CC BY
49
УДК 631.53.01:612.014.464
Теоретические предпосылки к изучению вопроса озонирования семян
Богданов Андрей Владимирович, доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Переработка сельскохозяйственной продукции и безопасность жизнедеятельности»
e-mail: [email protected]
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Южно-Уральский государственный аграрный университет»
Евченко Виктория Вадимовна, аспирант кафедры «Переработка сельскохозяйственной продукции и безопасность жизнедеятельности» e-mail: [email protected] Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Южно-Уральский государственный аграрный университет»
Аннотация. В работе представлены теоретические предпосылки к изучению вопроса озонирования семян. Проведен анализ научных трудов, в которых представлены результаты экспериментальных исследований по озонированию семян сельскохозяйственных культур. На основе этого анализа предложена теоретическая система для определения всхожести семян после обработки озоном. Данный теоретический подход может быть полезен для изучения влияния концентрации озона на всхожесть семян для дальнейшего повышения урожайности сельскохозяйственных культур.
Ключевые слова: озонирование, семена, всхожесть, концентрация, озон, урожайность.
Повышение эффективности сельскохозяйственного производства и урожайности сельскохозяйственных культур является основным приоритетом в развитии АПК России. Чрезвычайно важным для защиты семян, растений, повышения урожая и сохранности сельхозпродуктов является наличие технологических приемов, обеспечивающих выполнение поставленной задачи. Одновременно возросли требования к защите и сохранности окружающей природной среды, снижению количества различных пестицидов и повышению качества сельскохозяйственной продукции. Поэтому одним из перспективных и экологически чистых направлений решения этих проблем является предпосевная обработка семян, в том числе озонированием [1].
Известно, что предпосевная обработка семян озонированием эффективна, поскольку позволяет стимулировать семена к прорастанию и защищать их от болезней, что повышает всхожесть и урожайность [1-10].
Так, на основе анализа литературных источников можно сделать вывод о том, что озонирование семян влияет на развитие болезней растений. Например, болезнь пыльная головня яровой пшеницы сортов «Ник», «Людмила», «Саратовская 59», «Саратовская 58», «Саратовская 66», «Саратовская 64» гарантированно уничтожается при концентрации озона 0,5 г/м3 и времени экспозиции 5-10 мин. От болезней бурая ржавчина и мучнистая роса при заданных параметрах полностью избавиться не удавалось. Зараженность растений бурой ржавчиной уменьшалась на 19 % в зависимости от сорта, а мучнистой росой - на 22 % [2]. По сведениям В.Н. Огнева обработка семян ярового ячменя озоном против корневых гнилей способствует снижению болезней растений на 2-12 % [3].
Кроме того, выявлено положительное влияние озона на подавление грибной инфекции следующих родов: Fusarium, Aspergillus, Pénicillium, Alternaria, Rhizopus. При этом определена оптимальная доза озона, которая составила 28,8 г-с/м3. На седьмой день исследований снижение зараженности составило от 33 до 89 % в зависимости от рода грибной инфекции по сравнению с контролем, а на 14 сутки - 65-96,4 % [4].
По результатам проведенных исследований Е.К.М. Саеед [5] отмечает, что при обработке зернового вороха озоном при концентрации 0,8 г/м3 и времени экспозиции 9 ч споровые бактерии сократились на 30 %, а плесневые грибы - на 70 %.
Отмечено положительное влияние озона на развитие микроорганизмов. Даже небольшие концентрации газа способствуют значительному обеззараживанию зернового вороха. Озонирование с долей озона около 2 мг/м3 и экспозицией в 30 мин практически полностью стерилизует большинство сельскохозяйственных культур [6].
Анализируя данные сведения можно считать, что озонирование семян эффективно борется с болезнями сельскохозяйственных культур.
В других трудах [2, 6, 7, 8] отмечено положительное влияние обработки семян озоном на урожайность сельскохозяйственных культур, которая увеличивается до 31 %.
Так, в работе М.А. Сигачёвой [8] исследуется взаимосвязь урожайности и режимов озонирования семян. Результаты представлены в таблице 1.
Таблица 1. Урожайность яровой мягкой пшеницы (т/га) в зависимости от предпосевного озонирования (мг/м3) (сорта Мариинка, Ирень), 2009-2011 гг.
