Estimation of the efficiency of perspective seed treatment methods of winter wheat seeds based on analysis of crop condition and biological yields

Full Text

Введение

Для растениеводства приоритетом в сфере научных исследований является поиск эффективных способов повышения всхожести семян и урожайности сельскохозяйственных культур [1].

Как известно, быстрое и равномерное прорастание семян после посева, а также их высокая всхожесть являются основой для получения в последующем обильного урожая [2]. Также необходимо защитить растения от болезней, вызываемых патогенными микроорганизмами, для чего перед посевом выполняют обеззараживание семян [3]. Для выполнения этих требований производят предпосевную обработку семян, сочетающую стимулирование их прорастания и обеззараживание.

При предпосевной обработке часто применяют различные химические препараты [4]. Но обработка семян химикатами осложнена тем, что последние являются сильнодействующими ядами для человека и животных [5]. Проблему создает и то, что патогенные микроорганизмы приобретают резистентность к определенным препаратам, что вынуждает периодически увеличивать их дозу или заменять на другие [6].

Применение электрофизических способов для предпосевной обработки семян имеет значительные преимущества перед традиционной обработкой химикатами [7], так как при высокой эффективности экологически безопасно и значительно меньше способствует появлению резистентности микроорганизмов [8, 9]. Для предпосевной обработки используют различные электрофизические способы, состоящие в воздействии на семена электромагнитного поля с разной длиной волны [10]. Применяют такие виды электромагнитного поля, как ультрафиолетовое излучение, СВЧ-излучение, импульсное электрическое поле, гамма-­излучение и др. [11, 12].

Помимо электрофизических способов для предпосевной обработки семян перспективно озонирование, позволяющее эффективно уничтожать патогенные микроорганизмы и стимулировать прорастание [13, 14], а также исключающее загрязнение окружающей среды [15].

Опубликованы многочисленные результаты исследований, показывающие высокую эффективность представленных выше способов предпосевной обработки семян. Однако большинство этих работ посвящено рассмотрению эффективности лишь одного конкретного перспективного способа предпосевной обработки семян определенных видов растений. Практически отсутствуют сравнительные исследования эффективности различных способов обработки, выполненные на примере одного вида растений в аналогичных условиях. В силу различных условий проведения опытов и параметров обработки семян в каждом конкретном исследовании сложно их сопоставить для определения наиболее эффективных способов.

Цель исследования — определить эффективность перспективных способов предпосевной обработки семян озимой пшеницы на основе анализа состояния посевов в процессе вегетации и биологической урожайности.

Материалы и методы исследования

Исследование выполнено в Зерноградском районе Ростовской области в 2021—2022 гг. Был выполнен полевой опыт по определению влияния предпосевной обработки семян перспективными способами (ультрафиолетовое излучение, озонирование, обработка низкочастотным электромагнитным полем) на состояние посевов и урожайность мягкой озимой пшеницы (Triticum aestivum L.) сорта «Амбар» [16].

Предпосевную обработку семян пшеницы производили за 24 часа до высева. Были приняты нижеследующие параметры различных способов обработки семян.

Обработку ультрафиолетовым излучением проводили на установке с общей мощностью светодиодов 230 Вт, диапазон длины волны излучения которых составлял 200…380 нм [17]. Облучение проводили в течение 30 мин, расстояние между светодиодами и зерном составляло 10 см. Семена обрабатывали без предварительного увлажнения.

Обработку семян газообразным озоном производили в течение 15 мин. Концентрация озона в озоновоздушной смеси составляла 60 мг/м³ [18]. Обработку выполняли путем пропускания потока семян по трубе, имеющей боковые отверстия, в которые подавалась озоно-­воздушная смесь, нагнетаемая центробежным вентилятором.

Семена пшеницы подвергали действию низкочастотного электромагнитного поля [19] по методике А.И. Пахомова (Патент № 2781897 РФ. Способ подавления фитопатогенов). Семена предварительно увлажняли до достижения влажности 14 %, после чего подвергали действию электромагнитного поля при прохождении через рабочую камеру экспериментальной установки. Параметры обработки: магнитная индукция В = 100 мТл, частота поля — 20 Гц, доза воздействия — 200 мТл∙с, продолжительность облучения — 5 с [20, 21].

