Влияние естественных электрических полей на урожайность сельскохозяйственных культур

Введение. Одной из важнейших задач экономического развития Российской Федерации является увеличение продукции сельскохозяйственного производства на основе значительного повышения урожайности зерновых культур [1]. Одним из основных факторов, определяющих урожайность зерновых культур, является полевая всхожесть семян и дальнейшее развитие проростков. Проводятся многочисленные исследования по повышению полевой всхожести семян, в которых принимают участие специалисты ряда наук: агрономии, почвоведения, биологии и др. [2, 3]. Высокая урожайность достигается за счёт селекционной работы, внесение в почву элементов минерального и органического питания растений, применения стимулирующих препаратов [3]. Однако вопрос о доступности элементов, вносимых в почву, для семян и на се- годняшний день остаётся актуальным. Так, в работе [4] приведены результаты исследования о доступности почвенной влаги для проросших семян зерновых культур в зависимости от влажности и плотности дерновоподзолистой почвы. Установлено, что эти почвенные факторы оказывают влияние на влагообеспеченность семян во время их набухания.

С начала ХХ века до настоящего времени российскими и зарубежными учёными активно проводились исследования стимулирующего влияния электромагнитных полей на семена при их предпосевной обработке [5, 6]. К настоящему времени практически не изучались и не намечались задачи по изучению влияния естественных электромагнитных полей на развитие растений и урожайность сельскохозяйственных культур.

Анализ экспериментальных результатов и разработка задач исследований. К факторам, влияющим на развитие культурных растений и их урожайность, можно отнести также естественные электрические поля почвы и атмосферы. Исследования по влиянию электричества на почву начались в ХХ веке (Рамнек Г.М. – 1911 г., Вадюнина А.Ф. – 1937 г.) и интенсивно продолжались в 70-е годы ХХ века в основном на кафедре физики и мелиорации почв МГУ им. Ломоносова [7, 8, 9]. Эти исследования можно отнести к фундаментальным, и они направлены на изучение природы и процессов формирования естественных электрических полей почв, а также изучение возможности использования электроразведочной технологии геологии в почвоведении, мелиорации и экологическом мониторинге. К настоящему времени сформулирована взаимосвязь электрических параметров почв (удельного электрического сопротивления, потенциала естественного электрического поля) и почвоведения, основанная на общих классических законах электромагнетизма и общей теории почвоведения. Установлено, что электрические параметры естественных полей зависят от плотности подвижных катионов почвенного поглощающего комплекса и ионов почвенного раствора. Разработаны модельные представления, объясняющие закономерности изменения электрических параметров в почвах.

В работах [10–13] показано, что гальваноэлек-трические эффекты в почве являются резервом её плодородия и повышения урожайности зерновых культур. Так, в работе [10] установлено, что через массу трактора и прицепных орудий в почву вносится отрицательный потенциал, оказывающий угнетающее воздействие на развитие растений. Проведённые экспериментальные исследования показали, что внесение в почву дополнительного положительного потенциала повысило урожай кукурузы в среднем на 4,7 ц/га. А выбор направления рядов посева [11] показывает, что урожайность подсолнечника и озимой пшеницы, посеянных в направлении восток–запад, выше соответственно на 1,5 и 2,5 ц/га, чем посеянных в направлении север–юг. Это объясняется тем, что корневая система при посеве север–юг под воздействием гео- магнитных сил располагается и развивается вдоль ряда. В этом случае питательные вещества почвы, расположенной в междурядье, не используются растениями.

В работе [12] предлагается устройство для внесения микроэлементов в почву, позволяющее щелева-ние почвы с востока на запад с одновременной укладкой на подошву щели ферромагнитных проводов. Экспериментальные исследования показали, что прибавка урожая составила: подсолнечник – 0,2 ц/га; пшеница «Одесская 51» – 0 ц/га, 6; сахарная свекла – 6,0 ц/га; кукуруза – 1,0 ц/га; ячмень – 0,7 ц/га; гречиха – 0,8 ц/га. Ежегодный экономический эффект составляет 50 рублей на 1 гектар.

