Старт для развития — опыт по применению лазерной предпосевной обработки семян в теплицах

Текст: О. Н. Крылов, канд. с.-х. наук, ст. науч. сотр., директор ООО «НИИ “Агролазер”»

С исследовательской и производственной позиций важным является ответ на вопрос о влиянии предпосевной оптической обработки семян на развитие растений и, прежде всего, проростков. Когерентное излучение способно оказать положительное воздействие на процесс выращивания рассады многих культур, в частности огурца, востребованного в тепличном секторе.

Лазерная предпосевная обработка имеет ряд существенных преимуществ. Так, в результате нее сокращается время появления и развития всходов, увеличивается высота, масса растений и плодов. Одновременно такая процедура требует точного выбора режимов воздействия в соответствии с конкретной культурой и сортом. Наблюдения позволяют определить варианты предпосевной обработки, обеспечивающие лучшие значения параметров развития.

ОПТИЧЕСКОЕ ВЛИЯНИЕ

Исследования динамики роста всходов огурца проводились в климатической камере кафедры «Инженерная защита окружающей среды» ФГБОУ ВО «Удмуртский государственный университет». В ходе экспериментальных работ использовались семена гибрида Церес F1, предоставленные АО «Тепличный комбинат “Завьяловский”». В целом данное предприятие, а также его руководитель и сотрудники активно участвовали в выполнении научно-исследовательской работы. Поставщиком семян являлась немецкая компания De Ruiter Seeds. Предпосевная оптическая обработка выполнялась на установке «Луч-2», оснащенной электронным блоком управления тремя лазерными диодами производства фирмы Mitsubishi Electric. Они имеют мощность излучения до 150 мВт и длину волны 638 нм. Устройство контроля позволяет плавно регулировать силу диодов в пределах, принятых в эксперименте.

В план опыта включались четыре фактора. В качестве X1 был принят угол наклона плоскости скатывания семян к горизонту. Значение этого параметра может быть изменено за счет подъема загрузочного бункера по вертикальной стойке. В виде X2 обозначалась оптическая мощность излучателя, X3 — количество одновременно включенных излучателей, X4 — время между двумя последовательными обработками. При уровне данного показателя в –1 одновременно могут быть включены один, два или три лазерных излучателя. В зависимости от установленных значений факторов варианты режимов обработки получали обозначения 1В, 2В, 3В и 4В.

СТАДИИ ВЫРАЩИВАНИЯ

Эксперименты включали ряд последовательных этапов. Все операции проводились в октябре. На первой стадии осуществлялась собственно предпосевная обработка семян на лазерной установке в соответствии с принятым и описанным планом. Параметры выбирались на основании предыдущих исследований, а сама процедура выполнялась в четырехкратной повторности для всех режимов воздействия. Второй этап подразумевал посев семян в пластиковые стаканчики с торфогрунтовой смесью и их расстановку в климатической камере. Контрольный высев проводился 19 октября в 12 часов. По вариантам эксперимента время посева составляло соответственно 19 октября в 12 часов — 2В и 3В, 20 октября в 15 часов — 4В, 20 октября в 18 часов — 1В. Разница по времени посева была связана с выбранными режимами обработки, когда последовательные процедуры заканчивались через 3 или 6 часов. Следует обратить внимание, что в вариантах 4В и 1В период посева был сдвинут на 27 и 30 часов соответственно. Учет этого параметра необходим ввиду того, что исследовалось развитие растений в фазе проростков с периодическим контролем в дневное время через каждые четыре часа. Одновременно каждый стаканчик был маркирован так, что обозначение включало собственно режим обработки и номер повторности, которая отмечалась римскими символами.

Третья стадия предусматривала выращивание рассады в климатической камере до фазы 6–7 листа с поддержанием постоянной температуры 22,6ºC, влажности в пределах 70–75%, уровня освещенности 7000 лк и продолжительности светового дня 24 ч. На четвертом этапе проводились собственно исследования динамики появления и развития всходов, что включало несколько элементов. Контроль времени формирования проростков осуществлялся днем с периодичностью через каждые четыре часа. Момент фиксировался по наличию подсемядольного колена на поверхности грунта и началу разворачивания семядольного листа растения. Далее отслеживалось время его полного развертывания с периодичностью в четыре часа, после чего фиксировалась высота растений с той же цикличностью. Измерение этого параметра выполнялось пластиковыми линейками с миллиметровыми делениями, установленными в каждом из стаканчиков. Следующая процедура — оценка времени образования и размеров настоящих листьев каждые четыре часа. Значения определялись аналогичным способом. В ходе опыта велась видеозапись процесса появления всходов и развития растений с помощью веб-камеры, позволяющей осуществлять съемку с размером кадра 1024×768 пикселей. Данный процесс выполнялся до фазы формирования настоящих листьев с частотой один кадр каждые 10 минут.