В качестве контроля для сравнения с перспективными способами применяли традиционный — предпосевную обработку путем протравливания семян химическими препаратами. В данном случае использовали фунгицидный препарат «Скарлет» (100 г/л имазалила + 60 г/л тебуконазола) дозой 0,4 л/т (расход рабочей жидкости — 10 л/т) [22, 23].

Опытный посев семян озимой пшеницы выполнили 1 октября 2021 г. Предшественник — подсолнечник. Семена посеяли на 4 делянках размером 20×0,3 м, на каждой из них были только семена, предварительно обработанные одним из перечисленных выше способов. Норма высева семян — 230 кг/га (5,2 млн шт. / га). Каждый полевой опыт выполняли в 4 повторностях.

В процессе вегетации озимой пшеницы контролировали состояние ее посевов с применением стандартных методик по показателям: полевая всхожесть, сохранность растений в зимний период, выживаемость растений к уборке, густота стояния и др. Обследование посевов проводили в каждый из сезонов года.

Для наиболее точного определения эффективности предпосевной обработки семян по стандартной методике на пробных площадках по 0,25 м² в четырехкратной повторности на каждой опытной делянке 1 июля 2022 г. при наступлении восковой спелости зерна определяли биологическую урожайность озимой пшеницы и ее структуру. При этом внимание уделяли показателям развития растений, позволяющим судить о стимулирующем действии предпосевной обработки на последующую вегетацию.

Уборку опытных делянок производили зерноуборочным комбайном Sampo-­Rozenlev SR2010 5 июля 2022 г. Затем дополнительно определяли урожайность сплошным методом учета, взвешивая обмолоченное зерно с каждой делянки сразу после его уборки.

Из собранного с каждой делянки зерна отбирали пробы, в которых в лаборатории стандартными методами определяли содержание протеина, клейковины (глютена) и крахмала, а также натуру зерна по ГОСТ 10840—2017.

Оценку статистической достоверности превышения значений показателей развития растений и урожайности над контролем проводили методом определения существенности различий между выборками по наименьшей существенной разности, вычисляя значение НСР при 5%-м (НСР₀₅) уровне значимости.

Результаты исследования и обсуждение

Обследование посевов показало, что в осенний период на всех делянках были получены дружные всходы, состояние посевов озимой пшеницы оптимальное, признаков поражения грибковыми заболеваниями не зафиксировано. В то же время полевая всхожесть семян была выше на делянках с обработкой ультрафиолетом и озоном. Раньше всего всходы появились на делянке с обработкой семян озоном, а затем УФ-излучением.

В зимний период посевы на всех делянках имели хорошую сохранность, определенную методом биологического контроля, при этом значительных отличий по этому показателю не вывили.

В весенний период посевы также имели хорошее состояние, однако наметилась тенденция лучшего развития растений, выращенных из семян, обработанных ультрафиолетовым излучением и озоном. Эта тенденция продолжилась и в дальнейшем, приведя к более густому стеблестою на делянках с этими видами обработки семян, что в последующем положительно сказалось на урожайности. Растения на делянках с другими видами обработки несколько уступали в развитии растениям с предпосевной обработкой ультрафиолетом и озоном. Впрочем, как видно на рис. 1, все четыре делянки с различными видами предпосевной обработки по состоянию на 8 июня демонстрировали хорошее состояние посевов, в т. ч. интенсивную окраску растений, отсутствие изреженности и полегания.