15 минут 45 минут Коэффициент вариации V, % Наименьшая
Год Сорт Контроль 85 170 85 170 существенная разность НСР05
Мариинка 3,09 3,21 3,53 3,34 3,77 8
2009 Ирень 2,89 2,92 3,20 3,01 3,32 7 0,12
V, % 7 9 9 10 12 9
Мариинка 3,08 3,41 3,72 3,35 3,92 9
2010 Ирень 2,80 2,97 3,38 3,14 3,52 9 0,09
V, % 9 13 9 6 10 10
Мариинка 1,64 1,71 1,92 1,85 2,08 10
2011 Ирень 1,57 1,64 1,88 1,75 1,93 10 0,16
V, % 4 4 2 5 7 10
Среднее Мариинка 2,60 2,78 3,06 2,85 3,26 28
за три Ирень 2,42 2,51 2,82 2,63 2,92 26 0,13
года* V, % 49 52 50 48 51 27
НСР05 Фактор А (доза озона) = 0,09 НСР05 Фактор В (время озонирования) = 0,16 НСР05 Фактор АВ (взаимодействие дозы и времени) = *Sv (ошибка коэффициента вариации) = 0,76 % 0,13
Под влиянием предпосевного озонирования урожайность пшеницы сорта Мариинка в 2009 г. варьировала от 3,21 т/га до 3,77 т/га, при значении в контрольном образце - 3,09 т/га, сорта Ирень - от 2,92 т/га до 3,32 т/га, на контроле 2,89 т/га (см. табл. 1). В 2010 г. урожайность сорта Мариинка составила 3,35 т/га - 3,92 т/га, на контроле - 3,08 т/га, сорта Ирень от 2,97 т/га до 3,52 т/га, на контроле -2,80 т/га. В 2011 г. урожайность сорта Мариинка колебалась в пределах 1,71-2,08 т/га, при контроле - 1,64 т/га, сорта Ирень - 1,64-1,93 т/га, на контроле - 1,57 т/га. В среднем за три года урожайность пшеницы сорта Мариинка изменялась от 2,78 т/га до 3,26 т/га, составляя на контроле - 2,60 т/га, сорта Ирень - от 2,51 т/ га до 2,92 т/га, на контроле - 2,42 т/га [8].
На всех вариантах опыта увеличение дозы озона повышало урожайность во все годы исследований. Урожайность пшеницы обоих сортов повышалась при озонировании дозой озона 170 мг/м3 до 27 %, дозой 85 мг/м3 - до 12 % [8].
Более высокая урожайность зерна в среднем за три года получена при предпосевном озонировании семян 170 мг/м3 озона в течение 45 минут и составила у сорта Мариинка 3,26 т/га, у сорта Ирень - 2,92 т/га. Прибавка урожайности при данном варианте обработки по годам исследований варьировалась у сорта Мариинка от 0,44 т/га до 0,84 т/га, в среднем за три года была 0,66 т/га, у сорта Ирень - соответственно 0,36-0,72 т/га и 0,50 т/га [8].
В 2011 г. при более экстремальных условиях развития растений (ГТК май -июнь - 0,6, июль - август - 1,1) сорта проявили большую стабильность по способности формировать урожайность. Автор предположил, что озонирование оказывает положительное влияние на механизмы адаптации растений к неблагоприятным условиям [8].
Кроме того, в настоящее время имеется ряд работ [5, 9, 10], в которых пред-
ставлены результаты экспериментальных исследовании по вопросу повышения всхожести семян после их предпосевной обработки озоном.
Так, Е.К.М. Саеед [5] выявил повышение всхожести семян зерновых культур, обработанных озоном в концентрации 0,8 г/м3 при 9 ч экспозиции. При этом семена озимой пшеницы сорта Имени Рапопорта повысили всхожесть с 85 до 95,7 % и перешли из внеклассной категории в 1 класс. Остальные культуры также улучшили данный показатель. Семена озимой пшеницы сорта Заря повысили всхожесть с 94,0 до 98,7 %, сорта Мироновская 808 - с 96,7 до 99,0 %, ржи сорта Восход-2 - с 72,7 до 88,3 %, тритикале сорта Виктор - с 91,0 до 98,7 %, овса - с 70,0 до 86,7 %, ячменя сорта Зазерский 85 - с 64,0 до 79,3 %. Таким образом, всхожесть семян повышалась в зависимости от сорта и культуры на 2,3-16,7 % [5].
В диссертации А.А. Шевченко получены опытные данные по влиянию концентрации озона, времени обработки и времени отлежки семян кукурузы после обработки на их всхожесть [9]. Были построены поверхности, отображающие воздействие озоновоздушной смеси на исследуемый объект (рис. 1) [9].
