CC BY
50УДК 631.371: 633.854.78:631.53.027.3
ПРЕДПОСЕВНАЯ ОБРАБОТКА СЕМЯН ПОДСОЛНЕЧНИКА В МАГНИТНОМ ПОЛЕ
В.В. Савченко, А.Ю. Синявский
Национальный университет биоресурсов и природопользования Украины, Киев,
Украина
Аннотация. Целью работы являлось изучение влияния магнитного поля на посевные качества семян подсолнечника. В результате проведенных исследований установлено, что предпосевная обработка семян подсолнечника в магнитном поле улучшает его посевные качества, биометрические показатели растений, что можно объяснить увеличением скорости химических реакций в семенах, растворимости солей и кислот, проницаемости клеточных мембран, усилением транспорта в клетку ионов, кислорода и воды. Основными факторами, влияющими на процесс обработки семян подсолнечника в магнитном поле, являются магнитная индукция, ее градиент и скорость движения семян. Эффективность обработки семян зависит от квадрата магнитной индукции, которая является наиболее существенным фактором. На основе полученных аналитических зависимостей и экспериментально определены режимные параметры обработки семян подсолнечника и их оптимальные значения: магнитная индукция 0,065 Тл при четырехкратном перемагничивании, градиенте магнитного поля 0,57 Тл/м и скорости движения семян 0,4 м/с. При таком режиме обработки семян подсолнечника в магнитном поле энергии прорастания увеличивалась на 28 %, а всхожесть - на 24 %.
Ключевые слова: подсолнечник, предпосевная обработка, магнитное поле, магнитная индукция, скорость движения семян, энергия прорастания, всхожесть
Введение. В настоящее время актуальной задачей является повышение урожайности сельскохозяйственных культур и качества продукции без применения химических средств.
В прошлом веке основным способом повышения урожайности сельскохозяйственных культур было внесение минеральных и органических удобрений и применения химических средств защиты растений. Но чрезмерное применение минеральных удобрений приводит к изменению структуры почвы и вызывает загрязнение окружающей среды, а также ухудшение качества продукции.
Поэтому возникла потребность в повышении урожайности другими методами для получения экологически чистой продукции, среди которых ведущая роль принадлежит электрофизическим факторам [1].
Обработка семян в магнитном поле имеет преимущества перед другими электрофизическими методами. Применяемые установки для обработки семян в магнитном поле имеют высокую производительность, малую энергоемкость, являются безопасными для обслуживающего персонала и окружающей среды.
В настоящее время проведено много экспериментальных исследований, которые свидетельствуют о положительном влиянии предпосевной обработки семян в магнитном поле на энергию прорастания и всхожесть семян [2, 3],а также биометрические показатели
растений [4]. Урожайность сельскохозяйственных культур увеличивается на 16 - 30%. [5]. Улучшаются биохимические показатели и качество растительной продукции, например, возрастает содержание масла в семенах подсолнечника [5, 6].
При магнитной обработке повышается резистентность к грибковым и бактериальным заболеваниям зерна и растений [7], что делает в ряде случаев возможным снижение применения химических средств защиты до 30 % [5].
Внедрение магнитной обработки семян в практику сельскохозяйственного производства требует установления механизма действия магнитного поля на семена для определения действующих факторов и их оптимальных значений.
Цель исследования - изучение влияния магнитного поля на посевные качества семян подсолнечника.
Материалы и методы исследования. Экспериментальные исследования проводились с семенами подсолнечника сорта «Люкс» на лабораторной установке. Семена подсолнечника перемещали на транспортерной ленте через магнитное поле, создаваемое четырьмя парами постоянных магнитов из интерметаллического композита NdFeB, установленными параллельно над и под лентой транспортера с переменной полярностью.
Магнитную индукцию регулировали в пределах 0 - 0,4 Тл, измеряя ее значение тесламетром 43205/1.
Скорость движения семян регулировалась в пределах 0,4 - 0,8 м/с изменением частоты вращения приводного электродвигателя транспортера с помощью преобразователя частоты Delta VFD004EL43A.
Обработанные в магнитном поле семена проращивали и определяли энергию прорастания, всхожесть и длину ростка по известной методике [8].
