Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса 6
1.1. Факторы электрофизического воздействия при стимуляции семян 6
1.1.1. Магнитное поле 6
1.1.2. Электрическое поле 8
1.1.3. Комплексная предпосевная стимуляция семян 10
1.1.4. Электромагнитное поле 12
1.2. Технические средства для реализации способов предпосевной обработки семян 20
1.3. Обоснование задач исследования 27
Основные задачи исследования 28
ГЛАВА 2. Семена растений как объект воздействия электрофизических факторов 29
2.1. Структура семян зерновых 29
2.2. Мембраны растительных клеток как объект воздействия электрофизических факторов 31
2.3. Жидкокристаллическая модель мембран растительных клеток . 34
2.4. Электрогидродинамический эффект в жидких кристаллах 36
Выводы 45
ГЛАВА 3. Методика экспериментальных исследований воздействия электрофизических факторов 47
3.1. Методика лабораторных исследований энергии прорастания и всхожести семян 47
3.2. Способ сравнения изображений в диапазоне видимого света 48
3.3. Лабораторные исследования семян риса при различных режимах воздействия электрофизическими факторами 52
3.4. Реализация способа обработки семян перед посевом 56
3.5. Методика лабораторных исследований при определении време ни экспозиции обработки семян электромагнитным полем 62
Выводы 80
ГЛАВА 4. Математическая обработка эспериментальных данных 81
4.1. Статистическая обработка экспериментальных данных дополнительных измерений 81
4.2. Применение планирования эксперимента при определении оптимального времени экспозиции воздействия электрофизических факторов 82
Выводы 91
ГЛАВА 5. Полевые испытания предложенного способа обработки семян риса перед посевом 92
Выводы 94
ГЛАВА 6. Экономическая эффективность применения установки по предпосевной обработке семян риса в низкочастотном электромагнитном поле и лазером . 95
Выводы 104
Выводы 105
Литература 107
Приложение I 123
- Технические средства для реализации способов предпосевной обработки семян
- Мембраны растительных клеток как объект воздействия электрофизических факторов
- Лабораторные исследования семян риса при различных режимах воздействия электрофизическими факторами
- Применение планирования эксперимента при определении оптимального времени экспозиции воздействия электрофизических факторов
Введение к работе
Основная задача агропромышленного комплекса России - это обеспечение населения качественными и полезными продуктами земледелия и сырьем для перерабатывающей промышленности.
В решении данной задачи особая роль отводится возделыванию зерновых культур (пшеницы, кукурузы, риса и др.)
Урожайность этих культур в значительной степени зависит от качества семенного материала. Один из эффективных способов решения задачи повышения качества посевного материала - это предпосевная подготовка семян с помощью воздействия на них физическими факторами [143].
Необходимость предпосевной подготовки семян обусловлена тем, что увеличение посевных площадей требует значительных запасов посевного материала, который хранится в условиях элеваторов и зернохранилищ, отличающихся от природных условий [29].
Живые организмы тысячелетиями формировались в условиях геомагнитного поля, которое играет важную роль в жизни организмов на всех фазах их развития и существования [112].
Растения реагируют на магнитное поле Земли, что отражается в формировании корневой системы дифференцированной ростовой реакции относительно магнитных полюсов.
Растения реагируют и на искусственные слабые и сильные электромагнитные поля. Воздействие на растения магнитными полями разной напряженностью, можно вызвать как стимуляцию роста различных частей растений, так и задержки клеточного деления и снижения обменных процессов. Реакции растений на внешнее воздействие зависит от вида растений, интенсивности, качества и продолжительности воздействия.
Для предпосевной стимуляции семян используются термическая и химическая обработки, электромагнитные поля, различные излучения. Необходимость таких предпосевных мероприятий связана с множеством факторов как
техногенного, так и эколого-климатического характера (травмирование семян, поражение грибками, плесенью, насекомыми, нарушение условий хранения и др.). Все предпосевные мероприятия направлены на повышение продуктивности растений. В первую очередь необходимы такие средства воздействия, которые активизируют прорастание семян, обеспечивают жизнеспособность зародыша семени, обеспечивают его рост и рост первичного корешка на начальном этапе.