Рисунок 1. Зависимость всхожести семян кукурузы от концентрации озона
и отлежки после обработки
Рассмотрев зависимость всхожести семян от концентрации озона, представленную на рисунке, можно сказать, что наиболее приемлемыми режимами обработки для повышения всхожести семян кукурузы являются режимы, при которых концентрация озона находится в пределах от 20 до 40 мг/м3. В данном случае всхожесть исследуемого зерна составляет 80 % при первоначальной всхожести около 65 % [9]. То есть увеличилась на 15 %.
Ученые Ставропольского государственного аграрного университета проводили исследования по воздействию озона на семенной материал с целью повышения всхожести семян пшеницы. Результаты эксперимента представлены в таблице 2 [10].
Таблица 2. Влияние озона на всхожесть зерна пшеницы, % (контроль - 75,0 %)
Доза озона, г-с/м3 Экспозиция семян, сутки Среднее значение
0 7 14
2,1 77,5 | 79,8 80,0 79,0
Доза озона, г-с/м3 Экспозиция семян, сутки Среднее значение
0 7 14
8,4 82,0 83,0 84,0 83,0
9,9 86,0 86,0 89,0 87,0
10,5 86,0 86,0 88,0 86,7
12,6 90,0 90,0 94,0 91,3
14,7 92,0 9,0 94,5 92,5
16,8 90,0 90,0 94,8 91,6
18,9 90,0 90,0 93,0 91,0
19,8 74,3 74,3 76,8 75,1
Среднее значение 85,3 85,6 88,2 -
НСР 0=3,3 XV, 0,95 '
Для выработки единого подхода к оценке влияния озона на семена пшеницы было введено понятие «доза обработки», которая рассчитывается по формуле [10]:
D = с • t (1),
где й - доза обработки, гс/м3; с - концентрация озона, г/м3; t - время обработки семян (экспозиция), с.
Из формулы 1 видно, что доза обработки зависит от концентрации озона и времени обработки семян. Причем с увеличением концентрации с и времени обработки tдоза й - увеличивается.
В результате проведенного эксперимента всхожесть семян пшеницы возросла по мере увеличения дозы обработки озоно-воздушным потоком (см. табл. 2) [10]. Всхожесть существенно менялась, начиная с дозы озона 9,9 г-с/м3. Максимального значения 94,8 % данный показатель достиг при обработке озоном дозой 16,8 г-с/ м3. При этом всхожесть по сравнению с контролем (75,0 %) увеличилась на 19,8 %.
Тем не менее, из таблицы 2 видно, что на повышение всхожести, главным образом, влияет доза озона, то есть его концентрация и время озонирования. Отлеж-ка семян после обработки озоном также увеличивает всхожесть, но незначительно.
Несмотря на то, что в этих работах [5, 9, 10] представлены данные о зависимости всхожести от концентрации озона и других параметров, теоретически данный вопрос изучен недостаточно. Для его изучения рассмотрим рисунок 1.
Так, кривые изменения всхожести в зависимости от концентрации озона (см. рис. 1) показывают, что при повышении концентрации возрастает всхожесть семян. Нужно отметить, что повышение концентрации озона эффективно до определенного уровня. Как видно из рисунка, при достижении определенной критической концентрации озона (~ 40 мг/м3) всхожесть семян начинает снижаться. То есть дальнейшее повышение концентрации оказывает отрицательное воздействие на всхожесть семян. В связи с этим имеет смысл рассматривать область кривой до критической концентрации - показана сплошной линией (рис. 2).
Рисунок 2. Зависимость всхожести семян от концентрации озона
В целом, как видно из рисунка, зависимость всхожести от концентрации озона, по сути, подчиняется параболической зависимости, которая описывается уравнением вида:
y = a • x2 + b • x + c. (2)
В уравнении (2) главным слагаемым является [11, 12]. Если коэффициенты и будут равны нулю, то уравнение параболы примет вид:
y = a • x2. (3)
С учетом уравнения (3) и того, что семена имеют первоначальную всхожесть (всхожесть до обработки озоном), можно предположить, что всхожесть при обработке семян озоном будет подчиняться следующей зависимости:
Bcx = (Bxo + ac • С2) • 100 %, (4)
где Bcx - всхожесть семян, %; Bcx0 - всхожесть семян до обработки озоном, %;
ac - коэффициент, учитывающий влияние концентрации озона на всхожесть семян, м6/мг2;
c - концентрация озона, мг/м3.