Рис. 1. Состояние опытных делянок озимой пшеницы на 8 июня 2022 г. (фаза цветения). Семена были обработаны различными способами: 1 — протравливание; 2 — УФ-излучение;
3 — низкочастотное электромагнитное поле; 4 — озонирование
Источник: выполнено А.В. Брагинцом, О.Н. Бахчевниковым

Fig. 1. State of winter wheat experimental plots on June 8, 2022 (flowering). The seeds were treated by different methods: 1 — treatment with chemical agent; 2 — UV radiation; 3 — low frequency electromagnetic field; 4 — ozonation
Source: created by A.V. Braginets, O.N. Bakhchevnikov

Некоторые результаты обследования состояния опытных посевов озимой пшеницы в процессе вегетации приведены в табл. 1.

Таблица 1. Состояние в процессе вегетации посевов озимой пшеницы, семена которой были обработаны различными способами

Показатель	Способ предпосевной обработки семян
	Протравливание препаратом Скарлет (контроль)	Ультрафиолетовое излучение	Низкочастотное электро­магнитное поле	Озонирование
Период от посева до всходов, сут.	11	10	11	9
Полевая всхожесть, %	87,2	91,7	87,4	92,1
Сохранность в зимний период, %	91,2	92,0	91,3	91,7
Выживаемость к уборке, %	87,2	88,0	87,4	87,8

Table 1. State of winter wheat crops which seeds were treated with different methods

Parameter	Method of seed treatment
	Scarlet chemical agent (control)	UV radiation	Low frequency electromagnetic field	Ozonation
Period from sowing to seedling, days	11	10	11	9
Field germination, %	87.2	91.7	87.4	92.1
Winter survival, %	91.2	92.0	91.3	91.7
Survival to harvest, %	87.2	88.0	87.4	87.8

Анализ результатов обследования состояния посевов, приведенных в табл. 1, показывает, что предпосевная обработка озоном и УФ-излучением стимулировала прорастание семян и повысила их полевую всхожесть. В то же время предпосевная обработка электрофизическими способами не оказала существенного влияния на сохранность в зимний период и выживаемость растений пшеницы к уборке по сравнению с протравливанием.

После достижения восковой спелости зерна пшеницы при влажности менее 14 % определили биологическую урожайность и выполнили оценку ее структуры. Состояние посевов на момент определения биологической урожайности показано на рис. 2.

Рис. 2. Состояние опытных делянок озимой пшеницы на 1 июля 2022 г. (восковая спелость). Семена были обработаны различными способами: 1 — протравливание; 2 — УФ-излучение;
3 — низкочастотное электромагнитное поле; 4 — озонирование
Источник: выполнено А.В. Брагинцом, О.Н. Бахчевниковым

Fig. 2. State of winter wheat experimental plots on July 1, 2022 (wax ripeness).  The seeds were treated with different methods: 1 — treatment with chemical agent; 2 — UV radiation; 3 — low frequency electromagnetic field; 4 — ozonation
Source: created by A.V. Braginets, O.N. Bakhchevnikov

Результаты оценки биологической урожайности озимой пшеницы, семена которой предварительно были обработаны различными способами, приведены в табл. 2 и на рис. 3.

Таблица 2. Биологическая урожайность озимой пшеницы, семена которой предварительно были обработаны различными способами

Показатель	Способ предпосевной обработки семян
	Протравливание препаратом Скарлет (контроль)	Ультрафиолетовое излучение	Низкочастотное электромагнитное поле	Озонирование
Количество растений на 1 м2, шт.	307	325	234	343
Количество продуктивных стеблей на 1 м2, шт.	585	613	531	646
Продуктивная кустистость	1,91	1,89	2,27	1,88
Масса чистого зерна, г	795,4	839,3	786,0	821,9
Количество зерен в колосе, шт.	34	35	37	32
Масса колоса, г	1,36	1,37	1,48	1,26
Масса 1000 зерен, г	39,98	40,93	40,45	39,28
Влажность, %	10,7	11	11,2	11
Биологическая урожайность, т/га	8,11	8,58	8,04	8,3
НСР05	—	0,46	0,08	0,19

Table 2. Biological yield of winter wheat which seeds were pretreated with different methods

