CC BY
12Экология и системы жизнеобеспечения
УДК 574.55 + 504 + 631 + 632
Mai Trong Ba1, Bachir Cherif Abd Eldjalal2, Alexander C. Knyazev3, Grigory K. Ivakhnyuk4
EFFECT OF WATER PROCESSED BY ELECTROPHYSICAL METHOD ON THE PRIMARY PERIOD OF RICE VEGETATION IN CONTAMINATED SOIL
St Petersburg State Institute of Technology (Technical University), Moskovsky Pr., 26, St Petersburg, 190013, Russia e-mail: maitrongba@gmail.com
It is shown that the use of electrophysically treated water for irrigation increases the germination energy, seed germination, and length of seedlings and reduces a negative effect of salinization and soil contaminant, i.e., diesel fuel. The results of the study are important for increasing the production of rice under conditions of climate change, increasing level of the world oceans and human economic activity because all these factors reduce the acreage, salinity and soil contamination.
Key words: electrophysical water treatment, rice production, climate change, contaminated soil
Ч.Б. Май1, Башир Шериф Абд Ельджалал2, А.С. Князев3, Г.К. Ивахнюк4
ВЛИЯНИЕ ВОДЫ, ОБРАБОТАННОЙ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИМ СПОСОБОМ,
НА НАЧАЛЬНЫЙ ПЕРИОД ВЕГЕТАЦИИ РИСА В ЗАГРЯЗНЁННОЙ ПОЧВЕ
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Московский пр. 26, Санкт-Петербург, 190013, Россия е-таИ: maitrongba@gmail.com
Показано, что использование для полива воды, обработанной электрофизическим способом, увеличивает энергию прорастания, всхожесть семян и длину проростков, снижает негативное воздействие засоления и загрязнителя почвы - дизельного топлива. Результаты исследования важны для увеличения производства риса в условиях изменения климата, повышения уровня мирового океана, хозяйственной деятельности человека, так как при этом происходит сокращение посевных площадей, засоление и загрязнение почв.
Ключевые слова: электрофизическая обработка воды, производство риса, изменение климата, загрязненная почва
Введение
Рис является самой важной продовольственной культурой во Вьетнаме. В 2015 году объем производства риса достиг 45,2 млн. т на уборочной площади более 7,8 млн.га [1]. Общий объем экспортных контрактов страны в 2015 году составлял 6,59 млн. т (2852 млн. долл.). С точки зрения экономики, в 2015 году доля риса в ВВП составила 5,45 % при доходах производителей риса всего 419 долларов с 1 га (долл./га) по сравнению с 1128 долл./га у тайских фермеров [2]. По прогнозам изменения климата, в результате повышения уровня моря на 100 см, которое может произойти уже к концу XXI века [3], площадь затопления увеличится на 16,8 % в дельте Красной реки и на 38,9 % в дельте Меконга. Если это произойдет, производство риса может упасть на 30-35 %.
В настоящее время повышение эффективности производства риса в условиях изменения климата и прогнозируемого сокращения посевных площадей, является главным показателем независимости и безопасности страны и ее регионов. И, так как возделывание риса связано со значительными затратами, необходимо снижать его себестоимость путем внедрения в производство но-
вых агротехнологий, например, безреагентных - основанных на электрофизической обработке поливной воды.
Воздействие изменения климата стало самой большой проблемой для сельскохозяйственного производства во Вьетнаме. По данным Генерального управления статистики Вьетнама, в первом полугодии 2016 года темпы производства риса во Вьетнаме показали замедление, хотя и самое наименьшее за последние 20 лет (рисовая продукция за первое полугодие 2016 года упала на 0,08 % ВВП). В то же время, производство лесной и рыбной продукции увеличилось на 5,75 % и 1,25 %. Основной причиной снижения производства сельскохозяйственной продукции является воздействие изменения климата [4].
