Оптическая система предпосевной обработки семян

Введение. В семенах в процессе прорастания на скорость биохимических процессов влияют ферменты и витамины [1]. Под действием энергии ультрафиолетового излучения изменяется электрическое состояние молекул вещества, в том числе молекул клеточных мембран и биоколлоидов. Это способствует активизации обменных процессов между клеткой и окружающей средой, что актуально для семян в момент их прорастания, так как в этом случае обеспечивается более быстрый доступ воды и питательных веществ к зародышу, усиливаются дыхание и ростовые процессы, что создаёт благоприятные условия для дальнейшего роста и развития растений [1– 4]. Ультрафиолетовое из- лучение в области А и B, оказывая положительное влияние на энергию прорастания семян и их всхожесть, тем самым способствует более быстрому их развитию, и, в конечном счёте, повышению продуктивности. Дополнительным доводом в пользу применения ультрафиолетового излучения является максимальный коэффициент поглощения излучения семенами в указанной области, он может достигать 80–85% [5].

Методика исследований. В ходе экспериментов, проведённых на семенах озимой пшеницы «Зерноградка-9», были установлены рациональные диапазоны длин волн и экспозиций, которые соответственно составили 302– 365 нм и экспозиций 47–60 Вт·с/м² [4, 6].

а

б

а – общий вид; б – диаграмма вращающегося оптического излучения

Рисунок 1 – Объемный электрооптический преобразователь для предпосевной обработки семян

Но так как оптические свойства семян других культур могут отличаться, для ячменя сорта «Ратник» указанные параметры требуют уточнения. Свойство ультрафиолетового излучения оказывать положительное влияние на показатели, характеризующие посевные качества семян, использовалось для предпосевной стимуляции ярового ячменя сорта «Ратник». Для обработки использовался трубчатый облучатель (рисунок 1), выполненный на основе материалов, изложенных в патенте РФ № 2278492 [6]. Экспозиция менялась за счёт изменения числа работающих источников излучения. Для химической обработки зерна применялся препарат «Винцит Форте, кс».

Для создания ультрафиолетового излучения в областях спектра А и В использовались лампы ЛЭ-30, максимум спектральной плотности излучения которых лежит в диапазоне длин волн 300–330 нм [7]. Изменение уровня экспозиции достигалось за счёт изменения количества включённых источников излучения. Также в ходе эксперимента изменялись параметры химической обработки (таблица 1). Эксперимент и обработка результатов проводились в соответствии с методикой, изложенной в ГОСТ 1203884 [8], также была использована программа STATISTIC 6.0.

Таблица 1 – Результаты экспериментов по выявлению влияния ультрафиолетового излучения на энергию прорастания, всхожесть и длину ростков ячменя «Ратник»

№ п/п	Количество работающих источников	Процент от нормы протравителя	Длина ростков, мм	Энергия прорастания, %	Всхожесть, %
1	0	0	77,6	81,7	85,0
2	0	100	24,3	67,7	79,7
3	1	60	93,7	89,5	95,7
4	1	90	80,6	86,0	93,0
5	3	60	73,6	85,0	93,0
6	3	90	58,6	71,3	85,7
7	5	60	66,9	85,7	91,7
8	5	90	74,6	89,0	93,0

Результаты исследований и их обсуждение. В ходе обработки были получены уравнения регрессии, устанавливающие взаимосвязь между показателями, характеризующими посевные качества семян, и параметрами обработки. Уравнение регрессии (1) описывает зависимость всхожести семян от числа включенных источников (что в свою очередь влияет на экспозицию) и количества протравителя. Графическая интерпретация зависимости приведена на рисунках 2, 3.

Всхожесть, %

10 0

Всхожесть, %

■ 90-100

■ 80-90

□ 70-80

■ 60-70

□ 50-60

■ 40-50

□ 30-40

□ 20-30

■ 10-20

□ 0-10

Процент от нормы

0           протравителя, %

Количество ламп, шт.

Рисунок 2 – Объемная графическая интерпретация модели всхожести семян ярового ячменя сорта «Ратник» по уравнению (1)

0075 x ²

W 84,8462 + 0,715 x 9,199 y 0, +0,0866 x y + 0,426 y ²,

где х – процент протравителя от нормы;

y – количество работающих источников.

