе меди, а для озимой пшеницы — препараты с наночастица-ми железа.

Полученные данные позволяют рекомендовать нанобиопрепараты в качестве стимуляторов роста нового поколения для сельскохозяйственных растений.

Список литературы

1. Агрономия: учеб. пособие для учреждений сред. проф. образования / Н.Н. Третьяков, Б.А. Ягодин, А.М. Туликов [и др.]; под ред. Н.Н. Третьякова. — М. : Издательский центр «Академия», 2004. — 480 с.

2. Кубеев, Е.И. Технологии и техниче-

Таблица 4. Структура урожая, урожайность и содержание клейковины озимой пшеницы «Московская 56» за 2014—2016 гг.

Вариант Масса 1 000 зёрен, г Урожайность, ц/га Отношение к контролю, % Содержание клейковины, %

Контроль 32,1±0,5 25,08±1,95 - 18,9

НП железа 34,5±0,4 36,09±1,52 +43,89% 23,3

НП меди 33,4±0,7 35,53±1,16 +41,67% 23,9

НП кобальта 33,8±0,8 34,15±2,33 +36,16% 22,1

нср05 3,18 ц/га

Рис. 4. Всходы озимой пшеницы и растения в стадии кущения

ские средства по предпосевной обработке семян сельскохозяйственных культур: монография / Е.И. Кубеев, В.А. Смелик. - СПб. : СПбГАУ, 2011. - 209 с.

3. Полищук, С.Д. Биологически активные препараты на основе наноразмер-ных частиц металлов в сельскохозяйственном производстве / С.Д. Полищук, А.А. Назарова, И.А. Степанова [и др.] // Нанотехника. - 2014. - № 1 (37). - С. 72-81.

4. Polishuk, S.D. Ecologic-Biological Effects of Cobalt, Cuprum, Copper Oxide Nano-Powders and Humic Acids on Wheat Seeds / S.D. Polishuk, А.А. Nazarova,

M.V. Kutskir [and oth.] // Modern Applied Science. - 2015. - vol. 9. - No. 6. - Р. 354-364.

5. Чурилов, Г.ЖЭколого-биологиче-ское влияние нанопорошков меди и оксида меди на фитогормоны вики и пшеницы яровой / Г.И. Чурилов, Ю.Н. Ива-нычева, С.Д. Полищук // Нанотехника.

- 2013.- № 4 (36). - С. 43-46.

6. Федоренко, В.Ф. Нанотехнологии и наноматериалы в агропромышленном комплексе: научн. изд. / В.Ф. Федоренко, М.Н. Ерохин, В.И. Балабанов [и др.] - М. : Росинформагротех, 2011.

- 312 с.

Аннотация. Показано влияние биопрепаратов, содержащих наночастицы металлов железа, кобальта и меди, на яровую и озимую пшеницу. Изучено влияние биопрепаратов на морфологические и физиологические показатели растений, урожайность, структуру урожая и химический состав пшеницы, а также на содержание в зерне клейковины. На основе исследований рекомендовано внедрение биологически активных наноматериалов в интенсивную технологию возделывания данной сельскохозяйственной культуры. Ключевые слова: яровая пшеница; озимая пшеница; нанопорошки железа, кобальта, меди; нанобиопрепараты; биологически активные наноматериалы; урожайность; структура урожайности; клейковина.

Summary. The article presents the influence of biopreparations containing nanoparticles of ferrum, cobalt and cuprum on spring and winter wheats. We have studied the influence of biopreparations on morphological and physiological parameters of plants, the yield, its structure and chemical composition of wheat as well as on gluten. On the basis of investigations we have recommended introduction of biologically active nanomaterials into intensive technology of growing the crop.

Keywords: spring wheat; winter wheat; ferrum, cobalt, cuprum nanopowders; nano-bio-drugs; biologically active nanomaterials; yield; yield structure, gluten.

26 САХАР № 12 • 2016

Ура Аайнага ЯШв&шг Taga L