В настоящее время во Вьетнаме рис выращивают на площади около 7,8 млн. га, основные регионы рисосеяния сосредоточены в южном и северном регионе. Ведущим производителем риса во Вьетнаме являются дельты Меконга и Красной реки, где сосредоточено соответственно 66,5 % и 29,6 % валового сбора. К концу июня 2016 г. в результате засух и засоления более 400 тыс. га посевных площадей снизили свою биопроизводительность. Помимо этого, еще 25,9 тыс. га исключено из сельскохо-
1 Май Чонг Ба аспирант каф. инженерной защиты окружающей среды e-mail: maitrongba@gmail.com Mai Trong Ba, Post-graduate student, Department of Environmental Engineering
2 Башир Шериф Абд Ельджалал, аспирант каф. инженерной защиты окружающей е-mail: jalalchrf@gmail.com Bachir Cherif Abd Eldjalal, Post-graduate student, Department of Environmental Engineering
3 Князев Александр Сергеевич канд. техн. наук, доцент каф. инженерной зашиты окружающей среды, е-mail: aallexander@rambler.ru Alexander C. Knyazev Ph.D. (Tech), Associate Professor, Department of Environmental Engineering
4 Ивахнюк Григорий Константинович, д-р хим. наук, профессор, зав. каф. инженерной зашиты окружающей среды е-mail: Environment_dept@ tehnolog.edu.ru
Grigory K. Ivakhnyuk, Dr. Sci. (Chem), Professor, Head of the Department of Environmental Engineering, Дата поступления - 24 ноября 2016 года
зяйственного оборота полностью по причинам техногенного характера и токсикологических загрязнений (общая сумма потерь более 6360 млн. дол.). В северном регионе за январь 2016 года из-за поступления холодного воздуха ночные температуры упали до самых низких значений исторических наблюдений (около плюс 2 °С), что вызвало потери урожая риса и овощей на площадях более 70 тыс. га [4]. Так за первое полугодие 2016 года по сравнению с аналогичным периодом прошлого года урожайность снизилась на 360 кг/га, причем главное сокращение имело место в дельте реки Меконга, где производство риса снизилось на 1,14 млн. т.
Основным фактором изменения климата является повышение уровня моря и нестабильность температуры, что обоснованно повышает внимание к проблеме прогнозирования изменения климата и природной среды отдельных регионов Вьетнама.
По данным [5-7] (прогнозный вариант RCP4.5) в середине этого столетия во Вьетнаме средняя температура повысится на 1,3^1,7 °С. К концу века в северном регионе температура увеличится на 1,9^2,4 °С, а в южном - на 1,7^1,9 °С. По прогнозу RCP8.5, в середине этого столетия, средняя температура повысится на 1,8^2,3 °С. К концу же века в северном регионе температура увеличится на 3,3^4,0 °C и на 3,0^3,5 °С в южном регионе.
Устойчивое развитие производства риса - это разноплановый, многокомпонентный и многоаспектный процесс, который можно охарактеризовать с помощью разнообразных критериев технологического, экономического, социального, экологического и духовного характера. Для условий Вьетнама и региона это исключительно большая проблема, потому что для выращивания 1 кг риса в среднем расходуется 2400 литров воды, а в сельском хозяйстве для риса используется до 40 % пресной воды. Согласно исследованиям [7], в результате интенсификации производства риса потребность в воде увеличится до 4040 м3/га. Недавние исследования также показали, что чем больше площадь производства риса и чем выше эффективность производства, тем легче применять новые технологии.
По прогнозам, в результате повышение уровня моря на 30 см, которое может произойти уже к 2040 г., объем производства риса может сократиться на 12 % в результате затопления и интрузии соленой воды. Поэтому, проблемы обеспечение потребности воды в условиях изменения климата, окажут в 2017-2040 гг. существенное влияние на продовольственную безопасность Вьетнама, что подчеркивает актуальность работы.
Современная мировая наука и практика большое внимание уделяет возделыванию и вегетации культур (рис, овес) при высоком содержании водорастворимых солей в почвогрунтах (солончаки). Известно, что при высоком содержании водорастворимых солей в почво-грунтах ухудшаются биохимические и физиологические процессы, протекающие в растительном организме, задерживаются набухание и прорастание семян, резко сокращается всасывающая сила корневой системы, что является причиной нарушения поступления питательных веществ и воды. Одним из возможных путей решения данной проблемы является использование поливной воды, прошедшей электрофизическую обработку [8].
Экспериментальная часть
Объектом лабораторных исследований в опытах по вегетации являлся рис (Oryza sativa) сорта Х-26.
Проращивание семян и последующая начальная вегетация [4] проводилось в течение 13^15 суток в комнатных условиях, в закрытых полипропиленовых контейнерах вместимостью 2 л, обеспечивающих условия изолированного биогеоценоза.