ДРУЖНЫЕ ВСХОДЫ

В связи с тем, что семена в схемах обработки 4В и 1В были высеяны позже на 27 и 30 часов соответственно, временные данные для них необходимо сдвинуть к общему началу шкалы для всех моделей. При этом новый момент для каждой i-й точки наблюдений в k-м варианте мог быть определен согласно выражению  , где Δk — сдвиг времени посева для k-го варианта в часах,  — фактический посев, зафиксированный в лабораторном журнале, в часах.

В общей системе координат времени при разных режимах предпосевной обработки семян в динамике появления и развития растений отмечались некоторые аспекты. В схеме 3В через 76 часов после посева проростки появились у всего посевного материала. При этом наиболее раннее формирование было зарегистрировано в варианте 4В: половина семян пробилась через 66 часов. В течение следующих суток, то есть через 90 часов после высева, появление проростков в этой схеме было завершено полностью. Для режимов 1В, 2В и контроля динамика развития растений оказалась одинаковой. Так, 3/4 семян варианта 1В имели проростки через 69 часов, а еще через 18 часов их формирование было окончено. Аналогично, но с задержкой на 6–7 часов происходило появление растений в схемах 2В и К. В целом наиболее раннее и дружное полное развитие проростков наблюдалось в варианте 3В, где они были зафиксированы через 76 часов после посева. При других режимах подобное явление отмечалось на 11–17 часов позже, причем максимальная задержка была замечена в варианте 2В и на контроле.

Относительно динамики роста семядольных листьев в общей системе координат времени для разных режимов предпосевной обработки семян наиболее существенными оказались несколько моментов. Самое раннее и быстрое развитие отмечалось в схеме 1В: уже через 90 часов после посева все растения имели их полностью сформированными. В варианте 4В начало образования таких листьев наблюдалось через 90 часов после высева, а завершение — через 100 часов. При режимах 2В, К и 3В начало формирования отмечалось через 93, 96 и 100 часов соответственно, а его окончание — через 117 часов.

ТОЧКИ МАКСИМУМОВ

Как уже отмечалось, время посева семян в зависимости от режимов различалось, что было обусловлено как длительностью предпосевной обработки, так и графиком работы лаборатории, поэтому анализ высоты растений был осложнен временным сдвигом данных для вариантов 4В и 1В. После приведения значений к одной оси для некоторых ее точек было характерно появление пропусков измерений. Их заполнение выполнялось за счет аппроксимации имеющихся экспериментальных позиций, полученных в каждом из режимов.

Для построения моделей использовались средние величины высоты растений в точках наблюдений. Такая аппроксимация, в частности для контрольного варианта предпосевной обработки, выполнялась в пакете Microsoft Office Excel 2003. Процедура проводилась для моделей трех видов: полиномы второй степени Y = a·X2 + b·X + c, линейной модели Y = a·X + b и логарифмического варианта Y = a·Ln(X) + b. Здесь Y — расчетное значение высоты растения, см, X — время с момента посева, час, a, b, c — параметры. Оценка качества построенных моделей выполнялась с помощью коэффициента детерминации R2. Во всех вариантах предпосевной обработки его наибольшее значение было получено для полиномов второй степени. Для дальнейшего анализа были определены модели, соответствующие им величины R2 и точки максимумов. Самое низкое R2 фиксировалось при режиме 2B — 0,9297. Во всех остальных случаях коэффициент детерминации находился в интервале 0,97–0,994, что даже с учетом варианта 2B позволяло считать полученные модели хорошо согласующимися с данными наблюдений. Следует обратить внимание на максимумы. Во всех вариантах предпосевной обработки семян высота растений Y оказалась больше, нежели на контроле, причем данное превышение составило ΔY = 0,27–0,58 см, или от 12 до 27%, с максимумом в случаях 1B и 2B. Одновременно необходимо отметить, что значение X, соответствующее максимуму Y для варианта 4B, вышло за пределы диапазона аппроксимации показателей.

Результаты наблюдений и расчетов высоты растений по полученным моделям для удобства были представлены в графическом виде. При существенно более раннем появлении входов семян изменение данного показателя для варианта 4B происходило медленнее, нежели для других режимов. Опыты 1B, 2B и 3B выделялись самой высокой интенсивностью роста, при этом для 1B максимальная высота экземпляров была достигнута на сутки ранее, чем в остальных вариантах, включая контроль. Всходы в данном случае также появились раньше. Кроме того, снижение зафиксированной высоты растений с 200 часа развития непосредственно было связано с началом формирования настоящих листьев и искривлением стебля.

