способ определения жизнеспособности семян

Формула изобретения

1. Способ определения жизнеспособности семян, включающий воздействие на семена воздушного теплового потока при 60 96^oС, измерение биоэнергетического тока посредством электродов, прикрепленных к семени, через 3 мин с момента воздействия тепловым потоком и суждение о жизнеспособности семян, отличающийся тем, что биоэлектрический ток измеряют посредством регистрации разности биоэлектрических потенциалов, усиливает ее, преобразовывают в амплитудно-частотную характеристику плотности спектральной мощности биотока, отфильтровывают высокочастотные свыше сопрягающей частоты f_n области фликер-шума свыше 2000 Гц составляющие амплитудно-частотной характеристики, раскладывают последнюю в интервале 0 - 2000 Гц в области фликер-шума, определяют зависимость параметров амплитудно-частотной характеристики от времени, расшифровывают ее посредством построения спектрограммы фликер-шума, описываемой следующим выражением:



где S(w) амплитудно-частотная характеристика в виде плотности спектральной мощности биотока семени в области фликер-шума;

w частота;

dS(w)/dw скорость изменения массы-энергии пространственно-временных диссипативных структур биотока семени при изменении частоты в пределах интервала w;

w- интервал частот, показывающий область устойчивости пространственно-временных диссипативных структур семени, формирующих субпространства структуры биотока определенной степени изотропности и определяемый из следующего выражения:

w = wⁿ_кр- w^n-_кр¹,

где wⁿ_кр и w^n-_кр¹- критические частоты, определяемые пересечением последовательных параллельных прямых, образуемых совокупностью максимального количества точек, включающий минимальные значения точек S(w_i)_min, принадлежащих каждому из интервалов w^n-(n-1), w^(n-1)-(n-2)..., а о жизнеспособности семян судят по скорости изменения массы-энергии пространственно-временных диссипативных структур семени dS(w)/dw при изменении частоты и числу интервалов частот w посредством отнесения к нежизнеспособности семени, для которых величина dS(w)/dw для одинаковых значений частотных интервалов w составит не более 30% от величины dS(w)/dw для контрольного жизнеспособного семени.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют построение из спектрограммы относительного изменения массы-энергии пространственно-временных диссипативных структур от времени на частотах W_i,j,...k для каждого из интервалов частот w для контрольного жизнеспособного семени, определяют, по крайней мере две частоты W₂, W_j на наиболее длинных интервалах частот w, на которых изменение соответствующей скорости относительного изменения массы-энергии пространственно-временных диссипативных структур от времени на частотах w_i, w_j происходит в противофазе, а перед посевом осуществляют биостимуляцию семян программным воздействием на них колебаний низкочастотного генератора по крайней мере двумя частотами w_i, w_j.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что регистрацию разности биоэлектрических потенциалов осуществляют при подаче на два дополнительно установленных на семени крайних относительно двух съемных электрода постоянного тока от внешнего источника энергии.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что амплитудно-частотную характеристику плотности спектральной мощности биотока и параметры пространственно-временных диссипативных структур детерминируют по времени в течение суток фиксированием с интервалом (600 1 )с на основе линейного усреднения 128 спектров амплитудно-частотных характеристик плотности спектральной мощности биотока для каждого из интервалов шириной не более 12,5 Гц, полученных в реальном масштабе времени.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что семя экранируют от влияния электромагнитных полей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к области биологических исследований, и может быть использовано для оценки посевных качеств семян, а также для определения оптимальных условий предпосевной биостимуляции посевного материала.

В настоящее время проблема быстрого определения посевных качеств семян и определения оптимальных условий биостимуляции посевного материала встала достаточно остро. Связано это с тем, что в известных способах биостимуляции используют электрические, магнитные, акустические и электромагнитные поля с частотой 0,01 18000 Гц.

