XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Влияние внешнего электрического поля на урожайность

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Лейви Л.А. 1

---

1МАОУ Лицея №97

Саблина А.В. 1

---

1МАОУ Лицея №97

Работа в формате PDF

0.9 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность исследования. В современном мире вопрос обеспечения продовольственной безопасности является одной из глобальных проблем, имеющих приоритетное значение для любой страны [1]. Также ситуация с обеспечением нашей страны продовольствием за счет импорта является не стабильной. В решении продовольственной проблемы в стране большую роль играет производство овощной продукции. К примеру, томатов и огурцов, потенциальная урожайность, которых в контролируемых условиях может достигнуть 250–300 т/га. Однако, реализовать такой потенциал в среднем по стране удается лишь на 20–30%. Основная причина такого положения является несоблюдение технологии и отклонения от нормы климатических факторов, которые влияют на рост и продуктивность тепличных растений. Поэтому, сейчас, научные исследования, направленные на создание экологически чистых энерго- и ресурсосберегающих технологий, которые бы усиливали адаптацию растений к неблагоприятным факторам внешней среды. Поэтому исследования направленные на увеличение урожайности овощной продукции, а также на устойчивость к неблагоприятным внешним условиям являются актуальными и имеют важное народнохозяйственное значение.

Такие технологии можно создавать на основе измерения биоэлектрических потенциалов (БЭП) растений при действии неблагоприятных климатических условий [2]. Изучение биопотенциала растений и их взаимодействие с электричеством принесет повышение урожайности, сокращение времени роста. Причем, электрофизическое воздействие может применяться на всех этапах жизнедеятельности растений начиная с предпосевной обработки семян.

Целью работы. Установить, как влияет электрическое поле на урожайность растений.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач.

Задачи:

1. Провести анализ литературы по данной теме.

2. Провести экспериментальные исследования по определению влияния электрических поля на всхожесть семян и вегетативный рост растений.

3. Провести исследования влияния электрических полей на урожайность растений.

Объект исследования: помидоры, огурцы, редис.

Предмет исследования: влияние электрофизического воздействия:

электрического поля; электрического тока на сроки роста и урожайность растений.

Основная часть

Электричество может существенно нам помочь в выращивании   сельскохозяйственных    культур.

Так в ходе выполнения исследовательской работы в 2018–2020 годубыли проведены экспериментальные исследования, направленные на изучение влияния электрического потенциала на скорость роста растений и их урожайность.

В результате проведенных мною экспериментальных исследований было установлено, что:

1. У каждого растения свой БЭП, уровень зависит от сезона (весна, лето, осень). БЭП растений в активный период имеет колебательный характер, период колебаний – несколько секунд. Поздней осенью амплитуда колебаний уменьшается, а период колебаний увеличивается.

2. Растения чувствуют боль, что выражается в скачкообразном увеличении БЭП. При этом могут помнить об объекте, который причинил боль, т. е. растения имеют память.

3. Электрическое поле влияет на проращивание семян и может увеличить всхожесть семян.

Таким образом, было установлено, что электрическое поле влияет на растения. В зависимости от полярности рост растения может подавлен или наоборот ускорен. Эксперименты на семенах огурцов, показали, что электрическое поле позволяет увеличить всхожесть семян и увеличить урожайность. Также слишком большое поле, способно свести всхожесть практически до 0.

Экспериментальные исследования

Хорошо известно, что на вегетативную и генеративную функцию растений существенное влияние оказывают внешние условия: освещенность, полив, влажность и прочее. Причем для каждого растения нужны свои благоприятные условия для полноценного развития. Из анализа литературы видно, что также существенное влияние на рост растений оказывает внешнее ЭП, а именно на изменение биопотенциала растений, которое в свою очередь влияет на вегетативную и генеративную функцию растений. Поэтому экспериментальные исследования в себя включали: влияния освещенности и полива на БЭП растений, влияние внешнего ЭП на урожайность.

В качестве объектов исследования были выбраны помидоры (Бычье сердце и Полфаст), огурцы (Партнер), редис (дуро Краснодарское среднеспелый сорт). Измерение освещенности производилось с помощью люксометра LUXMETER MS6610. Измерение БЭП с помощью мультиметра.