Parameter	Method of seed treatment
	Scarlet chemical agent (control)	UV radiation	Low frequency electromagnetic field	Ozonation
Number of plants per 1 m2	307	325	234	343
Number of productive stems per m2	585	613	531	646
Ear bearing capacity	1.91	1.89	2.27	1.88
Weight of grains, g	795.4	839.3	786.0	821.9
Number of grains per ear	34	35	37	32
Ear weight, g	1.36	1.37	1.48	1.26
1000 grain weight, g	39.98	40.93	40.45	39.28
Moisture content, %	10.7	11	11.2	11
Biological yield, t/ha	8.11	8.58	8.04	8.3
LSD05	—	0.46	0.08	0.19

 

Рис. 3. Сравнение биологической урожайности озимой пшеницы, семена которой были обработаны различными способами
Источник: выполнено А.В. Брагинцом, О.Н. Бахчевниковым в программе Microsoft Excel 2007 

Fig. 3. Comparison of biological yield of winter wheat which seeds were treated with different methods
Source: created by A.V. Braginets, O.N. Bakhchevnikov in Microsoft Excel 2007

Как видно из табл. 2 и рис. 3, биологическая урожайность контрольной делянки (протравливание семян) была значительно превышена делянками, семена на которых были обработаны УФ-излучением — на 5,8 % и озоном — на 2,34 %. Делянка, семена на которой были предварительно обработаны электромагнитным полем, не показала более высокой биологической урожайности (меньше контроля на 0,86 %).

Непосредственные причины разной биологической урожайности пшеницы с различной обработкой семян, видимо, состоят в большем количестве растений и продуктивных стеблей на этих делянках, что явилось следствием лучшей всхожести в результате стимулирования прорастания в ходе предпосевной обработки.

Для определения сравнительной эффективности различных способов предпосевной обработки семян пшеницы и их влияния на вегетацию растений представляют интерес также данные о массе соломы и ее отношении к массе зерна (табл. 3, рис. 4).

Таблица 3. Урожай зерна и соломы озимой пшеницы, семена которой предварительно были обработаны различными способами

Показатель	Способ предпосевной обработки семян
	Протравливание препаратом Скарлет	Ультрафиолетовое излучение	Низкочастотное электромагнитное поле	Озонирование
Масса соломы с 1 м2, г	1089,1	1295,9	1079,3	1282,5
Масса зерна с 1 м2, г	795,4	839,3	786,0	821,9
Соотношение массы соломы и зерна	1,37	1,54	1,37	1,56
НСР05	—	0,17	0	0,18

Table 3. Grain and straw yield data for winter wheat which seeds were pretreated with different methods

Parameter	Method of seed treatment
	Scarlet chemical agent (control)	UV radiation	Low frequency electromagnetic field	Ozonation
Weight of straw per 1 m2, g	1089.1	1295.9	1079.3	1282.5
Weight of grain per 1 m2, g	795.4	839.3	786.0	821.9
Straw to grain weight ratio	1.37	1.54	1.37	1.56
LSD05	—	0.17	0	0.18

Рис. 4. Соотношение массы соломы и зерна озимой пшеницы, семена которой предварительно были обработаны различными способами
Источник: выполнено А.В. Брагинцом, О.Н. Бахчевниковым в программе Microsoft Excel 2007

Fig. 4. Ratio of straw to grain weight of winter wheat which seeds were pretreated by different methods
Source: created by A.V. Braginets, O.N. Bakhchevnikov in Microsoft Excel 2007

Анализ данных табл. 3 показывает, что на делянках с обработкой семян УФ-излучением и озоном масса соломы, масса зерна и их соотношение достоверно превысили контроль, тогда как показатели делянки с обработкой электромагнитным полем практически равны контролю. Это показывает, что растения на делянках с обработкой УФ и озоном лучше развивались, сформировав большую вегетативную массу, в итоге дав лучший урожай.

Непосредственно после уборки определили фактическую урожайность пшеницы на опытных делянках и сравнили ее с биологической (табл. 4).