Для подбора интервала частот, оказывающих благотворное влияние на всхожесть семян и дальнейший рост растений, обычно требуется длительная экспериментальная работа, основанная на методе проб и ошибок. Иногда требуется несколько лет, чтобы иметь возможность убедиться на практике о правильности выбора энергии воздействия на семена конкретного сорта.

Предлагаемый способ позволяет определять оптимальные условия биостимуляции конкретного сорта семян с использованием автоматизированного экспресс-метода высокой надежности и эффективности при одновременной оценке всхожести семян, в том числе после длительного хранения, как в производственных, так и в лабораторных условиях.

Известен способ определения физиологических параметров семян, включающий электрическое воздействие рядом коротких высоковольтных разрядов на семя и регистрацию градиента интенсивностей свечения семени, причем при положительной величине градиента семя считают жизнеспособным, определяют после 5-7 кратного воздействия разрядов наличие перемены знака градиента интенсивности свечения с положительного на отрицательный, сравнивают в этих точках величины интенсивностей послеразрядного свечения семени и при неубывании этих величин считают семена всхожими, осуществляют электрофизическое воздействие до момента уменьшения интенсивности свечения до заданного минимального уровня значения, после чего определяют на этом интервале количество максимумов интенсивностей свечения, а максимальный срок хранения семени определяют как произведение числа этих максимумов на период биологического ритма жизнеспособности (М.кл. А 01 С 1/00, а.с. СССР N 1658855, 1991).

Однако известный способ не позволяет одновременно вместе с оценкой всхожести семян определять оптимальные условия их биостимуляции и осуществлять предпосевную биостимуляцию посевного материала. Кроме того, использование высоковольтных электрических разрядов требует соблюдения специальных условий безопасности, специального допуска для людей, использующих этот метод, и большого расхода электроэнергии, а использование разряда приводит к разрушению семян, что может вносить существенные ограничения в реализацию способа, если семена дорогостоящие или их число ограниченно (редкие растения или занесены в Красную Книгу).

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ определения жизнеспособности семян, включающий воздействие на семена воздушного теплового потока при 60-95^oC, измерение биоэлектрического тока между зародышем и основанием бочков семени и между спинкой и основанием бочков семени 3 мин с момента воздействия тепловым потоком, при этом к жизнеспособным относят семена, у которых величина биоэлектрического тока между зародышем и основанием бочков больше величины тока между спинкой и основанием бочков семени (М.Кл. А 01 С 1/02, а.с. СССР N 1607712, 1990).

Однако известный способ требует для определения жизнеспособности каждого семени двух его измерений, что увеличивает длительность определения. Способ не позволяет одновременно вместе с оценкой качества семян определять оптимальные условия их биостимуляции и осуществлять предпосевную биостимуляцию посевного материала.

Новым достигаемым техническим результатом изобретения является сокращение времени определения жизнеспособности семян при одновременном определении оптимальных условий их предпосевной биостимуляции.

Новый технический результат достигается тем, что в способе определения жизнеспособности семян, включающем воздействие на семена воздушного теплового потока при 60-96^oC, измерение биоэлектрического тока посредством электродов, прикрепленных к семени, через 3 мин с момента воздействия тепловым потоком и суждение о жизнеспособности семян в отличие от прототипа биоэлектрический ток измеряют посредством регистрации разности биоэлектрических потенциалов, усиливают ее, преобразовывают в амплитудно-частотную характеристику плотности спектральной мощности биотока, отфильтровывают высокочастотные свыше 2000 Гц составляющие амплитудно-частотной характеристики, раскладывают последнюю в интервале 0-2000 Гц в области фликер шума, определяют зависимость параметров амплитудно-частотной характеристики от времени, расшифровывают ее посредством построения спектрограммы (фиг.la) фликер шума, описываемой следующим выражением:



где S(W) амплитудно-частотная характеристика в виде плотности спектральной мощности биотока семени в области фликер шума;

W частота;

скорость изменения массы-энергии пространственно-временных диссипативных структур семени, формирующих субпространства структуры биотока семени при изменении частоты в пределах интервала W;;

