СПОСОБ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ ЗЕРНОБОБОВЫХ КУЛЬТУР
METHOD FOR PRESOWING TREATMENT OF LEGUMINOUS PLANTS

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к области предпосевной обработки семян различных сельскохозяйственных культур, и может найти широкое применение при производстве зернобобовых культур в фермерских хозяйствах и на предприятиях агропромышленного комплекса.
Известен «Способ предпосевной обработки семян», включающий воздействие излучения лазера с длиной волны 632,8 нм, в котором семена подвергают непрерывной одноцикловой обработке с эффективной дозой и высевают без отлежки перед посевом. Патент РФ на изобретение №2286037, МПК А01С 1/00, д. публ. 2006.10.27.
Известен «Способ обработки семян», включающий воздействие электромагнитным полем, при этом на обрабатываемые семена воздействуют электромагнитным полем, фазомодулированными колебаниями крайне низкочастотного диапазона в течение 40-60 мин при напряженности поля 120-1400 А/м. Патент РФ на изобретение №2179792, МПК А01С 1/00, д. публ. 2002.02.27.
Известен «Способ повышения урожайности растений», включающий воздействие на растения магнитными импульсами переменной полярности, форма которых аналогична форме двухфазного потенциала с частотой следования 0,01-1,00 сек и шириной импульсов 0,002 сек. Патент Великобритании №2145317, МПК А01K 29/00, д. публ. 1985.03.27.
Известен «Способ обработки семян», включающий воздействие на семена, помещенные в вакуумированную камеру, созданным в этой камере газовым разрядом в форме плазмы, затем выдержку семян в плазме 1-160 мин при температуре от -20°С до -60°С. Патент Китая №1067350, МПК А01С 1/00, дата публ. 1992.12.30.
Известны способы обработки семян или растений, совмещающие несколько видов излучений, например «Способ обработки семян», включающий облучение семян электромагнитным сверхвысокочастотным полем при турбулентном перемешивании в объемном резонаторе с принудительной вентиляцией, при этом семена дополнительно облучают электромагнитным полем миллиметрового диапазона волн, причем облучение указанными полями осуществляют циклическими периодами при взвешенном состоянии семян. Патент РФ на изобретение №2014781, МПК А01K 59/04, д. публ. 30.06.94 г.
2
Наиболее близким аналогом к способу, предложенному в изобретении, является «Способ предпосевной обработки семян», включающий одновременное воздействие на семена излучениями в инфракрасной и красной областях спектра, при этом поток излучения в инфракрасной области спектра формируют непрерывно с длиной волны в диапазоне 900-980 нм и с объемной плотностью 1,0-10 Вт/м, а соотношение плотностей потоков излучения в красной и в инфракрасной областях устанавливают в пределах (5-10):1 и осуществляют воздействие в течение 60-360 сек. Патент РФ на изобретение №2090031, МПК A01C 1/00, д. публ. 1997.09.20.
Техническим результатом способа является повышение продуктивности зернобобовых культур за счет роста урожайности и качества полученного зерна путем предпосевной обработки семян этих культур одновременно излучениями в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра, а также импульсным магнитным полем таким образом, чтобы амплитуды частотно-фазовых модуляций излучений в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра изменялись синхронно с амплитудой импульсного магнитного поля во всех временных интервалах.
2
2
Технический результат достигается тем, что «Способ предпосевной обработки семян зернобобовых культур» включает одновременное воздействие на слой семян несколькими видами излучений, в том числе излучения в инфракрасной области спектра. При этом на слой семян толщиной в пределах 1-2 среднего размера зерна одновременно с инфракрасным лазерным излучением с длиной волны 890 нм и уровнем плотности дозы 6-7 Дж/см воздействуют импульсным излучением ультрафиолетового диапазона с длиной волны 255 нм и мощностью 6 Дж/см, а также импульсным магнитным полем с частотой 1-2 Гц и амплитудой магнитной индукции поля, равной 20 мТл. Воздействие на слой семян осуществляют таким образом, чтобы амплитуды частотно-фазовых модуляций ультрафиолетового и инфракрасного лазерного излучений изменялись синхронно с амплитудой импульсного магнитного поля во всех временных интервалах.