Исследования проводились методом планирования эксперимента с использованием ортогонального центрально-композиционного плана [9].В качестве факторов принимались магнитная индукция (Х1) и скорость движения семян подсолнечника (Х2), а выходных величин - энергия прорастания и всхожесть семян.
На основе проведенных однофакторных экспериментов были определены значения нижнего, основного и верхнего уровней фактора, которые составили для магнитной индукции соответственно 0; 0,065 и 0,130 Тл, для скорости движения семян - 0,4; 0,6 и 0,8 м/с.
Обработку данных многофакторного эксперимента выполняли по известной методике.
Результаты и обсуждение
В настоящее время принято считать, что магнитное поле действует на водные растворы внутри клетки семян [10]. Влияя на движущиеся электрически заряженные частицы биообъекта, магнитное поле влияет на физико-химические и биохимические процессы.
Экспериментально установлено, что в магнитном поле изменяется скорость химических реакций. С использованием теории столкновений было получено аналитическое выражение, связывающее скорость химической реакции с параметрами магнитного поля [8]:
ст = сехр[т(К2В2 + 2КВу)Na /2RT] (1)
где а - скорость химической реакции без воздействия магнитного поля, моль/(л с); m - приведенная масса ионов, кг; В- магнитная индукция, Тл; v- скорость движения ионов, м/с;
К- коэффициент, зависящий от концентрации и вида ионов, а также количества перемагничиваний, м/(с • Тл);
Ыа - число Авогадро, молекул/ моль; Я - универсальная газовая постоянная, Дж/моль • К; Т- температура, К.
Магнитное полеускоряет химическую реакцию образования ионов, вследствие чего возрастает растворимость солей и кислот:
ат = а ехр[т(К2В2 + 2К,Вv)Ыа / 2ЯТ], (2)
где ам и а - степень электролитической диссоциации при воздействии магнитного поля и без него.
Все эти факторы приводят к изменению рН и биопотенциала клеточной среды:
(3)
тЫаК
АрН = ^ сн + - ^ сн + =-
Н1 Н 2 2,3ЯТ
КВ -+ уВ
2
V
ЯТ ( \ тЫаК АВР = -2,3-- ) =-—
гр 2 1 гр
2
КВ
-+ у В
2
V
(4)
где г- валентность иона;
р - число Фарадея, Кл/моль.
Магнитное поле усиливает проницаемость клеточных мембран, что способствует ускорению диффузии молекул и ионов через мембрану, а также воды. При этом увеличиваетсяводопоглощения семян [11]:
С - С2 Ат = —-2 рУ | 1 - ехр
С1 + С2
- 2к, (а + К В/т)2ехр(- Е / кТ) / Ь2 Т), (6)
ц т а }
где р - плотность воды, кг/м3;
V - объем воды, который прошел через мембрану, м .
В магнитном поле на ионы действует сила Лоренца, которая усиливает транспорт ионов через мембрану, вследствие чего изменяется удельная электропроводность клеточного раствора [12]:
у== КтС£ (а + К В/т)(а + КтВ/т + К Ву)ехр[т(К;2В2 + 2К,Ву)Ыа/2Ят] (7)
$ т о
и изменяется ионный ток в клетке:
I =^ КС„ (а + К В / т)(а + К В /т + К Ву)ехр[т(К,2 В2 + 2К, Щ Ы /2ЯТ ], (8)
Ь 7 £ т т Ъ ^ *
где ф - диффузный потенциал, В;
Се - суммарная концентрация раствора, моль/л; К у, Кт, КЪ,К{ - коэффициенты; т - полюсное деление, м.
В результате действия этих факторов повышаются энергия прорастания и всхожесть семян, биометрические показатели растений и урожайность сельскохозяйственных культур.
Из приведенных аналитических выражений следует, что основными действующими факторами при обработке семян в магнитном поле является магнитная индукция и ее градиент (полюсное деление), а также скорость движения семян.
На основании проведенных исследований также было установлено, что применение четырехкратного перемагничивания усиливает эффект магнитной обработки. Дальнейшее увеличение числа перемагничиваний не существенно влияет на эффект обработки семян.