Влияние напряженности электрического поля на всхожесть семян

Для проведения эксперимента были изготовлены из фольги нержавейки коробочки 3х5 см с высотой бортиков 1 см. (рис. 1.). На дно коробочек положили нетканый материал (от полотенца) в два слоя, налили в коробочки воды, дождались, когда она пропитает материю, слили лишнюю воду. Уложили в каждую коробочку по пять семян F1 ПОЛФАСТ. Накрыли семена влажной нетканой материей в два слоя. 29.03.2021 коробочки с семенами были помещены под электрическое поле разной величины (рис.1.): 1 коробочка – контрольная, 2 - напряженность электрического поля 130 В/м (E=130 В/м), что соответствует напряженности электрического поля на поверхности земли, 3 - E=300 В/м, 4 - E=600 В/м. Напряженность электрического поля (Е = U/L, где U =12 В, напряжение между электродами, а L расстояние между ними) регулировалась расстоянием между электродами. Таким образом, L=9,2 см для E=130 В/м, L=4 см для E=300 В/м, L=2 см для E=600 В/м).

Нижний электрод – анод, верхний электрод - катод.

Рис. 1. Размещение семян в экспериментальной установке

Рис. 2. Корешки семян

31.03.2021 в коробочке №3 появились корешки (рис. 2.) у 4 семян, в коробочке №1 - у 1 семени, в коробочке №2 - у 3 семян, в коробочке № 4 - у 2 семян. То есть развитие семян при Е=130 В/м происходит быстрее, хуже всего развиваются контрольные семена. Семена пересаживались в грунт, как только у 4-х семян появлялись корешки. Самыми последними были пересажены

(02.04.2021) образцы №1 (контрольные образцы) и № 4 (Е=600 В/м).

На 09.04.2021 самые высокие стебли были у семян, которые прошли обработку при напряженности электрического поля 300 В/м. Самые низкие стебли были у семян, которые прошли обработку при напряженности электрического поля 600 В/м. Стебли семян, которые прошли обработку при напряженности электрического поля 130 В/м выше, чем контрольные. Контрольные – по высоте ниже, чем при напряженности полей 130 В/м и 300 В/м. Все результаты эксперимента представлены в таблице 1.

Таблица 1.

12.04.2021 и 14.04.2021 были начаты аналогичные эксперименты с помидорами сорта «Бычье сердце» желтыми и красными соответственно. Результаты эксперимента получились аналогично сорту Полфаст.

20.04.2021 были начаты исследования с семенами огурцов «Кузя F1» и «Без шипов F1». 1 коробочка – контрольная, 4 коробочка - 600 В/м резонанс воды 3734 Гц, 5 коробочка - 300 В/м резонанс воды 3734 Гц. С генератора красный провод подключили на низ, черный провод на крышку. 21.04 резонанс 300 В/м проросли все 4 шт. 600 В/м проросли 2 шт. Контроль - 1 шт. 22.04 (7-00) - 300 В/м – 4 шт.; 600 В/м – 3 шт.; контрольная – 2 шт. 22.04 (13-00) 300 В/м - 4 шт. длина корешков у семян огурцов 1 см и больше, 600 В/м 4 шт. длина корешков 05 см. контроль - 4 шт. длина корешков 2 шт. - 0,5 см 2 шт. - 2 мм. Из-за неправильной пересадки в грунт опыт пришлось прервать и повторить заново.

Опыты на резонанс с семенами огурцов были проведены еще раз. Огурцы, сорт Партнер F1, повторение испытаний на резонанс частота 3700 Гц (резонанс воды 3650–3750 Гц).

Идея эксперимента основана на строении клетки (рис. 3.) Вода содержится в живых клетках, мертвых сосудах, межклетниках. Во взрослой растительной клетке основная масса воды находится в вакуоли, а на долю цитоплазмы приходится лишь 5%. Определить количество воды в клеточных стенках достаточно трудно; по-видимому, оно колеблется от 25 до 40%. В клетках меристем, имеющих очень маленькие вакуоли и тонкие клеточные стенки, большая часть воды находится в цитоплазме. Оводненность органелл составляет 65%, цитозоля — 95—98, в ядре содержится 20—30, хлоропластах — 14—20, митохондриях — 5—7 от всей воды протопласта; мембраны содержат 25—30% воды.

Рис. 3. Строение клетки

Как известно, молекула воды является диполем: один ее полюс заряжен положительно, а другой — отрицательно. Это влияет на состояние воды в клетке, так как в ней, во-первых, содержится много ионов и, во-вторых, положительно и отрицательно заряженные группы атомов входят в состав биополимеров. Благодаря этому в клетках есть связанная и свободная вода.

Идея. Под действием резонанса вода будет совершать большие колебательные движения, что приведет к повышению проницаемости мембраны, и следовательно, к быстрому росту корешка семечка.