В связи с этим актуальным является изучение и систематизация известных способов предпосевной обработки и обоснование параметров электромагнитных полей, применяемых для предпосевной обработки семян.
Задача увеличения количества и качества продукции растениеводства является основной в сельскохозяйственном производстве. Качество семян является определяющим в получении высоких урожаев сельскохозяйственных культур. Сегодня известно более 50 способов предпосевной стимулирующей обработки семян, которые позволяют повысить урожайность зерновых. Электрофизические способы являются более доступными и технологичными в сельскохозяйственном производстве. Они позволяют снизить применение химических средств защиты от вредителей и болезней на стадии прорастания, что оправдано с точки зрения экологии.
Исследования, результаты которых представлены в диссертации, выполнялись в рамках научно-исследовательских работ, проводимых в КубГАУ в соответствии с госбюджетной темой № 16 "Разработка энергосберегающих технологий в сельскохозяйственном производстве" и договор 74 а/00 НТТМ "Научно-методическое руководство по обработке посевного материала".
Технические средства для реализации способов предпосевной обработки семян
Установка состоит из корпуса 1, выполненного из диамагнитного материала, на котором размещена обмотка 2, подключенная к источнику импульсного тока З, в верхней части корпуса размещены две ультразвуковые статические сирены 4, на которые под давлением 3...4 атм. подается озон от озонатора 6. Частота колебаний озоновой струи может изменяться от нескольких кГц до десятков кГц в зависимости от конкретной культуры семян. Семена из бункера в свободном падении проходят внутри корпуса, подвергаясь воздействию импульсного электромагнитного поля и озона. Учитывая, что плотность озона больше плотности воздуха, сирены располагают в верхней части корпуса, что позволяет обрабатывать семена озоном по всему объёму корпуса. Под воздействием озона семена дополнительно вращаются, не подвергаясь механическим повреждениям, в результате чего эффективность обработки может возрасти.
В работе [65] представлена установка для обработки семян зерновых культур лазером, состоящая из механической камеры, камеры подсветки и рамы (рис. 1.9).
В механической камере 1 расположены оптическая скамья с закрепленным гелий-неоновым лазером дифлектором, осуществляющим развертку луча, в камере подсветки 2 находятся бункер для приема зерна, лоток для потока зерна, дозатор, лоток для приема зерна, лампы подсветки и отражатели. Вся конструкция закреплена на подвижной раме. Зерно ссыпается по плоскости, установленной под углом 40 к отвесу, что обеспечивает скорость ссыпания зерна примерно 2,5 м/с, ширина лотка 600 мм, толщина слоя регулируется в пределах от 30 до 70 мм в зависимости от вида посевного материала.
Однако описанные выше устройства обладают рядом недостатков, такими как низкая пропускная способность, большие массогабаритные размеры, большая металлоемкость, неравномерность обработки посевного материала, трудность подбора оптимальных параметров обработки, затрудняющие их широкое применение.
Изученные нами публикации, описывающие способы по предпосевной обработке семян, и технические средства для реализации этих способов позволяют классифицировать наработанный опыт и обосновать актуальность проблемы использования предпосевной обработки, сформулировать цели и задачи исследований, методы и способы оценки результатов проводимых работ по обоснованию параметров электромагнитных полей, применяемых для предпосевной обработки семян.
Хозяйства и организации, занимающиеся выращиванием зерновых, неодинаково обеспечены посевным материалом. Вынуждены использовать посевной материал, не элитный, а подвергшийся длительному хранению в семяхра-нилищах. Собранный урожай зависит как от природно-климатических факторов, полноты агротехнологии, так и от подготовленности семян к посеву. В настоящее время известны десятки способов и устройств для предпосевной стимуляции семян, положительно влияющие на урожайность. Однако массового внедрения в практику они не получили. В одних случаях причиной становится нехватка рабочих рук, в других - рост энергозатрат, который не оправдывает полученную прибавку к урожаю.