Уже отмечалось, что после достижения определенной критической концентрации скр всхожесть начинает снижаться (см. рис. 2). Поэтому область кривой, представленной на рисунке, расположенной правее точки скр нецелесообразна с точки зрения повышения всхожести при обработке семян озоном. То есть, обработка семян озоном эффективна в области кривой, находящейся левее точки скр. Из этого следует, что концентрация озона не должна превышать значение с
кр
с ^ сКр. (5)
Тогда на основе выражений (4) и (5) можно составить следующую систему:
Вс=( Всхо + а-с 2)-100
---. (6)
с ^
Система (6) показывает, что всхожесть семян увеличивается с повышением концентрации озона при обработке семян. Причем, превышение концентрации
выше критического значения скр недопустимо. В предложенной теоретической системе неизвестен коэффициент ас, значение которого может быть найдено при проведении экспериментов по озонированию семян.
Предложенный теоретический подход может быть полезен для изучения влияния концентрации озона на всхожесть семян для дальнейшего повышения урожайности сельскохозяйственных культур.
В настоящее время на кафедре «Переработка сельскохозяйственной продукции и безопасность жизнедеятельности» ФГБОУ ВО «Южно-Уральский государственный аграрный университет» ведется работа по созданию установки для озонирования семян (подана заявка на патент). С помощью этой установки будет определен коэффициент и рациональные режимы озонирования семян.
Список литературных источников:
1. Савельев, В. А. Предпосевная обработка семян зерновых культур [Электронный ресурс] : монография / В. А. Савельев. - Саратов : Изд-во «Вузовское образование», 2014. - (Высшее образование). - 197 с. - Док. опубл. не был. - Доступ с сайта ЭБС IPRbooks. - Загл. с экрана.
2. Шестерин, И. В. Влияние озона и протравителей на посевные качества и оздоровление яровой пшеницы [Текст] : дис. ... канд. с.-х. наук : 06.01.05, 06.01.11 / И. В. Шестерин. - Саратов, 2004. - 148 с.
3. Огнев, В. Н. Применение экологически безопасных способов предпосевной обработки семян для защиты ярового ячменя против корневых гнилей [Текст] / В. Н. Огнев, Л. В. Корепанова // Научный потенциал - аграрному производству : материалы Всерос. науч.-практ. конф. (26-29 февр. 2008 г.) / ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА. - Ижевск : ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2008. - Т.1. - С. 172-176.
4. Авдеева, В. Н. Применение экологических методов подавления патогенной микрофлоры зерна озимой пшеницы при хранении [Текст] : дис. ... канд. с.-х. наук : 03.00.16 / В. Н. Авдеева. - Ставрополь, 2009. - 141 с.
5. Саеед, Е. К. М. Биологическая активность озона как средства дезинсекции хранящегося зерна [Текст] : дис. ... канд. биол. наук : 06.01.11 / Е. К. М. Саеед. -Москва, 2004. - 134 с.
6. Kaufmann technology. Практическое применение озона в растениеводстве [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.kaufmanntec.ru/images/ present/Rastenievodstvo.pdf, свободный. - Загл. с экрана.
7. Горский, И. В. Обработка семян пшеницы озонированным воздухом [Текст] : дис. ... канд. техн. наук : 05.20.02 / И. В. Горский. - Москва, 2004. - 202 с.
8. Сигачёва, М. А. Влияние предпосевного озонирования семян на урожайность и качество зерна яровой мягкой пшеницы в Кузнецкой лесостепи [Текст] : авто-реф. дис. ... канд. с.-х. наук : 06.01.01 / М. А. Сигачёва. - Красноярск, 2015. - 19 с.
9. Шевченко, А. А. Параметры электроозонирования для предпосевной обработки семян кукурузы [Текст] : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.20.02 / А. А. Шевченко. - Краснодар, 2005. - 20 с.
10. Авдеева, В. Н. Обработка семян пшеницы озоном с целью повышения их посевных качеств [Текст] / В. Н. Авдеева, Ю. А. Безгина // Sworld : сб. науч. тр. - 2015. - Т. 17, № 2. - С. 25-29.
11. Бронштейн, И. Н. Справочник по математике [Текст] / И. Н. Бронштейн, К. А. Семендяев. - Москва : Гос. изд-во техн.-теор. лит., 1957. - 608 с.
12. ГИА. Квадратичная функция [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://
www.mosrepetitor.ru/pages1//22/, свободный. - Загл. с экрана.