W- интервал частот, показывающий область устойчивости пространственно-временных диссипативных структур семени, формирующих субпространства структуры биотока определенной степени изотропности и определяемый из следующего выражения:

W = Wⁿ_кр - W^n-_кр¹ ,

где критические частоты, определяемые пересечением последовательных параллельных прямых, образуемых совокупностью максимального количества точек, включающих минимальные значения точек S(W_i)_min, принадлежащих каждому из интервалов W^n-(n-1), W^(n-1)-(n-2),...,, а о жизнеспособности семян судят по зависимости скорости изменения массы-энергии пространственно-временных диссипативных структур семени (при изменении частоты от времени (фиг. 2 а, б) и числу интервалов частот W и их величине посредством отнесения к жизнеспособным семена, для которых величина для одинаковых значений частотных интервалов W составит не более 30% от величины для контрольного жизнеспособного семени. Может быть осуществлено построение из спектрограммы (фиг. 3 а, б) относительного изменения массы-энергии пространственно-временных диссипативных структур от времени и определена скорость такого изменения, на частотах W_i,j,...,k для каждого из интервалов частот W для контрольного жизнеспособного семени, определяют по крайней мере две частоты W_i и W_j, на которых изменения массы энергии пространственно-временных диссипативных структур от времени и величины скорости такого изменения, , на частотах W_i и W_j происходит в противофазе, а перед посевом осуществляют биостимуляцию семян программным воздействием на них колебаний низкочастотного генератора по крайней мере двумя частотами W_i и W_j.

Регистрация разности биоэлектрических потенциалов может быть осуществлена при подаче на два дополнительно установленных на семени крайних, относительно двух съемных электрода постоянного тока от внешнего источника энергии.

Амплитудно-частотная характеристика плотности спектральной мощности биотока и параметры пространственно-временных диссипативных структур могут быть детерминированы по времени в течение суток фиксированием с интервалом в 6001c на основе линейного усреднения 128 спектров амплитудно-частотной характеристики плотности спектральной мощности биотока для каждого из интервалов шириной не более 12,5 Гц, полученных в реальном масштабе времени (фиг.1-3).

Семя может быть экранировано от влияния электромагнитных полей.

Изобретение решает задачу выбора оптимальных энергетических воздействий на семена посевного материала с целью их биостимуляции благодаря способу определения стационарного состояния макроструктуры биоэлектрического тока семян на стадии их прорастания, характеризующегося перераспределением энергии по крайней мере на двух частотах.

Предлагаемый способ позволяет исследовать закономерности перераспределения энергии между упорядоченными в виде пространственно-временных диссипативных структур и неупорядоченными в виде теплоты формами энергии, а также между различными диссипативных структур на различных стадиях яровизации зерна.

Благодаря этому способ позволяет следить за структурной перестройкой зерна или другого посевного материала, сопровождающейся энергией порядка энергии теплового шума.

Способ позволяет определять частоты перестройки макроструктуры семян в процессе их проростания. Использование таких частот для биостимуляции предопределяет наилучшую всхожесть и дальнейший рост растений и наполняет конкретны содержанием понятие "оптимальные условия для биостимуляции".

Определение частот, характеризующих стационарное состояние для семян и другого посевного материала, которые по своим свойствам можно считать эталоном, позволяет на основе сравнения с ними частот исследуемых семян судить об их качестве, например о таких свойствах как жизнеспособность.

Это достигается за счет нового способа расшифровки шума биоэлектрического тока типа 1/ (фликер шума), традиционно считавшегося стационарным случайным процессом, и описываемого математическим выражением:



где 1 < <2; S() спектральная плотность мощности шума, как источника информации от детерминированных временем кооперативных процессах, которые формируют макроструктуру зерна, семян или другого посевного материала.