Влажность в закрытых контейнерах составляла 100 %. Полив субстрата обработанной водой проводился после заделки семян в почву. Выращивание в таких «зам-
кнутых» условиях было выбрано нами для того, чтобы не возникало проблем с поддержанием постоянной влажности почвы путем строго дозированного полива. Для повышения чувствительности растений (снижения их толерантности к условиям эксперимента) гумусовая часть субстрата (почвогрунт "Почва", по ТУ 0391-001-111580982002) разбавлялась стерилизованным речным песком (таблица 1).
Таблица 1. Состав субстратов в расчете на сухой остаток (60 °С) для выращивания семян
Компоненты смеси, г Масса смеси, г
Сухая фаза субстратов гумус песок хлорид натрия
1) (Грунт + песок) + хлорид натрия 100 мМ [П] 75 75 0,15 150,15
2) (Грунт + песок) + хлорид натрия 150 мМ [П] 75 75 0,23 150,23
Стерилизацию промытого речного песка проводили в сушильном шкафу при температуре 120 °С в течение 4 ч на поддоне слоем 1,5^2 см при периодическом перемешивании для более равномерной термообработки. Такая стерилизация приводит к уничтожению практически всей микрофлоры, в том числе спорообразующей. Более высокотемпературная, химическая или иная стерилизация не проводились, так как могли привести к практически неконтролируемым изменениям химического состава песка. После его остывания и приготовления смесей - субстратов различного состава, с заведомо сниженной влажностью, в них синхронно высаживали семена, затем проводился полив. Далее контейнеры закрывались и для проведения замеров их открывали на 1-2 мин.
Исследование влияния электрофизической обработки воды на проращивание семян на засоленных почвах. Нами исследовалось влияние воды, подвергнутой электрофизической обработке, на величину энергии прорастания, на всхожесть семян риса (ГОСТ 12038-84 [9])
Для повышения экспрессности эксперимента методика определения длины корней была адаптирована только до стадии образования надземных проростков и выполнялась в чашках Петри.
В части эксперимента по выращиванию растений отбирали 3 пробы по 20 семян в каждой. Полив посаженных семян осуществлялся: в первом образце исходной дистиллированной водой; во втором - дистиллированной обработанной водой в течение 30 мин; в третьем - дистиллированной водой, обработанной в течение 60 мин. Выращивание семян и подсчет параметров проводили согласно ГОСТ 12038-84. На седьмые сутки измеряли длину корней и надземной части проростков при трехкратном повторении эксперимента.
Была определена характеристика «энергия прорастания» семенного материала с необработанной водой при различных молярностях хлорида натрия: 50 мМ NaCl; 100 мМ NaCl; 150 мМ Naa; 200 мМ Naa. Результаты представлены в таблице 2.
Исследование влияния электрофизической обработки воды на фазу кущения риса на загрязненных почвах. Для электрофизической обработки воды использовали промышленный электронный генератор переменного частотно-модулированного электрического поля (ПЧМП) (Сертификат соответствия № РОСС RU.ME48. Н01578. ТУ 4218-001-56316494-2004.) низкой частоты (от 40 до 200 Гц). Обработка осуществлялась через единичный плоский электрод (на поверхности которого формировался диэлектрический пограничный слой), служащий аналогом конденсатора. Расчетное значение импеданса цепи составляло I = 0,1 ... 1,5 мА, схема устройства обеспечивала работу в режиме резонанса напряжения при эквивалентных значениях индуктивности 2,8 мГн и емкости 4мкФ, соответственно.
Использовали три образца почвы, массой по 150 г, состоящей из гумуса и стерилизованного речного песка в соотношении 1 : 1. В каждый образец почвы, перед посадкой, вносили 2 % мас. нефтепродукта (дизельное топливо). Для однородности распределения нефтепродукта в субстрате его распыляли на слой субстрата толщиной 0,5^1 см, затем тщательно перемешивали. Полив исходной и загрязненной земли с семенами производился: (I) обычной дистиллированной водой; (II) дистиллированной водой, обработанной в течение 30 мин; (III) дистиллированной водой, обработанной в течение 60 мин.