В связи с этим, актуальной проблемой является разработка недорогих способов и устройств для предпосевной стимуляции посевного материала, экологически безопасных для обслуживающего персонала и окружающей среды. Среди выше рассмотренных способов предпосевной активации семян наиболее эффективным является комбинированное воздействие на посевной материал, а для условий Северо-Кавказского региона это низкочастотное электромагнитное воздействие в комбинации с лазерным излучением.
Основная цель диссертационной работы заключается в исследовании влияния воздействия лазерного облучения красным светом (632,8 нм) на семени, находящихся в низкочастотном поле (10-26 Гц) и выбор оптимальных режимов обработки семян для посева в условиях почв дельтового ландшафта (Приазовские плавни), а также разработка установки для обработки семян данным способом.
Основные задачи исследования 1. Получить основные зависимости между характеристиками внешнего электромагнитного поля и внутренними характеристиками мембран растительных клеток на основе представления их в виде слоя жидких кристаллов. 2. Установить диапазон возможных частот электромагнитных полей для предпосевной обработки семян риса. 3. Разработать методику лабораторных исследований энергии прорастания и всхожести семян при комбинированных воздействиях. 4. Разработать лабораторную установку для комбинированной обработки семян риса. 5. На основе экспериментальных исследований подтвердить теоретические положения по взаимосвязи внутренних характеристик мембран растительных клеток с параметрами внешних электромагнитных полей. 6. Установить основные закономерности технологического процесса комбинированной обработки низкочастотным электромагнитным полем и лазером и на их основе получить математические модели процесса. 7. Провести производственные испытания предлагаемого способа обработки семян риса и определить экономическую эффективность его применения.
Мембраны растительных клеток как объект воздействия электрофизических факторов
Основные проявления жизни - обмен веществ и рост - обеспечиваются системой структурно и функционально связанных элементов клеток. Установлено [142], что на поверхности клетки и ее органелл имеются структуры, ответственные за регуляцию поглощения и выделения веществ, сходных по строению трехслойных образований - мембран. Они образуют каркас почти всех клеток и органелл (плазматические мембраны, ядерные мембраны, митохондрии, хлоропласты, аппарат Гольджи, эндоплазматический ретикулум, тонопла-сты, лизосомы, мезосомы и т.п.).
Мембраны состоят главным образом из липидов и белков с примесью углеводов. Липиды являются производными глицерина или сфингозина, это либо фосфолипиды, либо гликолипиды; помимо этого, присутствуют стерины и некоторые минорные липиды [125]. Жирнокислотный состав липидов весьма разнообразен, однако преобладают в них пальмитиновая и олеиновая кислоты. Мембранные белки представлены двумя типами: интегральными и периферическими, причем первые несколько более гидрофобны, чем вторые, и не содержат цистеина.
Липиды в составе мембран образуют бимолекулярные пленки; полярные "головки" молекул направлены наружу, а сами пленки усеяны отдельными или сгруппированными в кластеры молекулами белка, погруженными в мембрану или пронизывающими ее насквозь. Липиды могут находиться в нескольких физических состояниях. При температурах выше 12 - 18 С они представляют собой жидкость или жидкий кристалл, а ниже этого интервала температур находятся в кристаллическом состоянии. Все компоненты мембран способны к латеральной диффузии.
Функции мембран весьма многообразны. Они не только осуществляют транспорт молекул и ионов, но и выполняют роль рецепторов для соединений типа антигенов и гормонов, служат местом расположения многих ферментов, участвуют в синтезе компонентов наружных клеточных стенок, являются механической опорой и электрическим изолятором клеток [75].