Способ осуществляется следующим образом. При предпосевной обработке семян на них воздействуют импульсами ультрафиолетового (УФ) и инфракрасного (ИК) излучения синхронно с импульсами магнитного поля, а амплитуды низкоинтенсивного излучения ИК и УФ и интенсивности магнитной индукции изменяются в рабочее пространство согласованно. На примере люпина сорта «Снежеть» применение способа позволило увеличить урожайность на 24%, повысить содержание белка на 51%, снизить на 34% содержание алкалоидов согласно опытным испытаниям 2007-2009 гг. Использован трехкратный повтор на опытных делянках и двойной контроль, позволившие получить оценки разброса результатов воздействия и точности контрольных опытов. С появлением доступных лазерных источников света широкого диапазона длин волн 250-10000 нм фотобиостимуляция растений получила широкий размах. Проведены обширные исследования и установлено многофакторное воздействие света разных длин волн и интенсивностей, приведенные, например, в обзоре А.В.Будаговского (Будаговский А.В. «Лазерная стимуляция в растиниеводстве». «Лазерные технологии в сельском хозяйстве», М.: Техносфера, 2008, с.89-116.
2
2
В работах Г.П.Дудина установлено, что облучение лазером с длиной волны 628 нм и дозой 20-100 Дж/см приводит к росту урожайности. Однако этот уровень доз в настоящее время недостижим для широкого промышленного применения, реальными являются величины доз 2-10 Дж/см (Дудин Г.П. «Мутагенное действие излучений гелий-неонового лазера на яровой ячмень». Генетика, 1983, т.19, №10, с.1693-1699.
Рост урожайности обусловлен направленными мутациями генотипа (генотип - совокупность генов, регулирующих рост, размер и элементный состав зерен) согласно позже проведенной классификации академика А.А.Шахова (Шахов А.А. «Фотоэнергетика растений и урожай», М.: Наука, 1993, 411 с. (с.318-328).
2
Известна работа Иванова Б.В., в которой семена гороха (также бобовой культуры, как и люпин), обработанные на лазерной установке «Урожай» (длина волны 890 нм, плотность мощности 10 мВт/см и в магнитном поле Земли), при последующем 48-часовом затоплении проросли на 57%, тогда как контрольные - на 10%. Авторы связали этот эффект с увеличением активности дыхательных ферментов и повышением урожайности гороха. Точных данных о повышении продуктивности в этой работе не содержится (Иванов Б.В., Миляев А.В., Миляев В.А. и др. «Влияние лазерного излучения на семена гороха», «Аграрная наука», 2001, №5, с.28-29).
Известно также повышение продуктивности такой зернобобовой культуры, как фасоль, на 17,5% при лазерной обработке семян на установке «Львов - Электроника» (длина волны 628 нм) в присутствии постоянного магнитного поля в работе Зардиашвили Г.Г. и др. (Зардиашвили Г.Г., Глонти Г.Г., Дедуль Ф.А. «Влияние лучей лазера и магнитного поля на рост, развитие и урожай фасоли», «Применение низкоэнергетических физических факторов в биологии и сельском хозяйстве». Киров, 1989, с.113-114.
2
В предложенном в изобретении способе предпосевной обработки семян высокая продуктивность зернобобовой культуры достигнута благодаря комплексному применению методов магнитно-лазерной предпосевной биостимуляции зерен люпина «Снежеть» широкого диапазона длин волн 255-890 нм, позволяющих при относительно малой дозовой нагрузке (до 3-6 Дж/см) одновременно с облучением их умеренными магнитными полями со средней индукцией 20 мТл детально исследовать процессы проращивания, роста растений, формирования зерновых бобов, накапливания микроэлементного и белкового состава зерен.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
-1
o
o
Проведено решение задачи технологического воздействия на урожайность люпина и его качественных показателей как кормовой культуры, его генетическую стабильность и поиск путей повышения вкусовых характеристик для расширения его использования. Проращивание зерен, наблюдение за ростом растений, образование зерновых бобов, динамика их созревания проведены для четырех типов фиксированных магнитно-лазерных воздействий: на зернах, опытных делянках и др. Исследуемые типы образцов были подвергнуты одинаковому воздействию импульсными магнитными полями с амплитудой индукции 20 мТл и частотой 1 Гц. Одновременно с магнитным полем образцы №1 облучались ультрафиолетовым некогерентным излучением (УФНИ) с длиной волны 255 нм и плотностью мощности 2 мВт/см (доза 3 Дж/см) и импульсным инфракрасным лазером с длиной волны 890 нм и плотностью импульсной мощности 5 Вт/см (доза 6 Дж/см); образцы №2 - УФНИ с длиной волны 255 нм и плотностью мощности 2 мВт/см (доза 6 Дж/см), и 4 - импульсным инфракрасным лазером с длиной волны 890 нм и плотностью импульсной мощности 5 Вт/см (доза 6 Дж/см); образцы №5 - красным лазером с длиной волны 635 нм и плотностью мощности 3 мВт (доза 3 Дж/см). Образцы №3 и 6 выступали в качестве контрольных. Измерения размеров семян осуществляли с помощью стандартных мер с точностью до 0,1 мм. Погрешность определения линейных размеров 5-13 мм не превышала 2%. Число зерен N в выборке составляло 50-200 штук. Изменение объема зерен при их проращивании осуществляли через каждые 2-4 часа за первые сутки и потом два раза в сутки. Исследования проращивания семян люпина сорта «Снежеть» выявило особенности динамики роста объема зерен в чистой (кипяченной) воде: после набухания семян за первые сутки, потом рост объема зерен, близкий к линейному dv/vdt=3dl/ldt=(0,10+0,01) сут. Обнаружены особенности начального (за первые 24 часа) значительного увеличения роста объема зерен (2-3 раза), подвергнутых облучению инфракрасным лазером и магнитным полем (образцы №4, 34) и ультрафиолетовым светом и магнитным полем (образцы №1, 31), по сравнению с контрольными образцами (образец №3. 33), приведенные на фиг.1. Также обнаружены особенности гистограмм распределения размеров зерен по числу, порядка 50. Измерение числа зерен от 50 до 200 не приводило к усреднению характеристик, а сохраняло ступенчатый характер номограмм согласно результатам, приведенным на фиг.1.