Исследование амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) фликер шума биоэлектрического тока или электрического тока, пропускаемого через исследуемый образец, как процесса самоорганизации так, как описано ниже, позволяет количественно анализировать структуру биоэлектрического тока, определять условия ее стационарности, и судить о таких физиологических параметрах зерна и другого посевного материала как значения критических частот устойчивости субпространств структуры биоэлектрического тока различной изотропности, интервалы частот, в пределах которых существуют эти субпространства, характерные времена процессов образования пространственно-временных диссипативных структур принадлежащих таким субпространствам, скорость диссипации энергии при изменении частоты в каждом субпространстве, а так- же частоты, на которых возникают диссипативные структуры, обменивающиеся своей массой-энергией.

Способ определения жизнеспособности семян реализуют следующим образом.

Основная часть исследуемых семян представлена собой пшеницу IV типа - озимую краснозерную высокостекловидную пшеницу из районов Северного Кавказа, а также семена бобов, фасоли, гороха, луковиц гладиолуса, долек чеснока и т. д.

Из партии семян, например, пшеницы кондиционной влажности, делают выборку, содержащую, например, 100 семян. Семена поочередно помещают в экранированную от влияния электромагнитных полей камеру-термостат, снабженную системой термоконтроля, предварительно прикрепив к ним два электрода, например, к зародышу и основанию бочков. Затем осуществляют тепловое конвективное воздействие на семя тепловым потоком воздуха при 60-96^oC, например при 60^o1^oC. Через 3 мин с момента воздействия тепловым потоком измеряют разность биоэлектрических потенциалов посредством мультиметра с временным интервалом 601c.

При необходимости (для усиления снимаемого биоэлектрического потенциала с отдельных семян), через два крайних (дополнительно прикрепленных к семени) к двум съемным электродам (одновременно с регистрацией с последних разности биоэлектрического потенциала) прилагают постоянный электрический ток силой 0,6 м А.

Снятую разность биоэлектрических потенциалов подают на предусилитель ПУ-2 с уровнем собственного шума 1-2 ДБ для усиления сигнала в 200 раз. Преобразовывают разность биоэлектрических потенциалов в амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) плотности спектральной мощности биотока, отфильтровывают высокочастотные свыше 2000 Гц составляющие АЧХ и раскладывают последнюю в интервале 0-2000 Гц в области фликер шума с помощью узкополосного частотного анализатора БК 2031 фирмы "Брюль и Къер" (Дания), подключенного к выходу предусилителя ПУ-2.

Затем определяют зависимость параметров АЧХ от времени. При этом анализатор работает в реальном масштабе времени, проводя линейное усреднение из 128 значений, получаемой от семени информации спектров АЧХ в каждой из 160 узких частотных интервалов (12,5 Гц) спектра 0 2000 Гц в области фликер шума за 210^-2c (по сравнению с 15 мин по прототипу).

Автоматически расшифровывают АЧХ исследуемых процессов в структуре биотока от времени в децибеллах (ДБ) посредством построения спектрограммы фликер шума (фиг. 1), описываемой следующим выражением:



где S(W) АЧХ в виде плотности спектральной мощности биотока семени в области фликер шума;

W частота;

скорость изменения массы-энергии пространственно-временных диссипативных структур биотока семени при изменении частоты в пределах интервала W;;

W интервал частот, показывающий область устойчивости пространственно-временных диссипативных структур семени формирующих субпространства структуры биотока определенной степени изотропности и определяемый из следующего выражения:

W = Wⁿ_кр - W^n-_кр¹ ,

где Wⁿ_кр и W^n-_кр¹ критические частоты, определяемые пересечением последовательных параллельных прямых 1, 2, 3. и 1",2",3", образуемых совокупностью максимального количества точек, включающих значения точек S(W_i)_min, принадлежащих каждому из последовательных интервалов W^n-(n-1), W^(n-1)-(n-2), W^(n-2)-(n-3),...

При этом величину для каждого интервала W^n-(n-1), W^(n-1)-(n-2), W^(n-2)-(n-3) и т.д. определяют как tg семейства параллельных прямых, принадлежащих соответствующему интервалу.