Обсуждение результатов1
Влияние электрофизической обработки воды на выращивание растений на засоленных почвах. Из результатов определения характеристик семенного материала видно (таблица 2), что крайне неблагоприятные условия для прорастания семян складываются при использовании раствора NaCl, от молярности 100 мМ и выше.
Таблица 2. Всхожесть семян риса
Таблица 3. Влияние электрофизической обработки воды на ростовые процессы и морфометрические параметры проростков риса на 7 сутки
Молярность раствора NaCl, мМ 0 50 100 150 200
Всхожесть, % 95 85 63 54 42
Аналитическая проба Лабораторная всхожесть, % Зародышевый корешок Средн. длина ростка, мм
Средн. длина, мм Число,шт.
1 2 >3
[П] Контроль 70 24 4 6 4 17
Обр. дист. вода за 30 мин. 77 28 3 5 7 27
Обр. дист. вода за 60 мин. 83 32 4 6 6 30
[П2] Контроль 60 21 6 4 2 16
Обр. дист. вода за 30 мин. 67 27 4 6 4 24
Обр. дист. вода за 60 мин. 74 31 5 6 4 28
Поэтому для последующих исследований нами были приняты заведомо высокие концентрации токсиканта: 100 и 150 мМ NaCl. Этот токсикант вносился в почву перед посевом в виде раствора в исходной дистиллированной и обработанной (в течение 30 и 60 мин) воде. Выбранная нами методика эксперимента микро-биогеоценоза с закрытыми контейнерами, в которых выращивались растения, предусматривает полив только один раз (перед посевом). Соответственно, значение концентрации токсиканта в жидкой фазе субстрата и, соответственно, в субстрате - было близко к постоянному.
Электрофизическая обработка воды с помощью электронного генератора исследовалась как один из способов [10] управления возделыванием сельскохозяйственных культур как для повышения урожайности так и для повышения их устойчивости к внешним негативным воздействиям: присутствию токсикантов, дефициту микрофлоры почвы.
Преимуществами предлагаемой обработки являются: принцип безреагентности; ее экономичность, а главное - простота ее проведения не только в лаборатории, но и в натурных условиях. Результаты исследования влияния обработки поливной воды на прорастание семян риса при различных концентрациях хлорида натрия в поливной воде, представлены в таблице 3.
Результаты, приведенные в таблице 3, показали, что по нормативам IRRI (Standard Evaluating Score 1997), полив обработанной водой, сильнее способствует ростовым процессам интегрально влияя на весь комплекс микробиоценоза, что и проявляется в форме показателей морфометрических параметров растений риса. Это проявляется при поливе почвы как чистой водой (контроль), так и с солью-загрязнителем. В целом, при воздействии электрофизической обработки на воду: прорастание (всхожесть) оцененное по росткам выше на 13^14 % по сравнению с необработанной водой; по корневой системе выше на 33^50 %; по росткам (длина надземной части) больше в 1,5^1,8 раза. Таким образом, результаты, полученные за первые 7 суток, показывают увеличение, как всхожести, так и начального развития корневой и надземной частей растений, обусловленное влиянием воды, подвергнутой электрофизической обработке.
Влияние электрофизической обработки воды на фазу кущения риса на загрязненных почвах.
Полученные результаты показали, что наибольшая разница в скорости прорастания ^N^0 отмечается на 4 день. Это объясняется тем, что наличие нефтепродукта в почве дифференцирует семена по устойчивости к воздействию токсикантов, явно сдерживая всхожесть менее устойчивых семян в первые дни.
Рисунок. Воздействие обработки воды на динамику роста растений в фазе кущения риса
Наблюдаемое ускорение прорастания не может не сказаться на начальной фазе развития (фаза кущения), как мы ожидаем, является определяющей в формировании будущих плодоносящих частей растений, и желательно как постоянное наблюдение за экспериментом на начальной стадии вегетации растений, так в последствии до созревания семян.
Результаты исследований позволяют предложить возможный механизм явления - почему электрофизически обработанная вода вызывает более интенсивное развитие растений риса.
Поскольку после электрофизического воздействия обработанная вода, как наблюдалось ранее, не характеризуется более высокой температурой и более быстрыми молекулами, обладающими большей кинетической энергией, то объяснение изменения ее свойств скорее всего обязано ее надмолекулярными макрострутурными особенностями [11].
1 Погрешность измерений составляла не более 5 %.