Начало испытаний 10:00 27.04.2021 г. Семена были разделены на группы: контрольная, напряженность поля - 300 В/м резонансная частота 3700 Гц переменное напряжение типа меандр, напряженность поля 600 В/м резонансная частота 3700 Гц переменное напряжение типа меандр. Условия эксперимента t = 27⁰C относительная влажность 22%

29.04 18:30 300 В/м - один корешок, 600 В/м - один корешок, 30.04 7:30 300 В/м - 2 шт. 600 В/м - 3 шт. 1.05 12:00, 300 В/м и 600 В/м у всех появились отростки в 13:30 посадил в торфяные горшочки.

Из контрольных только у одного семечка появился отросток. 1.05 16:00 установили семена огурцов в установку под напряженность поля 300 В/м и 600 В/м частота 3700 Гц напряжение импульсное. Анод на подложке, катод на крышке. Форма напряжения - пауза 80 мкс, длительность импульса 140 мкс. 3.05 8:00 контроль в предыдущем опыте - 2 шт. 300 В/м - нет, 600 В/м – нет. 14:00 контроль - 2 шт., 300 В/м - 2 шт., 600 В/м – нет. 4.05 7:00 t = 24 ⁰ C относительная влажность 27%, контроль 2 шт. 300 В/м - 3 шт., 600 В/м - 3 шт. 5.05 9:00 посадили 300 и 600 в горшочки у 300 В/м корни в 3-4 раза больше, чем у 600 В/м пересадили и без корешка (по 1 шт. они так и не появились).

5.05 7:30 в горшочке взошли все 300 В/м переменное прямоугольное напряжение амплитудой 6 В 3700 Гц, там же в контроле взошло 1 шт. 7.05 9:00 300 В/м резонанс импульсное напряжение взошли 3 шт. 8.05 13:00 резонанс импульсное 600 В/м взошел один огурец.

Рис.4. Двухполярное (справа) и однополярное (слева) напряжение на экране осциллографа

10.05 все помидоры посадили в саду под пленку. 11.05 все огурцы посадили в теплицу.

Таким образом, на данном этапе можно сделать вывод, что при воздействие внешним электрическим полем на семена ускоряется прорастание семян, при этом скорость роста зависит не только от влечены напряженности поля, но и от формы импульса.

Влияния освещенности и полива на биопотенциал растений

Хорошо известно, что растения] поворачиваются за солнцем если им не хватает освещенности. Это очень хорошо видно на рассаде. Так 07.04.2021 были проведены замеры освещенности, это было пасмурное утро 09:00. Освещенность рассады: Первый ряд от окна - 5280 Lx; Третий ряд – 3280 Lx. Из рисунка 6 видно, что вся рассада наклонена в сторону окна. Для выравнивания освещенности установили отражающую поверхность (фольга из нержавейки) за последним рядом. Освещенность отраженного света в третьем ряду рассады составила - 1880 Lx.

Рис. 5. Рассада накланяется в сторону большей освещенности (13:00)

В 13:00 растения в третьем ряду выправились (стали стоять вертикально). В первом ряду существенных изменений не произошло. В 16:00 освещенность первого ряда солнцем составила 10000 Lx, отраженный от фольги свет в первом ряду - 2400 Lx. Растения имеют наклон в сторону окна. В третьем ряду освещенность от солнца 6700 Lx. Отраженный от фольги свет в третьем ряду 3000 Lx. Растения стоят вертикально. Во втором ряду освещенность от солнца - 8250 Lx, свет, отраженный от фольги 3500 - Lx растения имеют небольшой наклон в сторону окна.

Для исследования биопотенциала растений подключение производилось через ватный тампон, смоченный в хлористом калии. Измерялись мгновенные величины биопотенциала в момент прикосновения мультиметра и зависимости биопотенциала от времени и освещенности.

На рис. 6–9 представлены биопотенциалы (U, мВ) в зависимости от времени (мин) для сортов помидоров Полфаст и Бычье сердце. Исследования проводились в различные время суток, при разной освещенности.

Полфаст

Полфаст

Рис. 6. Освещенность 90000 Lx, 300 В/м, высота куста 52 см на кусте три помидора

Рис. 7. Е=130 В/м, высота куста 60 см на кусте 10 помидоров

Рис. 9. Помидоры бычье сердце, после дождя, расстояние между электродами 60 см

Рис. 8. Е=600 В/м, высота куста 85 см на кусте 10 помидоров

Бычье сердце

Полфаст

Исходя из полученных результатов можно сделать следующие выводы: 1) Начальное значение биопотенциала зависит от времени суток (таблица 3), 2) после дождя (в условиях повышенной влажности) биопотенциал имеет колебательный характер и может принимать отрицательные значения (таблица 2, рис. 9). В теплице при высокой влажности биопотенциал отрицательный это хорошо видно из таблицы 2. Аналогичную картину мы видим при поливе помидор, там тоже после полива резко уменьшается биопотенциал. Скорее всего это связано с тем, что в растении идут два процесса, которые влияют на проницаемость клеточных мембран: это фотосинтез, который происходит только на свету и зависит от освещенности и дыхание, которое происходит постоянно.