Проверка адекватности уравнения регрессии влияния на всхожесть растений процен- та от нормы протравителя и количества ламп производилась на основе вычисления F-критерия Фишера [9]:

F

² S_W

S ² ост

nm m 1^,

где S W – дисперсия зависимой переменной (всхожесть);

S ост – остаточная дисперсия;

n – число вариантов; m – число факторов.

n

Е ( WW )²

s w ^{2      i 1}                 ,               (3)

n n (WWˆ )2

s ост       ¹                ,               (4)

n где Wˆ – теоретические, расчётные значения

(всхожести W ˆ ), %;

W i – экспериментальные значения (всхожести W Вi ), %;

W i – среднее значение (всхожести W Вi ), полученное по экспериментальным данным, %.

Расчёты по определению F -критерия Тогда

Количество ламп, шт.

30,22.

Всхожесть, % 95-100 90-95 85-90 80-85 75-80 70-75 65-70 60-65 55-60 50-55 45-50 40-45 35-40 30-35 25-30 20-25 15-20 10-15

Рисунок 3 – Графическая интерпретация на плоскости модели всхожести семян ярового ячменя сорта «Ратник» по уравнению (1)

Таблица 2 – Расчетные значения, необходимые для исчисления S и S

Номер опыта	W	(W W)2	Wˆ	(W  Wˆ )2
1	85,0	21,28	84,846	0,02
2	79,7	98,26	81,346	2,71
3	95,8	37,67	97,169	2,01
4	93,0	11,48	87,467	30,61
5	93,0	11,48	92,571	0,18
6	85,8	14,92	88,065	5,36
7	91,7	4,36	91,381	0,10
8	93,0	11,48	92,071	0,86
Сумма	716,9	210,90	714,92	41,87

Сравнив полученное в результате обработки значение критерия F с критическим F крит =5,9874 для принятого уровня значимости 0,05 и числа степеней свободы υ 1 =m -1=2-1=1 и υ 2 =8-2=6, делаем вывод о том, что данное уравнение регрессии статически значимо.

Анализ результатов говорит о том, что факторы оказывают неоднозначное влияние.

УФ-излучение повышает всхожесть семян, протравитель наоборот снижает, а положительный эффект от протравливания проявляется на более поздних стадиях развития растения. Поэтому поверхность отклика (см. рисунок 2) имеет сложную форму. Тем не менее, можно говорить о том, что при использовании протравителя в количестве 35–72% от нормы всхожесть дости- гает максимального значения при одном работающем источнике. При увеличении этого параметра до 70–95% наилучшие результаты достигаются при количестве источников, равном 6.

Аналогичным образом были получены и проверены на адекватность уравнения регрессии второго порядка, описывающие зависи- мость энергии прорастания семян и длины ростков ярового ячменя сорта «Ратник» от числа работающих ламп объемного преобразователя и процента от нормы протравителя (уравнения (5) и (6)). Графическая интерпретация уравнения (5) приведена на рисунках 4, 5.

Энергия прорастания, %

Процент от нормы протравителя, %

10  20  30   ₄₀

70   80    ₉₀

Энергия прорастания, %

■90-100

• □    80-90

• □    70-80

• ■    60-70

• □    50-60

• □    40-50

• □    30-40

• □    20-30

• ■    10-20

□0-10

Количество ламп, шт.

Рисунок 4 – Объёмная графическая интерпретация модели энергии прорастания по уравнению (5)

Энергия прорастания, %

Рисунок 5 – Графическая интерпретация на плоскости модели энергии прорастания семян ярового ячменя сорта «Ратник» по уравнению (5)

W 81,4564 + 0,9875 x 18,7354 y 0,0109 x ²

^Э                                                                                         (5)

+0,1404 x y + 1,4462 y ².

Расчеты по определению F -критерия по уравнениям (5) и (6) приведены в таблицах 3 и 4 соответственно.

Длина ростков, мм

90   100

10  20  30  40

50   60   70   80

Длина ростков, мм

■ 180-200

□ 160-180

□ 140-160

■ 120-140

□ 100-120

• ■    80-100

• □    60-80

• □    40-60

• ■    20-40

• □    0-20

Процент от нормы протравителя, %

Количество ламп, шт.

Таблица 3 – Расчетные значения, необходимые для исчисления S и S

Номер опыта	W	(W W)2	Wˆ	(W  Wˆ )2
1	81,7	0,09	81,4564	0,06
2	67,8	202,88	71,2064	11,95
3	89,5	56,34	92,6012	9,62
4	86,0	16,05	77,3882	74,16
5	85,0	9,04	83,5480	2,11
6	71,3	114,36	76,7590	29,80
7	85,7	13,74	86,0644	0,13
8	89,0	49,09	87,6994	1,69
Сумма	655,95	461,58	656,7200	129,52

Рисунок 6 – Объёмная графическая интерпретация модели длины ростков ярового ячменя

2    461,58               2     129,52

S_W            57,70,     S_ост            16,19.