В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что при изменении магнитной индукции от 0 до 0,065 Тл увеличивается энергия прорастания (рис. 1, а) и всхожесть семян подсолнечника (рис. 1, б). При магнитной индукции, превышающей 0,065 Тл, энергия прорастания и всхожесть семян уменьшались, но были выше за контроль. При магнитной индукции, превышающей 0,13 Тл, эти показатели изменяются мало с увеличением магнитной индукции, а при магнитной индукции 0,3 Тл несущественно превышают контроль.
На изменение посевных качеств семян влияет скорость их движения в магнитном поле. Наибольшими энергия прорастания и всхожесть семян были при скорости движения семян 0,4 м/с. Увеличение скорости движения семян незначительно уменьшает эффект обработки.
Увеличение градиента магнитного поля также несколько усиливает эффект магнитной обработки семян, однако в диапазоне полюсного деления 0,1 - 0,3 м он является менее существенным фактором, чем магнитная индукция.
100
Magnetic induction (В), mTI Magnetic induction (В), mTI
а б
Рисунок 1 - Зависимости энергии прорастания (а) и всхожести (б) семян
подсолнечника от магнитной индукции и скорости движения в магнитном поле По результатам проведенных многофакторных экспериментов были получены уравнения регрессии, которые связывают изменения посевных качеств семян подсолнечника с режимными параметрами обработки семян в магнитном поле, которые имеют вид:
для энергии прорастания
Е = 65.33 + 748.72В - 3.33у - 230.77БУ - 4024В2; (9)
для всхожести семян
О = 73.06 + 623.08В - 2.5у - 115.39БУ - 3629В 2 (10)
Высоту ростков семян подсолнечника определяли на 7 день после обработки семян в магнитном поле (рис. 2, а). Зависимость биометрических показателей ростков подсолнечника от режимных параметров обработки (рис. 2, б) подобна зависимостям,
установленным для энергии прорастания и всхожести семян. Наибольшую высоту имели ростки подсолнечника при обработке семян в магнитном поле с индукцией 0,065 Тл и при скорости движения семян 0,4 м/с.
-0,4 m/s -0,6 m/s 0,8 m/s
100 200 300 400 500 Magnetic induction (B),mTI
а б
1 - контроль; 2 - 0,04 Тл; 3 - 0,065 Тл; 4 - 0,13 Тл; 5 - 0,325 Тл
Рисунок 2 - Биометрические показатели ростков подсолнечника (а) и зависимость их высоты от магнитной индукции и скорости движения семян в магнитном поле (б)
Проведенные исследования показали, что наилучший результат был получен при предпосевной обработке семян подсолнечника в магнитном поле с магнитной индукцией 0,065 Тл при четырехкратном перемагничивании, градиенте магнитного поля 0,57 Тл/м и скорости движения семян 0,4 м/с.
Выводы
На основе проведенных исследований установлено, что при предпосевной обработке семян подсолнечника в магнитном поле возрастает скорость химических и биохимических реакций, растворимость солей и кислот, проницаемость биологических мембран, усиливается транспорта ионов, молекул и воды в клетку, что обусловливает улучшение посевных качеств семян. Изменения энергии прорастания, всхожести и биометрических показателей зависят от квадрата магнитной индукции, градиента магнитного поля и скорости движения семян. Наиболее эффективный режим обработки семян подсолнечника имеет место при магнитной индукции 0,065 Тл, четырехкратном перемагничивании, градиенте магнитного поля 0,57 Тл/м и скорости движения семян 0,4 м/с. При таком режиме обработки семян энергия прорастания возрастает на 28 %, всхожесть - на 24 %.
Список использованных источников:
1. Vasilyev A. A., VasilyevA. N., Dzhanibekov A. K., Normov D. A.. Theoretical and experimental research on pre-sowing seed treatment // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020, 791(1), 012078.
2. Martinez E., Florez M., Carbonell M.V. Stimulatory Effect of the Magnetic Treatment on the Germination of Cereal Seeds // International Journal of Environment,Agriculture and Biotechnology (IJEAB), Vol. 2 (1), 2017, pp. 375-381.