После этого осуществляют построение зависимости и S(W_j,i) изменения массы-энергии пространственно-временных диссипативных структур от времени.

Причем величина S(W_i) и S(W_j) относительное длительное изменение спектральной плотности мощности шума биотока по частотам W_i, W_j, характеризующим условия стационарного состояния семени, определяют как представлено на фиг. 2.

Верифицируемость получаемых предложенным способом данных о физиологических параметрах семени достигается благодаря жесткому фиксированию времени суток (1c) проведения измерений, фиксированию в пространстве положения исследуемого семени и измерительных электродов, а также точности поддержания температуры ($E+->0,5^oC), от которых зависит физиологическое состояние семени, сила биоэлектрического тока и параметры его структуры. Жесткая "привязка" ко времени обусловлена зависимостью процессов самоорганизации от времени и тем, что для неэргодических систем, к которым относятся любые биообъекты, среднее по состояниям не эквивалентно среднему по времени. По этой причине сравнивать зависимость параметров макроструктуры семени, возникшей в результате процессов самоорганизации, от состава можно только при условии жесткого фиксирования времени начала эксперимента.

Статистический анализ для неэргодических систем возможен только по отношению к когерентному времени суток.

Относительная ошибка в определении величины для соответствующих интервалов частот для максимальной величины силы биотока, возникающей в одних и тех же семенах, например, пшеницы, в исходном состоянии спустя 3 мин после теплового воздействия при 601^oC составляет 1% Относительная ошибка определения частоты W_i, W_j, W_k и т.д. связанных с существованием пространственно-временных диссипативных структур, между которыми происходит перераспределение энергии S(W_i), S(W_j), S(W_k),... от времени, составляет 3%

Определив, как описано выше, для заведомо жизнеспособного контрольного семени и исследуемого семени величины для каждого из интервалов и величины этих интервалов; частоты W_i, W_j, на которых фиксируется изменение во времени значений S(W_i), S(W_j), а также относительного изменения величин S(W_i), S(W_j),... Строят графическую зависимость этих величин от времени и, соблюдая условия верифицируемости данных о неэргодичных системах, проводят сравнительный анализ полученных результатов, выбирая для анализа по крайней мере две частоты W_i, W_j, на которых относительное изменение соответствующей скорости массы-энергии пространственно-временных диссипативных структур от времени, и на частотах W_i и W_j происходит в противофазе.

В качестве контроля оценки жизнеспособности семян использовали метод определения всхожести согласно ГОСТ 1038-88.

О жизнеспособности семян судили по скорости изменения массы-энергии ПВДС семени при изменении частоты и числу интервалов W.. К нежизнеспособным относили семена, для которых величина для одинаковых значений частотных интервалов W и приходящаяся на область 540-700 Гц составляла не более 30% соответствующей величины для заведомо жизнеспособного контрольного семени.

Абсолютная погрешность предлагаемого способа по отношению к стандартному, оцененная на основе результатов спектрального анализа в области фликер шума 100 зерен пшеницы кондиционной влажности с неизвестной всхожестью, составила 3% относительная погрешность 4,15% что подтверждает возможность применения предлагаемого способа в производственных и лабораторных условиях, так как погрешность измерения не превышает норму и по значениям лучше.

Для определения оптимальных условий биостимуляции проводили спектральный анализ семян в области фликер шума, как описано выше, а различных стадиях их прорастания.

Электроды присоединяют к зародышу и к алейроновому слою.

Развитие и контроль физиологических параметров семян проводили непосредственно в экранированной камере, внутри которой поддерживали непрерывно температуру 25^oC и постоянную влажность. В строго определенное время суток с интервалом 6001c в камеру подавали воздух, нагретый до 601^oC, и включали систему измерения разности биоэнергетических потенциалов.

Для выявления оптимальных условий биостимуляции определяли частоты W_i, W_j, W_k и т.д. и зависимость S(W_i), S(W_j), S(W_k) и т.д. от времени для зерен, находящихся на стадии прорастания.