Во время фотосинтеза растение поглощает углекислый газ и выделяет кислород, во время дыхания наоборот- поглощает кислород и выдыхает углекислый газ. Кроме того, в процессе фотосинтеза растение преобразует неорганические вещества в органические, а во время дыхания органические вещества расходуются. Все это влияет на электропроводность сока растения, а следовательно, и на его биопотенциал.

Таблица 2. Биопотенциал помидор в теплице, бычье сердце 11:00

Таблица 3. Биопотенциал помидор в грунте, ПОЛФАСТ 9:40 и 20:00

14 июля 15ч 15 мин, 22ºС освещенность 76000 Lx, если сделать тень листом фанеры, то освещенность уменьшается до 5500 Lx. Размеры листа фанеры не позволили полностью затенить куст помидора бычье сердце. На частичное затенение он не реагирует.

При биопотенциале 174 мВ полили куст помидора под корень биопотенциал сразу уменьшился до 160 мВ и восстановился до 174 мВ за 30 секунд.

14 июля 15ч 40 мин помидоры ПОЛФАСТ расстояние между электродами 50 см, растение на солнечной стороне. при затенении биопотенциал уменьшается на 15 мВ с 69 мВ до 54 мВ падение потенциала происходит за 20 с, восстановление тоже за 20 с.

При поливе под корень биопотенциал резко уменьшается с 54 мВ до 18 мВ и через 20 с восстанавливается.

Для примера рассмотрим грядку с помидорами бычье сердце. Грядка расположена с юга на север. В ряду находятся 3 куста, рядов 26. С западной стороны грядки на расстоянии один метр находится забор из оцинкованного профнастила высотой 2 м. С восточной стороны грядки на расстоянии 1,5 м находится стена мастерской высотой 3 м, цветом спелой вишни. Кроме того, с западной стороны растет молодой дубок, ветви которого нависают над грядкой с северной стороны. Отсчет рядов помидор производится с западной стороны с юга на север. Данные сведены в таблицу ниже.

Таблица 4.

Как видно из таблицы при уменьшении освещенности уменьшается количество помидор на кусте. Некоторое расхождение с этим правилом для кустов 16,22 объяснятся тем, что на эти кусты падает отраженный от забора свет. Солнце находится на юго-востоке освещенность рядом расположенных кустов 15600 Lx, освещенность кустов 16,22 за счет отражения от забора 25000 Lx. В 14 часов освещенность с юга 87000 Lx, освещенность с севера 7800 Lx.

В таблице 5 представлены результаты урожайности помидор Полфаст.

Таблица 5

Влияние тока на созревание помидор

1 5 августа установили генератор 12 В частотой 3700 Гц (частота резонанса воды) на помидор бычье сердце

Выбрали куст большее время, находящийся в тени. С одной стороны куста с востока в 1,5 м находится стена мастерской, с запада находится забор на расстоянии 1 м. с севера куст частично затенен перегородкой из ивовых прутьев, которая отделяет помидоры от свеклы. Кроме того, с запада растет молодой дуб, ветви которого затеняют грядку после окончания забора.

С южной стороны выбранный куст находится одним из крайних.

Генератор одним концом подключили к самой высокой ветке помидора через ватный тампон, пропитанный хлористым калием, второй конец генератора подключили к электроду, вбитому в землю.

Через два дня на помидорах появились грязно-бурые полосы (как на арбузе). Решили, что помидоры стали загнивать, но опыт надо довести до конца. Еще через два дня помидоры стали стремительно краснеть.

О пыт с редиской

Как описано в предыдущем параграфе И.Л. Шидловская и З.И. Журбицкий выращивали кукурузу под заземленной металлической сеткой, которая имела ячейки 3,5х3,5 см, освещенность при этом снижалась не значительно. Контролем служили свободно растущие растения на открытой грядке. Оказалось, что кукуруза под сеткой росла хуже и развивалась медленнее, ее сырой вес составлял 72% от контрольных растений. Однако не все растения одинаково реагируют на экранирование электрических полей, редиска, наоборот, развивалась лучше и ее вес составлял 123 % от контрольного.