References:
1. Savel'ev V. A. Predposevnaya obrabotka semyan zernovyh kul'tur [Pre-Sowing Treatment of Crop Seeds]. Saratov, Vuzovskoe obrazovanie, 2014. 197 p. Available at site of ЭБС IPRbooks (in Russian, unpublished)
2. Shesterin I. V. Vliyanie ozona i protraviteley na posevnye kachestva i ozdorovlenie yarovoy pshenitsy. Kand. Dis. [Effect of Ozone and Disinfectants on the Sowing Qualities and Improvement of Spring Wheat. Cand. Diss.]. Saratov, 2004. 148 p.
3. Ognev V. N., Korepanova L. V. Application of ecologically safe methods of pre-sowing seed treatment to protect spring barley against root rot. Nauchnyy potentsial - agrarnomu proizvodstvu: materialy Vseros. nauch.-prakt. konf. (26-29 fevr. 2008 g.) [Scientific Potential to Agricultural Production: Materials of all-Russian Scientific-Practical Conf. (Feb. 26-29, 2008]. Izhevsk, FGOU VPO Izhevskaya GSKhA, 2008. Vol.1. pp. 172-176 (in Russian).
4. Avdeeva V. N. Primenenie ekologicheskikh metodov podavleniya patogennoy mikroflory zerna ozimoy pshenitsy pri khranenii. Kand. Dis. [Application of Ecological Methods of Pathogenic Microflora Suppression of Winter Wheat Grain during Storage. Cand. Diss.] Stavropol', 2009. 141 p.
5. Saeed E. K. M. Biologicheskaya aktivnost' ozona kak sredstva dezinsektsii khranyashchegosya zerna. Kand. Dis. [Biological Activity of Ozone as a Means of Disinfestation of Stored Grain. Cand. Diss.]. Moscow, 2004. 134 p.
6. Kaufmann technology. Prakticheskoe primenenie ozona v rastenievodstve [Practical Application of Ozone in Plant Growing]. Available at: http://www.kaufmanntec. ru/images/present/Rastenievodstvo.pdf
7. Gorskiy I. V. Obrabotka semyan pshenitsy ozonirovannym vozdukhom. Kand. Dis. [Treatment of Wheat Seeds with Ozonized Air: Cand. Diss.]. Moscow, 2004. 202 p.
8. Sigachova M. A. Vliyanie predposevnogo ozonirovaniya semyan na urozhaynost' i kachestvo zerna yarovoy myagkoy pshenitsy v Kuzneckoy lesostepi. Kand. Dis. [Influence of Pre-Sowing Ozonization of Seeds on Productivity and Quality of Grain of Spring Soft Wheat in Kuznetsk Forest-Steppe. Extended Abstract of Cand. Diss.]. Krasnoyarsk, 2015. 19 p.
9. Shevchenko A. A. Parametry elektroozonirovaniya dlya predposevnoy obrabotki semyan kukuruzy. Kand. Dis. [Parameters of Electrozoning for Pre-Sowing Treatment of Maize Seeds. Extended Abstract of Cand. Diss.]. Krasnodar, 2005. 20 p.
10. Avdeeva V. N., Bezgina YU. A. Treatment of wheat seeds with ozone to improve their sowing qualities. Sbornik nauchykh trudov: Sworld [Proceedings: Sworld], 2015, Vol. 17, no. 2, pp. 25-29 (in Russian).
11. Bronshteyn I. N., Semendyaev K. A. Spravochnik po matematike [Handbook of Mathematics]. Moscow, Gos. izd-vo tekhn.-teor. lit., 1957. 608 p.
12. GIA. Kvadratichnaya funktsiya [GIA. Quadratic Function]. Available at: http:// www.mosrepetitor.ru/pages1//22/
Theoretical prerequisites for studying the
seeds ozonation
Bogdanov Andrey Vladimirovich, Doctor of Science (Engineering), Associate Professor, the Head of the Agricultural Processing and Health and Safety Chair
e-mail: [email protected]
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education the South Ural State Agrarian University
Evchenko Victoriya Vadimovna, a postgraduate student, the Agricultural Processing and Health and Safety Chair
e-mail: [email protected]
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education the South Ural State Agrarian University
Abstract. The paper presents the theoretical prerequisites for studying the problem of seeds ozonation. The analysis of scientific papers describing the results of experimental studies in the field of agricultural crops seeds ozonation has been carried out. Based on this analysis, the theoretical system for determining the seed germination after treatment with ozone has been proposed. This theoretical approach can be useful for studying the ozone concentration effect on seed germination for further agricultural crops productivity improving.
Keywords: ozonation, seeds, germination, concentration, ozone, crop yield.