3. KatariaS., BaghelL., KadurN. Guruprasad. Pre-treatment of seeds with static magnetic field improves germination and early growth characteristics under salt stress in maize and soybean //Biocatalysis and Agricultural Biotechnology, Vol.10, 2017, pp. 83-90.
4. Massimo E. Maffei.Magnetic field effects on plant growth, development, and evolution// Front. PlantSci.,N5, 2014,p. 445.
5. Кутис С. Д., Кутис Т. Л. Электромагнитные технологиии в растениеводстве. Ч. 1.
Электромагнитная обработка семян и посадочного материала.М.:К1ёего, 2017, 49 с. Доступно по URL:http://www.litres.ru/pages/biblio_book/?art=23932313
6. Ramalingam, Radhakrishnan. Seed pretreatment with magnetic field alters the storage proteins and lipid profiles in harvested soybean seeds. // Physiology and Molecular Biology of Plants,Vol. 24 (2), 2018, рр. 343-347.
7. Нижарадзе Т. С. Влияние экологических приемов предпосевных обработок семян ячменя на пораженность листостеблевыми болезнями// Известия Оренбургского государственного аграрного университета, N6(44), 2013, c.c. 56-58.
8. KozyrskyiV., SavchenkoV., SinyavskyO. Presowing Processing of Seeds in Magnetic Field. Handbook of Research on Renewable Energy and Electric Resources for Sustainable Rural Development. IGIGlobal, 2018,pp.576 - 620.
9. Адлер Ю. П., Маркова Е. В., Грановский Ю. В. Планированиеэксперимента при поискеоптимальныхусловий. М.: Наука, 1976, 278 с.
10. Юва О.В., Ходурський В.С. Дослщження та розробка пристрою для передпоавно'! обробки насшня цукрового буряка // Вюник Полтавсько'! державно! аграрно! академп,Ш, 2010,c.c. 176-178..
11. Козырский В. В., Савченко В. В., Синявский А. Ю.Влияниемагнитного поля на диффузию молекул через клеточную мембрану семянсельскохозяйственных культур // Вестник ВИЭСХ, №2 (15), 2014 , c.c. 16-19.
12. Zablodskiy М., Kozyrskyi V., Zhyltsov A., Savchenko V., Sinyavsky O., Spodoba M., Klendiy P., Klendiy G. Electrochemical Characteristics of the Substrate Based on Animal Excrement During Methanogenesis with the Influence of a Magnetic Field. // Proc. 40th Int. Conf. on Electronics and Nanotechnology, ELNANO, 2020,рр. 530 - 535.
В.В. Савченко, канд. техн. наук; А.Ю. Синявский, канд. техн. наук Национальный университет биоресурсов и природопользования Украины, Киев,
Украина
PRE-SOWING TREATMENT OF SUNFLOWER SEEDS IN A MAGNETIC FIELD
Abstract. The aim of the work was to study the influence of the magnetic field on the sowing qualities of sunflower seeds. As a result of the studies, it was found that pre-sowing treatment of sunflower seeds in a magnetic field improves its sowing qualities, biometric parameters of plants, which can be explained by an increase in the rate of chemical reactions in seeds, solubility of salts and acids, permeability of cell membranes, increased transport of ions and oxygen into the cell. and water. The main factors influencing the process of sunflower seeds treatment in a magnetic field are magnetic induction, its gradient and the velocity of seed movement.The effectiveness of seed treatment depends on the square of the magnetic induction, which is the most significant factor. On the basis of the obtained analytical dependencies and experimentally, the operating parameters of seed treatment and their optimal values were determined: magnetic induction 0.065 T with four-fold re-magnetization, magnetic field gradient 0.57 T/m and seed movement velocity 0.4 m/s. With this treatment of sunflower seeds in a magnetic field, the germination energy increased by 28 %, and the germination -by 24 %.
Keywords: sunflower, pre-sowing treatment, magnetic field, magnetic induction, seed velocity, germination energy, germination.
V.V. Savchenko, cand. tech. sci.; A.Yu. Sinyavsky, cand. tech. sci. National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, Kiev, Ukraine