J
k
L
JK
K
2
2
Ступенчатый характер размеров зерен носит систематический характер и наблюдается как в исходном твердом состоянии (при хранении зерновых информация о воздействии сохранялась не менее трех лет), так и в процессе их роста. Необходимо отметить существование 3-5 наиболее часто встречающихся размеров зерен как размеров центральной последовательности. Они также могут отличаться различной и конкретной экспрессией генов, отвечающих за рост и формирование элементного состава зерен люпина. По-видимому, эта дискретность свидетельствует о широком диапазоне проявления дискретности генотипа роста люпина «Снежеть». Проявление дискретности можно описать с помощью формализма нормального распределения каждого размера центральной последовательности: F(x)=∑Nexp[-(x-M)/2σ] при k=1 или k=3; где F - частота реализации данного размера, x - размер зерна, N - число зерен данного размера, М - среднее данной центральной последовательности, σ - дисперсия или ширина данного распределения, k - числа центральной последовательности, J - числа зерен, принадлежащих каждой из центральных последовательностей.
Изменение центральных последовательностей образцов с магнитно-лазерным воздействием свидетельствует об изменении экспрессии генов, управляющих мембранным механизмом (динамика роста зерен на фиг.1) набухания зерен. Аналогичные данные получены в работе Дударовой Л.В. (Дударова Л.В., Рудиковская Е.Г., Макаренко С.П. и др. «Возможные пути действия низкоинтенсивного лазерного излучения на мембранные структуры в клетках растений. В сб. «Лазерные технологии в сельском хозяйстве», М.: Техносфера, 2008, с.49-62.
2
Исследования по внешнему виду стеблей, бобов и зерен, высаженных на опытных участках площадями 60 м, были близки, хотя есть некоторые отличия, которые исследованы. Прежде всего, в процессе роста и созревания участки растений люпина заметно отличались по росту, темпам созревания.
На фиг.2 приведены результаты исследования формирования бобов с растущими зернами полевых растений в течение от 11 до 17 недель. Линии с отношением 1.00 - соответствуют усредненным для аналогичных измерений для контрольных образцов №№3 и 6. Отношение масс бобов люпина образцов №4, подвергнутых магнитно-лазерной обработке с длинной волны лазера 890 нм, больше, чем в контроле, на 4-12%, а для образцов №5 с обработкой лазером с длинной волны 635 нм меньше контрольных на 2-8%, так же как и для образцов №1.
Наблюдаются особенности набора массы бобов до 5-6 г в течение 10-13 недель с момента посадки и последующего снижения до 1,6-1,8 г по времени после 15-17 недель (фиг.2). Эти особенности могут управляться только генотипом роста люпина. Имеет место также задержка созревания образцов №№2 и 5 в среднем на две недели. При этом имеет место увеличение урожайности для образцов №1 в трех повторах в среднем на 24%, для образцов №4 в среднем на 26% по массе и для образцов №5 в среднем на 16% по массе. Уборка проведена после 19 недели роста.
Полученные результаты позволяют отметить, что в процессе начального роста зерен (фиг.1) и в процессе формирования бобов зерен люпина «Снежеть» (фиг.2) магнитно-лазерная обработка существенно влияет в основном на экспрессию генов (или экспрессию генов генотипа) роста и формирования состава зерен люпина. Уместно отметить высокий уровень характеристик экспрессии генов для люпина «Снежеть» и их высокой чувствительности к различным внешним воздействиям.
Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие основные выводы, подтверждающие реализацию способа:
- действие инфракрасного лазера и НИУФ излучения, согласованного с ними импульсного магнитного поля приводит к изменению экспрессии генов, контролирующих ускорение процессов набухания зерен люпина, и увеличению массы бобов и их зерен в процессе роста, что способствует повышению урожайности люпина «Снежеть» в среднем на 24% по массе от контрольных, увеличению содержания белков на 51% при одновременном снижении содержания вредных алкалоидов на 34% и представляет практический интерес;
- проведена проверка данных типа 2, когда стимуляция осуществляется с помощью ярко-красного лазера и магнитного поля, приводит к неоднородному ускорению процессов роста зерен и снижению темпов набора массы бобов и зерен в процессе роста на 14 дней и приводит только к 16% увеличению урожайности и росту содержания вредных алкалоидов. Это воздействие позволяет управлять также и элементным составом зерновых люпина «Снежеть» - содержанием белков.
Полученные данные сведены в таблицу. На основании этих данных можно сделать вывод о реализации способа повышения продуктивности зернобобовых культур, так как имеет место одновременное увеличение урожайности на 24+5%, увеличение содержания белков в на 51+3%, и при этом улучшаются вкусовые качества люпина, так как на 34+2% снижается содержание алкалоидов. Экспериментальные данные по реализации способа: позиция 1, позиции 2-7: иллюстрация отдельных шагов, обеспечивающих доказательность способа: 2 - данные для воздействия импульсными магнитными полями (МП) и ультрафиолетового излучения, 3 и 6 - двойной разнесенный по пространству контроль, 4 - данные для воздействия импульсными МП и инфракрасным лазером, 5 - данные для воздействия импульсными МП и ярко-красным лазером (λ=630 нм), 7 - средние значения контрольных образцов №№3 и 6 (см. таблицу).
2
2
2
Обоснование расположения слоя зерновых по толщине, не превышающей двух средних размеров зерен, связано с необходимостью однородной обработки, посредством сканирования однородной интенсивностью электромагнитной волны при одинаковой средней напряженности магнитного поля на уровне не менее 80% по числу зерен, подвергнутых однородному воздействию и заявляемых номиналов. Обоснование заявляемых диапазонов ЭМ воздействий на зерна - по своей природе они эквивалентны природным факторам: магнитному полю Земли с индукцией порядка 60 мТл и излучению широкого диапазона длин волн Солнца порядка λ=200-1500 нм светового дня, около 80% от общей светимости. Диапазон длин волн биотропного на молекулярно-клеточном уровне биологических упорядоченных сред ИК излучения диапазона 750-1000 нм, с другой стороны, является освоенным в промышленном смысле полупроводниковой лазерной техники, в том числе и уровнем плотности низкоинтенсивной дозы 2-20 Дж/см, достижимой по времени облучения порядка 10-20 мин на кг зерна и в перспективе до десятков тонн в сутки с соответствующим увеличением излучателей. Мягкий ультрафиолетовый диапазон 250-350 нм с низкоинтенсивной плотностью мощности (порядка 2-8 мВт/см) и соответствующих плотностей доз 1-10 Дж/см воздействует как модулятор генной экспрессии генотипа роста зернобобовых культур. Причем уровень плотности дозы биотропного ИК излучения установлен экспериментально, а уровень дозы УФ излучения должен быть ниже как модулятор основного ИК, например от 20:10 до 20:1. Частота импульсных магнитных полей 0,2-20 Гц обусловлена низкой областью 0,2 Гц требуемой производительности обработки, а верхний предел 20 Гц задается временем, необходимым задаваемой информационной обработке биосред зерен. Амплитуда импульсных магнитных полей задана диапазоном 5-50 мТл, причем нижняя граница 5 мТл задана пороговой амплитудой, а верхняя в 50 мТл - как средняя величина на зерне, обеспечивающая низкоинтенсивное воздействие в указанном частотном диапазоне.
Применение данного изобретения позволит повысить продуктивность зернобобовых культур за счет роста урожайности и качества полученного зерна, а также добиться увеличения содержания белков и снижения примесей алкалоидов в зерновых компонентах и расширить область применения зернобобовых культур для почв Нечерноземья РФ.
№
Урожайность, %
Сод. Белков, %
Сод. алкалоидов
Сод. влаги %
1.
1,24
36,7
0,67
14,6 - норма
2.
0,99
32,9
0,81
17,2 - замедление роста растений
3.
0,95
22,6
1,05
15,3
4.
1,26
29,1
0,82
16,2
5.
1,16
30,4
1,09
18,8 - замедление роста растений
6.
1,05
26,1
0,99
14,6
пог.
+0,05
+2,2
+0,02
+0,3
контроль - среднее значение по позициям №№3 и 6: поз. №7
7.
1,00
24,3
1,02
14,9