Таблица 4. Биологическая и фактическая урожайность озимой пшеницы, семена которой предварительно были обработаны различными способами

Показатель	Способ предпосевной обработки семян
	Протравливание препаратом Скарлет	Ультрафиолетовое излучение	Низкочастотное электромагнитное поле	Озонирование
Биологическая урожайность, т/га	8,11	8,58	8,04	8,3
Фактическая урожайность, т/га	5,90	6,22	5,87	6,07
НСР05 (для фактической урожайности)	—	0,32	0,04	0,16

Table 4. Biological and actual yields of winter wheat which seeds were pretreated with different methods

Parameter	Method of seed treatment
	Scarlet chemical agent (control)	UV radiation	Low frequency electromagnetic field	Ozonation
Biological yield, t/ha	8.11	8.58	8.04	8.3
Actual yield, t/ha	5.90	6.22	5.87	6.07
LSD05 (for actual yield)	—	0.32	0.04	0.16

Данные по фактической урожайности в табл. 4 подтверждают тенденцию, установленную при анализе данных биологической урожайности, а именно, что урожай на делянках, где семена были обработаны УФ-излучением и озоном, был значимо выше по сравнению с контролем — на 5,42 и 2,88 % соответственно. На делянке же с предпосевной обработкой электромагнитным полем фактическая урожайность была незначительно ниже, достоверно не отличаясь от контроля (протравливание). Таким образом, картина распределения эффективности способов предпосевной обработки семян, установленная при вычислении биологической урожайности пшеницы (см. табл. 2, рис. 3), была подтверждена при обработке данных по фактической урожайности (см. табл. 4).

Проведен лабораторный анализ проб зерна, взятых на опытных делянках в ходе их уборки, и определено содержание в них протеина, клейковины (глютена) и крахмала, а также натура зерна (табл. 5, рис. 5.).

Таблица 5. Результаты лабораторного анализа зерна озимой пшеницы, семена которой предварительно были обработаны различными способами

Показатель	Способ предпосевной обработки семян
	Протравливание	Ультрафиолетовое излучение	Низкочастотное электромагнитное поле	Озонирование
Протеин, %	11,16	11,12	11,06	11,63
Клейковина, %	17,3	17,2	17,0	18,2
Крахмал, %	67,3	67,3	67,4	67,0
Натура зерна, г/л	786	795	788	785

Table 5. Results of laboratory analysis of winter wheat grain which seeds were pretreated with different methods

Parameter	Method of seed treatment
	Scarlet chemical agent (control)	UV radiation	Low frequency electromagnetic field	Ozonation
Protein, %	11.16	11.12	11.06	11.63
Gluten, %	17.3	17.2	17.0	18.2
Starch, %	67.3	67.3	67.4	67.0
Grain-unit, g/L	786	795	788	785

Как видно из данных в табл. 5, значения натуры зерна, полученного с разных опытных делянок, почти одинаковы. Также достоверно не отличаются от контроля и значения содержания крахмала в зерне с опытных делянок. Таким образом, анализ показал, что вид предпосевной обработки семян впоследствии практически не влияет на натуру зерна и содержание в нем крахмала.

Однако данные по содержанию протеина и клейковины (глютена) по отношению к контролю (см. рис. 5) заметно отличаются от характера данных по урожайности, а также по натуре зерна и содержанию крахмала. По этим показателям отмечено существенное превышение над контролем для зерна с делянок, семена на которых были обработаны озоном: содержание белка выше на 4,2 % (НСР₀₅ = 0,43), а клейковины — на 5,2 % (НСР₀₅ = 0,9). В то же время содержание протеина и глютена в зерне с делянок, семена на которых были обработаны электромагнитным полем и УФ-излучением, оказалось незначительно ниже значений контроля.

Рис. 5. Содержание протеина и клейковины в зерне озимой пшеницы, семена которой предварительно были обработаны различными способами
Источник: выполнено А.В. Брагинцом, О.Н. Бахчевниковым в программе Microsoft Excel 2007

Fig. 5. Protein and gluten content in winter wheat grain, seeds of which were pretreated with different methods
Source: created by A.V. Braginets, O.N. Bakhchevnikov in Microsoft Excel 2007

Таким образом, предпосевная обработка семян газообразным озоном впоследствии улучшает качество спелого зерна озимой пшеницы, увеличивая содержание в нем протеина и клейковины (глютена).