8                         8

Тогда

57,70 8  2

16,19  2  1

21,38>5,9874.

Анализ графических интерпретаций уравнения (5), устанавливающих взаимосвязь между энергией прорастания семян ярового ячменя сорта «Ратник», числом работающих источников в установке (объемном электрооптическом преобразователе) и фактором, характеризую- щим химическую обработку (процент от нормы протравителя), позволяет говорить о том, что максимальная энергия прорастания достигается при концентрации протравителя 60–100% от нормы и количестве работающих источников, равном 6.

Зависимость длины ростков семян ярового ячменя сорта «Ратник» от числа работающих источников объёмного преобразователя и процента от нормы протравителя «Винцит Форте, кс» описывается уравнением регрессии (6) второго порядка.

W_Д  76,9028 + 2,0316 x 37,192 y 0,0247 x ²

Д

+0,413 x y + 0,6253 y ².

Графическая интерпретация данного уравнения приведена на рисунках 6 и 7.

Расчеты по определению F -критерия по данной модели представлены в таблице 4.

Таблица 4 – Расчётные значения, необходимые для исчисления S и S

Номер опыта	W	(W W)2	Wˆ	(W Wˆ )2
1	77,6	78,54	76,903	0,49
2	24,3	1974,69	33,063	76,79
3	93,7	623,13	98,092	19,29
4	80,6	140,72	60,280	412,90
5	73,6	23,64	78,270	21,81
6	58,6	102,77	65,239	44,07
7	66,9	3,38	63,451	11,89
8	74,6	34,37	75,199	0,36
Сумма	549,9	2981,24	550,500	587,60

Длина ростков, мм

■ 195-200

■ 190-195

■ 185-190

■ 180-185

■ 175-180

□ 170-175

■ 165-170

□ 160-165

□ 155-160

■ 150-155

□ 145-150

□ 140-145

□ 135-140

□ 130-135

□ 125-130

■ 120-125

□115-120

□110-115

Рисунок 7 – Графическая интерпретация на плоскости модели длины ростков ярового ячменя сорта «Ратник» по уравнению (6)

2    2981,24                   2     587,60

S_W             372,65.         S_ост            73, 45.

8                                8

Тогда

F 372,65 ^{8  2}  30,44)5,9874.

73,45  2  1

Анализ графических интерпретаций уравнения (6) (см. рисунки 6 и 7) говорит о сложной взаимосвязи между длиной ростков ярового ячменя сорта «Ратник», числом работающих источников объёмного преобразователя и процентом от нормы протравителя «Винцит Форте, кс». Максимальный эффект достигается при концентрации протравителя 80–100% от нормы и количестве работающих источников более 6.

Выводы

• 1.    Предпосевная стимуляция в объёмных электрооптических преобразователях способствует повышению равномерности обработки семенного материала, так как поток семян находится в преобразователе в состоянии свободного падения. Этому также способствует то, что в облучателе создаётся не пульсирующее, а вращающееся поле оптического излучения [4, 6, 10, 11].

• 2.    Ультрафиолетовое излучение в диапазоне длин волн 302–365 нм оказывает стимулирующее воздействие на семена сельскохозяйственных культур. В качестве источника излучения могут использоваться лампы ЛЭ-30.

• 3.    Полученные по результатам обработки экспериментальных данных модели, отражающие взаимосвязь между показателями качества семян (энергией прорастания, всхожестью, длиной ростков) и факторами обработки (числом включенных ламп и процентом от нормы протравителя), адекватны.

• 4.    Факторы эксперимента – число работающих источников и процент от нормы протравителя – оказывают неоднозначное, разнонаправленное влияние на показатели, характеризующие посевные качества семян [12]. Основная цель обработки зерна химическими препаратами типа «Винцит Форте, кс» – борьба с болезнями растений. Положительный эффект от такой обработки проявляется на более поздних этапах. Но плёнка, которую эти препараты образуют на поверхности зерна, преграждает путь питательным веществам. Ультрафиолетовое излучение, уровень энергетического воздействия которого характеризуется экспозицией излучения, а соответственно зависит от количест-

• ва работающих источников, наоборот, уже на начальных этапах оказывает стимулирующий эффект.

• 5.    Показатели качества семян для всех моделей достигают максимальных значений при следующем сочетании факторов: концентрации протравителя в диапазоне 80–100% и числе работающих источников, равном 6.