В начале 30-х годов Г.Даусон и Д.Даниелли предложили свою гипотезу о строении элементарной клеточной мембраны, согласно которой она представляет собой двойной липидный слой, с двух сторон покрытый белками. Описанная структура напоминает сэндвич (рис. 2.4). Основными силами, стабилизирующими мембрану, являются слабые водородные взаимодействия между гидрофильными радикалами белков и амфипатических липидов, а также гидрофобные связи Ван-дер-Ваальса в зоне углеводородных радикалов высокомолекулярных жирных кислот. В дальнейшем было высказано предположение о наличии в мембранах "пор", представляющих собой участки с гидрофильными свойствами. 1. Мембраны - это пограничные структуры, обеспечивающие диалектическое единство разделения и связи клеточных компонентов. 2. С помощью мембран поддерживается гомеостаз - постоянство среды в каждой клетке. 3. Через мембраны происходит обмен веществ, энергии и информации между клеткой и окружающей средой. 4. Мембраны связаны с важнейшими биохимическими процессами, так как в них локализованы ферменты, осуществляющие синтез, гидролиз, окисление, перенос и т.д. 5. На мембранах хлоропластов и митохондрий происходят сложные процессы биоэнергетики (фотосинтетическое и окислительное фосфорилирование), снабжающие клетку энергией. 6. Мембраны выполняют рецепторную функцию, воспринимая внешние раздражения и передавая сигналы о них организму в целом. Как было показано выше и в работах других исследователей [40, 45, 105, 112, 148, 149] мембраны ведут себя как жидкие кристаллы. 2.3. Жидкокристаллическая модель мембран растительных клеток Жидкие кристаллы - термодинамическое состояние между кристаллическим и изотропно жидким некоторых органических веществ. Жидкие кристаллы - это структуры, вязкость которых сравнима с вязкостью воды, однако обладают механическими, электрическими, магнитными и оптическими свойствами твердых кристаллов. В жидкокристаллическом состоянии могут находиться вещества, имеющие удлиненную палочкообразную форму, которая определяет почти параллельную укладку - основной структурный признак жидких кристаллов. Они характеризуются наличием ориентационного порядка и полным или частичным отсутствием трансляционного порядка. Наличие ориентационного порядка означает, что имеет место определенное направление преимущественной ориентации молекул. По типу ориентации различают три основные типа жидких кристаллов: смектические, нематическое, холестерическое [57, 148]. Смектическое состояние характеризуется ориентационной и одномерной трансляционной упорядоченностью (молекулы параллельны друг другу и расположены слоями) (рис. 2.5 а)). Нематическое состояние характеризуется однородной ориентацией и отсутствием координационного порядка (кристаллической решетки) (рис. 2.5 б)). Холестерическиое состояние аналогично нематическому, но в нем направление преимущественной ориентации закручено по спирали (рис. 2.5 в)).
Лабораторные исследования семян риса при различных режимах воздействия электрофизическими факторами
В лабораторных условиях исследовались энергия прорастания и всхожесть семян риса, обработанных переменным электромагнитным полем низкочастотного диапазона в сочетании с воздействием на них лазерного излучения.
Лабораторные исследования энергии прорастания и всхожести семян риса проводились согласно действующим в настоящее время ГОСТам (ГОСТ 10250-80 Семена риса. Сортовые и посевные качества; ГОСТ 12038-84 Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести).
Работа проводилась с семенами риса сорта Лидер урожая 1999 года второй репродукции, полученными в ООО "Хить и К" пос. Голубая нива Славянского района. Из пробы семян отбирались произвольным образом пробы по 100 семян трехкратной повторности на каждый режим воздействия и контроль. Каждая проба помещалась в отдельный бумажный пакет и нумеровалась. После того, как семена подвергались электрофизическому воздействию, с отлежкой 24 часа. Далее семена заливались водой температуры 40 С на 24 часа каждая проба в отдельной чашке Петри с маркировкой, соответствующей маркировке пакета. После замачивания разбухшие семена выкладывались на три слоя фильтровальной бумаги, накрывались одним слоем. Чашки Петри с семенами помещались в коробку с плотной крышкой для предотвращения попадания света. Ежедневно семена проветривали открыванием крышки. Проверялась степень увлажненности фильтровальной подложки, при необходимости увлажненность увеличивали, капая водой комнатной температуры, предварительно отстоявшейся в открытом сосуде не менее суток. Проращивание проводилось в термостате при температуре 20 С. При учете энергии прорастания на 4-е сутки подсчитывались нормально проросшие семена, при учете всхожести на 11-й день после закладки на прорастание подсчитывались семена с хорошо развитыми корешками более длинными, чем семя и ростками, размером не менее половины длины семени, имеющими первичные листочки, занимающими не менее половины длины колеоптиля. Остальные семена считались непроросшими, т.