С этой целью электроды присоединяли к зародышу и алейроновому слою, помещали их в экранированную камеру, внутри которой поддерживается постоянными температура 25^oC, освещенность и влажность.

В начале эксперимента и спустя несколько суток определяли значения W_i, W_j, W_k, которые характеризуют устойчивость ПВДС, обменивающихся энергией. Для этого в строго определенное время суток, фиксируемое интервалом 6001c, осуществляли конвективное воздействие на семя воздухом, нагретым до 601c и, спустя три минуты после такого воздействия, включали систему измерения биоэлектрических потенциалов и их спектрального разложения в области низких частот.

Фиксировали такие параметры структуры биоэлектрического тока как для каждого из интервалов W^n-(n-1), W^(n-1)-(n-2),W^(n-2)-(n-3) и т.д. величины этих интервалов, частоты W_i, W_j, W_k и т.д. принадлежащих различным частотным интервалам W, на которых происходит изменение массы-энергии ПВДС, отражающееся в относительном изменении во времени величин S(W_i), S(W_j) Строят графическую зависимость изменения этих величин во времени (фиг. 4-5 и выбирают для анализа по крайней мере две частоты W_i, W_j, для которых изменения происходят в противофазе.

Определение частоты перераспределения массы-энергии между ПВДС, принадлежащих субпространствам структуры биотока различной степени изотропности на стадии развития семян, предшествующей появлению видимого глазом ростка или выявленной по предварительно заданному временному интервалу, представляют собой определение оптимальных условий биостимуляции семян посевного материала путем воздействия на семена выявленных таким образом частотами W_i и W_j.

В процессе яровизации семян пшеницы в описанных выше условиях был отмечен сдвиг сопрягающей частоты W_f границы фликер шума, в области больших частот, исчезновение ПВДС, существовавших в начале эксперимента на низких частотах, и появление ПВДС на более высоких частотах. Устойчивому стационарному состоянию на стадии, предшествующей появлению ростка, соответствует перераспределение энергии между ПВДС, возникших на более высоких частотах (фиг.6,7).

Для биостимуляции семян перед посевом осуществляют программное воздействие на них по крайней мере двумя частотами W_i и W_j, определенными в результате эксперимента для определенного типа семян, с помощью колебаний низкочастотного генератора, что позволяет ускорить всхожесть посевного материала не менее чем в два раза.

Испытания, проведенные с другими выше описанными типами семян, кроме пшеницы, привели к аналогичным результатам. Определение частот для биостимуляции посевного материала осуществляли, наряду с описанным выше способом, также и в одном эксперименте с определением всхожести семян, что, тоже давало возможность для довольно точного определения частоты W_i и W_j для биостимуляции предпосевного материала. Частот для биостимуляции может быть и больше двух, например, определенных на других наиболее длительных по времени интервалах W на спектрограмме дополнительных частот W_k, W_l, аналогично описанному выше образом. Биостимуляция предпосевного материала с использованием большего количества частот, как показали эксперименты, приносит еще больше значительныяй эффект более быстрого прорастания семян.

Испытания показали, что в предложенном способе прикрепление электродов к другим местам у семян, кроме зародыша и основания бочков, как у зерновки пшеницы, привело к аналогичным результатам.

На основании вышеизложенного новым достигаемым техническим результатом изобретения являются:

создание экспресс-метода определения всхожести семян за счет сокращения времени определения для каждого семени не менее чем на порядок;

повышение точности определения всхожести семян не менее чем на 25%

определение оптимальных условий биостимуляции различных типов предпосевного материала с использованием экспресс-метода (несколько минут или часов вместо сезонов или лет в известных методах);

возможность осуществления предпосевной биостимуляции семян посредством воздействия оптимальными частотами с помощью низкочастотного генератора, ускоряющего всхожесть посевного материала не менее чем вдвое.

В настоящее время на предприятии ГП "НПО астрофизика" проведены испытания предлагаемого способа определения жизнеспособности семян и выпущена технологическая инструкция реализации способа.