Остается предположить, что энергетически неуравновешенные (до обработки воды) молекулы стабилизируются, например, своей способностью образовывать дополнительные, вероятно, более прочные водородные связи, как своеобразную структурно-энергетическую (возможно информационную) память. Это может влиять на биологические матрицы структуры живых молекул, предположительно, без разрушения своих новообразованных при электрофизическом воздействии структурных связей. Иными словами, предложена попытка представить структурную память как долговременную, без потери ее энергии, а информационное влияние - без передачи энергии.
Таким образом, для начальной стадии развития ростков и корневой части выявлено положительное влияние на растения поливной воды, повергнутой электрофизическому воздействию, предположительно, благодаря изменению структурных свойств воды.
Данная методика улучшения свойств растений будет исследована далее для воспроизведения и проведена апробация в укрупненном масштабе.
Заключение
Развитие рисосеяния сталкивается с огромными проблемами в области изменения климата, чрезмерном окультуривании при излишне интенсивном выращивании и загрязнении окружающей среды. Путь развития производства риса, ведущий к устойчивому состоянию, должен быть связан не с расширением посевных площадей, а с внедрением новых перспективных агротехнологий, снижающих негативный фактор влияния климата.
Во-первых, рекомендуется применять комплексный подход при использовании электрофизического воздействия для обработки воды с целью повышения всхожести и усиления вегетации на начальной стадии роста риса. Сохранение агроресурсного потенциала рисовых чеков обеспечивается концепцией безреагентного влияния на урожайность.
Во-вторых, необходимо продолжать исследование влияния обработанной поливной воды, как на различные сорта риса, так и на показатели: болезнеустойчивость, засухоустойчивость и т.д. Возделывание выявленных, положительно отзывающихся на электрофизическое воздействие сортов риса, как новое направление увеличения урожайности и доходности производства, позволит повысить заинтересованность производителей.
В-третьих, можно ожидать, что при воздействии ПЧМС на воду возможно увеличение урожайности, а в условиях загрязнения - стимулирование развития растений.
Определяющим, для последующих исследований, представляется фактор интенсивности воздействия на воду и взаимосвязанная с этим задача выявления механизма воздействия.
Литература
1. Ministry of Agriculture and Rural Development URL: http://mard.gov.vn (дата обращения 22.08.2016).
2. The World Bank URL: http://www.worldbank.org (дата обращения 05.12.2015).
3. Малинин В.Н. Уровень океана: настоящее и будущее. СПб.: РГГМУ, 2012. 260 с.
4. Май Ч.Б., Князев А.С., Ивахнюк Г.К. Влияние изменений климата на урожайность риса в республике Вьетнам // Экология и развитие общества. 2016. № 4(19). С. 45-51.
5. Beddington J. [et al.]. Achieving food security in the face of climate change Frederiksberg: CCAFS, 2012. 64 p.
6. Konuma H. A regional strategy for sustainable hybrid rice development in Asia. Regional office for Asia and the Pacific. Bangkok, 2014. 23 с.
7. Silberglitt Richard. Scenarios for a Sustainable ASEAN Energy Future // Presentation at the Workshop on "APEC Energy-Food-Water policy and possible strategies". Bangkok, October 1. 2013.
8. Митюгова Е.Г., Швецова О.В., Сивова Е.В., Ба-шир Шериф А., Кампутин И.В., Ивахнюк Г.К. О влиянии переменного частотно-модулируемого сигнала на изменение физико-химических свойств воды // Известия СПбГТИ (ТУ). 2012 № 16(42). С. 48-51.
9. ГОСТ 1203884 [9]) Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести Введ. 01.06.1986 (с Изменениями № 1 введ.01.01.1991, № 2 введ.01.06.1995, и Поправкой введ. 29.12.2016)ю М.: Стандартинформ, 30 с.
10. Май Ч. Б, Ивахнюк Г.К. Устройство для электрофизического воздействия на процессы возделывания и вегетации риса // III Всерос. научно-техн. конф. с участием молодых ученых «Инновационные материалы и технология в дизайне», Санкт-Петербург 23-24 марта 2017 СПб.: СПбГИКиТ, 2017. С. 89-90.
11. Классен В.И. Омагничивание водных систем. 2-е изд., испр. и доп. М.: Химия, 1982. 296 с.