Р ешили это проверить, видоизменив условия опыта. Редис дуро Краснодарское среднеспелый сорт посадили 19.07.2021. Электроды установили 23.07.2021. 1 – под полем + напряжение 169 В расстояние от электрода до земли 60 см напряженность поля 169/0,6 = 281,67 В/м, то есть напряженность поля совпадает с направлением напряженности поля земли. 2- середина контроль, 3 – Под полем напряжение минус 199 В расстояние от электрода до земли 60 см (0,6 м) напряженность электрического поля минус 199/0,6=-331,67 В/м, то есть напряженность поля направлена против напряженности поля земли. Верхние электроды – металлическая сетка 5х1,5 см, нижний электрод – железная труба. Труба забита в землю на 30 см. (рис. 10).

Рис.10. Влияние ЭП на урожайность редиса

Таким образом удалось установить, что

Увеличение урожайности помидор на 25% наблюдалась в случае E=600 В/м.

Электрический ток с частотой резонанса воды приводит к ускоренному созреванию плодов.

Урожай редиса под электрическим полем земли, направленным против электрического поля земли на 115,9% больше контрольного. Урожай под электрическим полем, направленным как электрическое поле земли составляет 83% от контрольного.

Заключение

В ходе выполнения данной исследовательской работы был проведен литературный обзор, из которого было установлено, что электрическое поле может оказывать существенное влияние на вегетацию растений. Также были проведены экспериментальные исследования, направленные на изучение влияния электрического потенциала на скорость роста растений и их урожайность.

В результате проведенных экспериментальных исследований было установлено, что:

ЭП влияет на вегетативный рост и урожайность растений. При этом ускоренный вегетативный рост не всегда сопровождается повышенной урожайностью.

Увеличение урожайности помидор на 25% была установлена в случае E=600 В/м.

Электрический ток с частотой резонанса воды приводит к ускоренному созреванию плодов.

Урожай редиса под электрическим полем земли, направленным против электрического поля земли на 115,9% больше контрольного. Урожай под электрическим полем, направленным как электрическое поле земли составляет 83% от контрольного.

При воздействие внешним электрическим полем на семена ускоряется их прорастание, при этом скорость роста зависит не только от влечены напряженности поля, но и от формы импульса.

Таким образом, было установлено, что электрическое поле влияет на растения. В зависимости от полярности рост растения может подавлен или наоборот ускорен.

Результаты, полученные в данной работе, могут быть использованы в сельском хозяйстве для увеличения всхожести растений и их урожайности.

Список литературы

1. Дымчук, О.В. Управление продовольственной безопасностью в регионе (на примере Челябинской, области)/ О.В. Дымчук - Челябинск: ЮУрГУ, 2016. - 64с.

2. Медведев, С.С. Электрофизиология растений. Учебное пособие / С.С. Медведев - СПб.: Изд-во С.-Петербургского университета, 1997. - 122 с.

3. Грибковский, Д.Я. Яков Оттович Наркевич-Иодко/ Д.Я. Грибковский, О.А. Гапоненю, В.Н. Киселев // http://njodko.narod.ru/article_Vesti.htm

4. Шидловская, И.Л. Влияние электрического поля и ионов воздуха на минеральное питание и обмен в растениях кукурузы. / И.Л. Шидловская, З.И. Журбицкий // Физиология растений. – 1966 г.- т. 13., №4. С.657-664.

5. Люфт, А. Книга Клива Бакстера «Биокоммуникация с растениями...» // http://psy-energy.info/index.php/psikhicheskaya-energiya/rasteniya/69-kniga-kliva-bakstera-za-2003-god

6. Cleve Backster. Primary Perception. Biocommunication with Plants, Living Foods, and Human Cells/ Cleve Backster //White Rose Millennium Press. -2003.-p.168

7. Стаканов, В.Д. Некоторые аспекты действия постоянного электрического поля на древесные растения/ В.Д. Стаканов //сборнике Средообразующая роль леса, Красноярск. -1974.

8. Серегина, М.Т. Электрическое поле как фактор воздействия, обеспечивающий сжатие периода покоя и активацию ростовых процессов у растений лука репчатого на ПЗ этапе онтогенеза/ М.Т. Серегина //Электронная обработка материалов. -1983 г. №4

9. Шогенов, Ю.Х. Управление адаптацией растения низкоэнергетическими потенциалами/ Ю.Х. Шогенов // Диссертация доктора технических наук - 1999.-332с.