е. невсхожими. Данные записывались в таблицы энергии прорастания и всхожести. В настоящее время не существует доступных инструментов для определения энергетического состояния посевного материала. Данный способ может быть применен в устройствах для экспресс-анализа при активации посевных качеств семян [43]. Распознавание образов можно осуществлять как корреляционными методами, так и методами, дающими однозначный ответ. В первом случае совпадение оценивается по заданной степени корреляции. Во втором случае степень корреляции сводится до минимума. При распознавании образов методом сравнения осуществляется операция конъюнкции, то есть на выходе имеется сигнал 0 или 1, если сигнал записан в двоичной системе. Если за совпадение двух сравниваемых разрядов принять О (отсутствие выходного сигнала), то осуществляется операция "сумма по модулю 2". Если за совпадение принимается 1 (наличие выходного сигнала), то осуществляется операция "эквивалентность". Перебор всех возможных вариантов при сравнении двух разрядов показан в таблице 3.1. Аналитически функция S\ может быть задана в следующем виде где х и у - сигналы, инвертированные по отношению к поступающим сигналам х и у. При сравнении картин по п элементам или п разрядам формулу (1) можно обобщить Реализация функции S2 осуществляется способом оптического сравнения, который позволяет автоматизировать процесс. Для сравнения изображений транспарант с эталоном располагают последовательно в потоке света с другим транспарантом, на котором имеется исследуемое изображение. Способ осуществляет сравнение изображений в два этапа. На первом этапе сравнивают позитив эталона и негатив исследуемого изображения. На втором этапе сравнивают негатив эталона и позитив исследуемого изображения. Порядок следования этапов безразличен. Если эталон и исследуемое изображение тождественны, то световой поток, прошедший через позитив эталона гасится на негативе исследуемого изображения (рис. 3.1 а)). На втором этапе световой поток, прошедший через негатив эталона, гасится на позитиве исследуемого изображения (рис. 3.1 б)). Таким образом, совпадение двух изображений регистрируется при отсутствии просветления на обоих этапах. Если эталон и исследуемое изображение нетождественны, то хотя бы на одном из двух этапов появляется просветление. Пусть на первом этапе просветление отсутствует, так как световой поток, прошедший через позитив эталона гасится негативом исследуемого изображения (рис. 3.2 а)), тогда на втором этапе в местах несовпадения эталона с исследуемым изображением проходит световой поток (рис. 3.2 б)), то есть при появлении просветления имеет место несовпадение эталона с исследуемым изображением.
Для осуществления способа необходимо наличие инвертирующих систем. Такой системой может быть пространственно-временной модулятор света (ПВМС) на жидких кристаллах с фотопроводящим слоем, у которого наблюдается эффект динамического рассеивания или ориентационный эффект. Способ оптического сравнения объектов не требует когерентных источников света и связанного с эти сложного оборудования. Нет необходимости в поляризованном излучении, что значительно улучшает использование световых потоков и повышает экономические показатели устройств, работающих по данному способу.
Световой поток, промодулированный транспарантом, регистрируется на поверхности какого-либо фотоприемника. Можно показать, что минимальное число элементов сравниваемых изображений или "сложность" анализируемых объектов определяется простым соотношением
Применение планирования эксперимента при определении оптимального времени экспозиции воздействия электрофизических факторов
Полевые испытания способа предпосевной обработки семян проводились в ООО "Хить и К" Славянского района Краснодарского края (поселок Голубая Нива).
Почва в этом районе перегнойно-глеевая, рН - 5,6 - 6, содержание гумуса - до 9 % [18]. Хозяйство выращивает рис сортов Лидер, Лиман, Хазар и др. (элита, суперэлита, I репродукция, II репродукция). Общая площадь под рисом 6,5 тысяч гектаров. Семенной материал хранится в складах насыпью, высота бурта составляет 2,5 - 3 метра.
