Предпосевная обработка семян подсолнечника в магнитном поле

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 18

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]:

to m = ro exp [ m ( К ² В ² + 2 КBv ) N a /2 RT ],

где ω – 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

• Та);

N a – число Авогадро, молекул/ моль;

• R - универсальная газовая постоянная, Дж/моль • К;

Т – температура, К.

Магнитное полеускоряет химическую реакцию образования ионов, вследствие чего возрастает растворимость солей и кислот:

am = a exp [ m ( K i² В ² + 2 К i Bv ) N a 1 2 RT ],

где α м и α – степень электролитической диссоциации при воздействии магнитного поля и без него.

Все эти факторы приводят к изменению рН и биопотенциала клеточной среды:

^A pH = lg ^ + ^- lg < y + =

H ₁      H ₂

mNaK KB

2,3 RT

I ²

2      )

- + vB ,

A BP = -2,3---(1g ti?2 - lg ^ ) = zF 2      1

mN a К КВ

zF

I 2

+ vB ,

где z – валентность иона;

F – число Фарадея, Кл/моль.

Магнитное поле усиливает проницаемость ускорению диффузии молекул и ионов через увеличиваетсяводопоглощения семян [11]:

клеточных мембрану,

мембран, что способствует а также воды. При этом

C -C A m = С к±2

^C 1 ⁺ C 2 где ρ – плотность воды, кг/м³;

- 2 kd ( a + КmВ / т )² exp ( - Ea I kT

V – объем воды, который прошел через мембрану, м³.

В магнитном поле на ионы действует сила Лоренца, которая усиливает транспорт ионов через мембрану, вследствие чего изменяется удельная электропроводность клеточного раствора [12]:

^ == K _r C ₂ ( a + к mB / т )( a + к m B / т + К_bBv )exp [ m ( К 2 В ² + 2 К i Bv ) N a /2 RT ] и изменяется ионный ток в клетке:

I = - K С^ ( a + К B / Т )( a + К B / т + К, Bv ) exp [ m ( К 2 В ² + 2 KBv ) N /2 RT ] , L ^Y L m           m        b              i         i

где φ – диффузный потенциал, В;

С Σ – суммарная концентрация раствора, моль/л;

K γ , K m , К b ,K i – коэффициенты;

τ – 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.

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

E = 65.33 + 748.72 B - 3.33 v - 230.77 Bv - 4024 B ²;               (9)

для всхожести семян

G = 73.06 + 623.08 B - 2.5 v - 115.39 Bv - 3629 B 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.

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 %.