Влияние гальваноэлектрического эффекта, возникающего на границе раздела металл – электролит, металл – почвенный раствор, на интенсификацию роста растений рассмотрено в работе [13]. Эффективность использования стальных проводов и создаваемых ими гальваноэлектрических эффектов в почве без применения аккумуляторов проверялась в течение нескольких лет. Урожайность в этих условиях увеличивалась на 10–15%.

Также установлено, что стальные провода обогащают почву ионами железа, а при закладке медных или алюминиевых проводов растения гибли под воздействием больших доз ионов меди и алюминия.

Проведёны исследования по влиянию содержания калия на распределение электрических полей в почвах [14]. В результате экспериментальных исследований на образцах почв с искусственно созданной концентрацией растворов калийных удобрений получены зависимости между концентрацией калия и параметрами электрического поля (разности электрических потенциалов).

Нами по результатам экспериментальных данных, представленных в статье, построены графические зависимости разности электрических потенциалов от количества калийного удобрения (рисунок 1) в образцах для трёх точек, расположенных рядом в одном ряду (рисунок 2). Разность электрических потенциалов измерялась микровольтнаноамперметром Ф3017.

ж Точка 2  - ■ - Точка 3  -*—Точка 4

Рисунок 1 – Зависимости разности электрических потенциалов от концентрации калия в относительных единицах

Из этих зависимостей видно, что с увеличением концентрации калийных удобрений в почве возрастает и разность электрических потенциалов между точкой измерения и контрольным электродом. Эти зависимо- сти имеют нелинейный характер и, как видно из графиков, после некоторого значения концентрации калийного удобрения дальнейшее её увеличение приводит к изменению разности электрических потенциалов.

Рисунок 2 – Схема измерения разности электрических потенциалов

В работе [15] была поставлена цель разработать математическую модель, позволяющую исследовать влияние стационарного электрического поля на семена и корневую систему растений. Было сделано предположение, что электрическое поле должно менять концентрацию жизненно важных ионов на поверхности клеточных мембран. На основании этого была построена математическая модель, которая позволяет оценивать действие электрического поля на обменные процессы в семенах и корневой системе растений, находящихся в почве.

Наряду с почвенными естественными электрическими полями нами были проанализированы работы по влиянию электричества атмосферы на растительные организмы [16, 17]. Так как электрическое поле атмосферы характеризуется положительным потенциалом, возрастающим в среднем на 100 В при подъёме на 1 м, то все растительные организмы постоянно находятся под воздействием электрического поля атмосферы. В этих работах было проведено исследование по влиянию экранирования растений от атмосферного электричества металлической сеткой на развитие растений. В результате исследований было установлено, что для кукурузы, ячменя, лука и редиса снижалась интенсивность дыхания, уменьшалась скорость роста, тормозилась подача воды в наземную часть растений из корневой системы. При замене электрического поля атмосферы напряжением, поданным на металлическую сетку-экран, было установлено, что величина и знак потенциала влияли на поступление азота в нитратной и аммонийной формах, сульфата, кальция и углекислого газа. Таким образом, в работе [16] отмечается, что атмосферное электричество ещё в большей степени влияет на процессы образования органического вещества растений, чем на усвоение минеральных элементов питания. В работе [18] впервые было установлено влияние разности потенциалов между растениями и атмосферой на поглощение углекислоты растениями. Это было очень важно для понимания процесса поглощения углекислого газа растениями и поиска возможностей использования его для повышения урожайности. Было выяснено, как изменяется интенсивность фотосинтеза в зависимости от разности потенциалов между растением и атмосферой, а также знака заряда аэроионов и их количества в атмосфере. При подаче на растение отрицательного потенциала интенсивность фотосинтеза существенно увеличивалась, а при подаче положительного потенциала наблюдалось выделение СО2. Так, подача отрицательного потенциала на растения ячменя привела к тому, что он созрел на две недели раньше, вес колоса увеличился на 20%, зерна – на 11%, а содержание белка в зерне возросло на 1,6%.