Результаты полевого эксперимента в основном согласуются с результатами предыдущих опубликованных исследований.

В частности, подтверждено стимулирующее действие предпосевной обработки УФ-излучением [24, 25] и озоном [13, 14, 26] на прорастание семян пшеницы и последующее развитие растений, приводящее к увеличению урожайности, так как, судя по всему, растения из таких семян лучше выживают и развиваются, у них формируется большее количество продуктивных стеблей.

В то же время обработка семян низкочастотным электромагнитным полем не привела к стимулированию их прорастания и увеличению урожайности, хотя для аналогичных исследований имеются положительные результаты [19, 27, 28], скорее всего потому, что при разработке этого способа воздействия упор делался на подбор параметров, обеспечивающих лишь обеззараживание семян [21, 29]. Поэтому к перспективным направлениям исследований можно отнести усовершенствование этого способа предпосевной обработки для получения дополнительного эффекта стимулирования развития растений.

Биологическая и фактическая урожайность, полученная в результате обработки семян УФ-излучением, газообразным озоном и электромагнитным полем, была больше или равна урожайности растений, семена которых были подвергнуты протравливанию. Это доказывает, что использованные электрофизические способы предпосевной обработки также позволяют эффективно уничтожать патогенную микрофлору, предупреждая последующее поражение растений. Результаты для способов обработки УФ-излучением и озоном согласуются с данными ранее опубликованных исследований [12, 15, 18]. Результаты полевого опыта, свидетельствующие о подавлении патогенных микроорганизмов действием низкочастотного электромагнитного поля, получены впервые.

Результаты анализа, показывающие повышенное содержание белка и клейковины в зерне в результате предпосевной обработки семян пшеницы озоном, соответствуют результатам предыдущих исследований [26, 30].

Анализируя полученные результаты, можно предположить, что сочетание воздействия озона и УФ-излучения в ходе предпосевной обработки семян пшеницы позволит не только обеспечить эффективное обеззараживание и стимулирование прорастания, но и повысить урожайность и улучшить качество зерна.

Заключение

В результате полевого опыта достоверно установлено, что предпосевная обработка семян озимой пшеницы ультрафиолетовым излучением и газообразным озоном повышает полевую всхожесть, густоту стеблестоя, биологическую и фактическую урожайность за счет эффективного обеззараживания и стимулирования прорастания семян. Эти способы обработки показали лучшие результаты в сравнении с традиционным способом протравливания семян и могут быть рекомендованы для внедрения в производство.

Способ предпосевной обработки семян низкочастотным электромагнитным полем не показал превышения показателей эффективности перед способом протравливания семян, однако он может служить ему заменой, обеспечивая безопасное обеззараживание семян c низкой себестоимостью.

Из изученных способов предпосевной обработки лишь озонирование семян пшеницы обеспечило в дальнейшем получение более качественного зерна с более высоким содержанием протеина и глютена.

Совместное действие газообразного озона и УФ-излучения в ходе предпосевной обработки семян пшеницы позволит повысить урожайность и качество зерна.

About the authors

Andrey V. Braginets

Donskoy Agricultural Research Center

Email: Al.55552015@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-7188-4179
SPIN-code: 6352-1932

Candidate of Technical Sciences, Junior Researcher, Department of Vegetable Feedstock Processing

3 Nauchny Gorodok st., Zernograd, Rostov region, 347740, Russian Federation

Oleg N. Bakhchevnikov

Donskoy Agricultural Research Center

Author for correspondence.
Email: oleg-b@list.ru
ORCID iD: 0000-0002-3362-5627
SPIN-code: 3350-9055

Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, Department of Vegetable Feedstock Processing

3 Nauchny Gorodok st., Zernograd, Rostov region, 347740, Russian Federation

References

Supplementary files