ПРЕДСКАЗАННЫЕ ЗНАЧЕНИЯ

Расчет площади листовой поверхности выполнялся по методике Н. Ф. Коняева. В связи с неодновременностью измерения параметров листа относительно фактического начала развития растений и наличием пропусков замеров в данном случае также использовалась обозначенная ранее система заполнения пропущенных значений с помощью аппроксимирующих кривых. Затем были выбраны модели для дальнейшего анализа. Значение R2 для всех построенных схем оказалось близко к единице, что вновь позволяло считать полученные варианты хорошо описывающими сведения наблюдений. Равенство R2 = 1 для моделей второго настоящего листа было непосредственно связано с малым количеством оценок, поскольку за время эксперимента удалось выявить лишь три точки, через которые квадратичная парабола формировалась без ошибок. При этом модели, за исключением схемы для второго листа в варианте 3B, имели отрицательные коэффициенты перед членом Х2, что позволяло говорить о наличии точек максимума в развитии настоящих листьев.

В ходе работы также были определены значение Ymax и соответствующая ему величина t для каждой модели, проведен сравнительный анализ этих уровней в выбранных вариантах обработки с контрольными данными и рассчитаны разности времени достижения таких максимумов — опережение развития — при разных режимах. Для 2B, 3B и 4B расчетные значения Ymax превосходили контрольные показатели на 3–39%, при этом расчетное время опережения находилось в диапазоне от 9 до 111 часов для 4B. В случае 2B было получено наибольшее Ymax, когда его превышение над контролем составило 38,8%, однако возможность такого уровня модель предсказывала лишь с задержкой на 280 часов. Выделялись расчеты Ymax для варианта обработки 1B, где максимум площади первого настоящего листа определялся меньшим на 9,55% по сравнению с контролем, но достигался он на 145 часов раньше. При этом предсказанное значение Ymax для второго настоящего листа превышало контрольное на 9,2%, но обеспечивалось на 19 часов позже.

ДЛЯ ВТОРОГО ЛИСТА

Результаты были представлены в графической форме. В итоге было хорошо заметно ускоренное развитие первого настоящего листа в вариантах 2B, 3B и 4B, когда его площадь к концу наблюдений, то есть через 576 часов, достигала 72,32, 74,3 и 73,49 кв. см соответственно против 64 кв. см на контроле. При этом значение стандартных отклонений находилось для всех режимов обработки в пределах σ = 6–11 и лишь в контрольном варианте составило 13,75. Одновременно необходимо отметить практическое выравнивание величин площади листа для 1B и К по истечении 504 часов.

Аналогичная ситуация была характерна для второго листа, однако разница заключалась в том, что в конце наблюдений близкими в данном случае оказались значения в вариантах 2B и К. При режимах 1B, 3B и 4B площадь достигла 76,48, 82,65 и 80 кв. см соответственно против контрольных 71,22 кв. см, а стандартное отклонение находилось в пределах σ = 9–18 для всех схем обработки. Отдельно необходимо отметить динамику развития настоящих листьев в режиме 4B. Если в начале наблюдений их размеры и площадь имели наименьшие значения, то к концу ситуация изменилась — показатели достигали максимальных величин. По сути, в данном варианте предпосевной обработки наблюдалось ускорение развития самого растения.

РАЗЛИЧНЫЕ РЕАКЦИИ

В целом исследование показало, что оптическое воздействие на семена когерентными излучениями повлияло на все параметры выращиваемых экземпляров. В варианте 3В проростки полностью появились через 76 часов после посева. На контроле развитие до фазы начала разворачивания семядольных листьев задерживалось на 17 часов в сравнении со значениями для 3B и на 3 часа — относительно 4В. В схеме К полное развитие таких листьев вновь опаздывало на 27 часов в сравнении с данными для режима 1B и на 17 часов — для 4B. На всех вариантах предпосевной обработки семян максимальное значение высоты растений было больше контрольного и стало наивысшим в схемах 1B и 2B.

В соответствии с результатами наблюдений вариантами предпосевной обработки, обеспечивающими лучшие значения рассматриваемых параметров роста огурца, оказались 3B и 4B. Вместе с тем необходимо отметить, что в конечном счете даже в одинаковых условиях разные режимы оптического воздействия когерентными излучениями вызывали различные реакции. Так, в 1В наблюдались ускоренное развитие семядольных листьев и повышение высоты растений, в 2В — рост образцов и площади первого настоящего листа. В варианте 3В были зарегистрированы наиболее дружное появление проростков и увеличение размера листовых пластин, в 4В — их максимальная площадь. Однако не следует исключать такие комбинации показателей предпосевной оптической обработки семян излучениями, при которых будет отмечаться не ускорение роста, а его торможение либо гибель растений. В практическом смысле отсюда следует лишь одно: необходимо предварительно проверять влияние возможных режимов лазерного воздействия на развитие проростков. Одновременно такие установки должны обеспечивать гибкость в плане подбора оптимальных схем обработки семян.