Влияние аэроионов атмосферы на поглощение растениями СО 2 было проверено авторами работы [19]. Установлено, что увеличение положительных аэроионов в атмосфере усиливало поглощение СО 2 на 8–12%, а влияния отрицательных аэроионов не было обнаружено.

На основании проведённых исследований установлено:

– изоляция растений от электричества атмосферы снижает продуктивность растений почти на 50%;

– при подаче отрицательного потенциала на растения интенсивность фотосинтеза существенно увеличивалась, а при подаче положительного потенциала наблюдалось выделение СО 2 (отрицательный потенциал

– вес колоса ячменя увеличился на 20%, зерна – на 11%, а содержание белка в зерне – на 1,6%);

– увеличение положительных аэроинов в атмосфере усиливает поглощение СО 2 на 8–12%.

Однако необходимо отметить, что различные виды растений неодинаково реагируют на атмосферное электричество. Использование атмосферного электричества на наш взгляд более приемлемо для тепличных хозяйств.

В работе [20] изучалось влияние изменения естественной электрической полярности проростков кукурузы (с помощью внешнего источника ЭДС) на их рост в длину. Установлено, что нативный отрицательный потенциал (-300 мВ) ускоряет рост в длину корня и надземной части растений. Положительный потенциал (+350 мВ) тормозит рост корня и значительно усиливает ростовые процессы в надземной части проростков кукурузы.

В работах [21, 22] удалось выявить влияние слабого электрического тока на скорость прироста растений. Так, скорость прироста в длину у отрезков колеоптилей кукурузы и междоузлий гороха при пропускании тока величиной 2–6 мкА увеличилась в 3–4 раза уже через 10–15 минут. Необходимо отметить, что активация роста наблюдалась, когда анод находился у их апикального конца.

Для объяснения этих эффектов было сделано предположение, что влияние внешнего источника ЭДС на ростовые процессы может быть опосредовано изменением в транспорте эндогенного ауксина. Проведённые эксперименты показали, что электрические поля влияют на изменение транспорта эндогенного ауксина, и, следовательно, на ростовые процессы растений.

Таким образом, за счёт внешнего воздействия можно изменять естественные электрические градиенты растительных тканей, что повлияет на процессы роста.

Влияние геомагнитного поля на физиологические процессы в растениях было рассмотрено в работе [17]. Установлено, что растения реагируют на изменение всех элементов геомагнитного поля. Была высказана гипотеза, что изменение проницаемости биологических мембран под воздействием природных магнитных и электрических полей лежит в основе циркадной ритмичности функциональных процессов растений. В статье приводятся данные, указывающие на влияние геомагнитного поля на разнообразные процессы в растениях. Так, исследования, проведённые в полевых условиях Ростовской области, показали, что прирост сухого вещества на 1 м2 листовой поверхности в сутки в течение вегетационного периода зависит от геомагнитной обстановки. Также другие экспериментальные исследования подтвердили контролирующее влияние геомагнитного поля на проницаемость биологических мембран, лежащее в основе физиологического гомеостазиса.

Заключение. На основании этих исследований предлагаются следующие направления:

– разработка теории распространения электрических полей в почвах;

• –    всестороннее изучение параметров электрических полей в почвах;

• –    активная разработка приборного обеспечения;

  – широкое использование электрофизических методов, высокотехнологичных приборов и оборудования в практике фундаментальных и прикладных исследований почв.

Как видим, в этих исследованиях не изучаются и не намечаются вопросы, связанные с влиянием электрических полей в почве на урожайность сельскохозяйственных культур.

В связи с этим нами предлагаются следующие задачи:

• –    определение влияния электрических параметров почвы на урожайность сельскохозяйственных культур;

• –    установление зависимости электрических параметров почвы от концентрации органических и минеральных удобрений, вносимых в почву;

  – разработка технологических приёмов и оборудования для создания искусственных электрических полей в почве.