На площади 4 га в чеке № 513 (площадь чека 8,5 га) был засеян рис сорта Лидер второй репродукции, обработанный в низкочастотном электромагнитном поле и лазером красного света (к = 632,8 нм). Предпосевная обработка осуществлялась на установке "Львов I - Электроника", доработанной таким образом, чтобы можно было включить в технологический процесс воздействие низкочастотным магнитным полем. Описание работы и схемы установок приведены в Приложении IV (рис. 1, рис. 2). Норма высева на основной и опытной площадях составила 320 кг/га. Технологическая карта возделывания риса в 2000 году приведена в Приложении IV. Наблюдения за развитием посевов в чеке № 513 показали следующее: - прорастание риса на опытном участке появились на 1-2 дня раньше, чем на основной площади; - энергия прорастания опытного участка, визуально, значительно опережала прорастание основного чека; - в фазе кущения на опытном участке растения дали 3-4 боковых побега, на растениях основного чека - 1-3; - растения опытного участка менее пострадали от грибковых заболеваний; - в метелках опытного участка количество зерен было 165-210 штук, в метелках основного участка - 120 - 140 штук; - пустозерность на опытном участке составила 3 -4 %, на основном участке — 15 -ь 18 %; Урожайность на основном участке составила 51,02 ц/га, на опытном участке- 55,1 ц/га. Наблюдение за посевами вел главный агроном хозяйства, который высказал пожелание провести обработку семян в более широких масштабах. Работы в хозяйстве велись в течение 3-х лет (1999 - 2001 гг.). Существенность различия урожайности посевов, прошедших обработку и без нее, определялась методом попарных сравнений сопряженных наблюдений, приведенным в работе [55] по формулам п - число сопряженных наблюдений. Данные урожайности за 1999 - 2001 годы и обработка сопряженных наблюдений приведены в таблицах 1, 2, 3 Приложения V. Результаты обработки данных статистическим методом для определения наименьшей существенной разницы (НСР) с уровнями значимости 5 и 1 % приведены в таблице 5.1. Их таблицы 5.1 видно, что урожайность на посевах, обработанных предложенным способом, существенно отличается от урожайности на необработанных посевах уже на уровне значимости 1 %. По результатам работ составлен Акт внедрения (Приложение VI). 1. Посевы семян риса, обработанные в электромагнитном поле и лазером, отличались от основных посевов тем, что прорастание появилось раньше на 1-2 дня, число боковых побегов было больше (3-4 против 1 - 3); более устойчивые к грибковым заболеваниям; число зерен в метелках увеличилось (165-210 штук против 120 - 140); снизилась пустозерность (до 3 +- 4 % против 15-18 %). 2. Предложен способ предпосевной обработки семян НЧ электромагнитным полем с величиной электромагнитной индукции В = 5,7 мТл и лазерным излучением с длиной волны X = 632,8 нм. Разработана и применена установка, реализующая предложенный способ обработки семян. 3. Урожайность на участке, засеянном обработанными семенами, составила 55,1 ц/га, что превысило урожайность основного участка на 8 %. 4. Математическая обработка сопряженных наблюдений показала, что урожайность на посевах, обработанных предложенным способом, существенно отличается от урожайности на необработанных посевах уже на уровне значимости 1 %. Одна из важнейших задач при внедрении установки - это определение ее экономической эффективности в производстве. Внедрение установки по предпосевной обработке семян риса низкочастотным магнитным полем и лазером связано с дополнительными капиталовложениями и эксплуатационными затратами, что отражается на себестоимости подготовки семян. Для определения эффективности применения новой установки сравним ее с базисной установкой "Львов - I Электроника". Для ее оценки используется система показателей, основными из них являются капитальные вложения, производительность, эксплуатационные затраты и их экономия, потребление электроэнергии и чистый дисконтированный доход [63, 95, 96, 97, 131].
Стоимость существующей установки "Львов - I Электроника" на 1.01.2002 г. составила 24 000 руб. Капитальные вложения в новую установку складываются из стоимости существующей установки и дополнительных капитальных вложений, связанных со стоимостью материалов и монтажом. Величину стоимости отдельных элементов установки определяли по прайс-листам фирм "Юг-кабель" и "Армко" от 1.11.2001 г.
