Влияние «НаноКремния» на рост и развитие озимой пшеницы

Введение

В условиях увеличения населения планеты необходимо совершенствовать устойчивые методы ведения сельского хозяйства, которые позволяют получать более высокие урожаи, чтобы удовлетворить растущий спрос на продовольствие. Применение наноудобрений – один из таких современных методов (Жданок и др., 2012). Наноудобрения позволяют доставлять необходимые питательные вещества эффективнее, чем обычные удобрения, за счет небольшого размера частиц, повышают биодоступность элементов для растений, снижают их вымывание в водные системы.

Кремний (Si) является важнейшим элементом в жизни растительных организмов. Он оказывает существенное влияние на рост и развитие растений, повышает урожайность и улучшает качество продукции. При этом, как правило, выраженный положительный эффект кремния более всего заметен у растений в условиях стресса (Шелкова и др., 2015). Оптимизация кремниевого питания растений приводит к увеличению площади листьев. В таких условиях у растений формируются более прочные клеточные стенки. В стеблях злаков (овес, ячмень, пшеница, рис) кремний отлагается в стенках и междоузлиях, что существенно повышает их прочность, сужает просвет стебля и препятствует развитию и передвижению личинок насекомых. Таким образом, снижается риск опасности полегания посевов, а также поражения их болезнями и вредителями. Одной из важных функций активных форм кремния является стимуляция развития корневой системы. Исследования на злаковых показали, что при улучшении кремниевого питания растений увеличивается количество вторичных и третичных корешков на 20 – 100 % и более (Ничипуренко и др., 2024). Кремний в наноформе является перспективным объектом изучения, так как его применение позволит повысить устойчивость растений к неблагоприятным условиям окружающей среды и получить стабильные урожаи зерна с хорошим качеством (Verma et al., 2022). Однако многие вопросы, связанные с применением нанокремния под различные сельскохозяйственные культуры, остаются еще не изученными.

Цель исследования – определение влияния «НаноКремния» на рост и развитие озимой пшеницы на черноземе обыкновенном карбонатном.

Объекты и методы

В рамках проведения исследований был заложен вегетационный опыт с озимой пшеницей (Triticum aestivum L.) — ключевой зерновой культурой для агропромышленного комплекса Ростовской области, общая площадь посевов которой в регионе составляет 2,682 млн га (https://сельхозпортал.рф/analiz-posevnyh-ploshhadej/). В опыте использовали мягкую озимую пшеницу сорта Агрофак (рис.1). Этот сорт рекомендован для возделывания в Северо-Кавказском регионе, обладает следующими характеристиками: направление использования – сильная пшеница, срок созревания (группа спелости) – средний (среднеспелая), устойчив к полеганию (https://gossortrf.ru/registry/).

Рис. 1 – Исследуемая культура

Для исследования эффективности наноудобрений было выбрано уникальное удобрение в жидкой форме «НаноКремний» на основе биологически активного кристаллического кремния (содержит 50,0 % кремния как д.в.) (https://nano-si.ru/).

Схема опыта:

1. Контроль (б/у)
2. «НаноКремний» 300 г/т
3. «НаноКремний» 450 г/т
4. «НаноКремний» 600 г/т

Повторность опыта – трехкратная. Способ внесения удобрений – предпосевная обработка семян.

Подготовка и проведение вегетационного опыта поведено по З. И. Журбицкому (1968). Для каждой культуры при закладке опыта необходимо учитывать оптимальный размер сосудов и количество семян в одном сосуде (Кидин и др., 2008). В вегетационном опыте использовали сосуды высотой 9 см и диаметром 10 см, вмещающие 300 г почвы, что обеспечило достаточно места для нормального развития 20 растений в каждом из них. Сосуды предварительно были вымыты, продезинфицированы и взвешены.

Подготовка почвы осуществлялась путем просеивания её через сито 3 мм. Выбор диаметра сита продиктован установленным размером агрономически ценной структуры – отдельности диаметром 0.25 – 7 (10) мм (Журбицкий, 1968).

Краткая характеристика почвы, используемой в вегетационном опыте, представлена в таблице 1.

Таблица 1 – Характеристика почвы в вегетационном опыте

(Бирюкова и др., 2010; Гончарова и др., 2015)

Влажность почвы определяли по ГОСТ 28268-89 «Почвы. Методы определения влажности, максимальной гигроскопической влажности и влажности устойчивого завядания растений».

Расчет влажности проводился по формуле:

где m₁ – масса влажной почвы с бюксом и крышкой, г; m₀ – масса высушенной почвы с бюксом и крышкой, г; m – масса пустого бюкса с крышкой, г.

Влажность чернозема обыкновенного составила 3,90 %. Параллельно необходимо было установить полную влагоемкость почвы для дальнейших вычислений норм полива. Для ее определения использовали расчетный метод по данным о плотности твердой фазы и плотности почвы. Формула для расчета полной влагоемкости (ПВ):

где d – плотность твердой фазы, г/см³, dv – плотность почвы, г/см³.

Полная влагоемкость чернозема обыкновенного составила 40,0 %. Согласно рекомендуемой методике расчета норм полива, учитывающей массу сосуда, почвы и растений в нем (Журбицкий, 1968), в каждый вегетационный сосуд приливали 60 мл воды.

После отбора семян их замачивали на 15 минут в 3 % растворе H₂O₂, промывали водой, оставляли высохнуть (Мордвинцев, 2010). Затем семена обрабатывали «НаноКремнием» в соответствующих дозах. Углубляли посевной материал на 1,5-2 см. После выравнивания поверхности присыпали слой 0,5 см песка (20 г) в каждый сосуд. Полив сосудов осуществлялся до фиксированной массы (415 г) один раз в сутки в течение 10 дней.

По окончании опыта были определены показатели силы роста по массе проростков (в пересчете на 100 шт.) и по количеству пробившихся через слой почвы ростков (в %) на десятые сутки (Ступин, 2014). Для каждого из вариантов опыта вычислили среднее арифметическое значение результатов анализа из трех повторностей. Также дополнительно были измерены морфометрические показатели растений: длина побегов и корней, их масса.

Дисперсионный анализ полученных результатов проводили в пакете программ STATISTICA 13.3 с 5 % уровнем значимости (P <0.05).

Результаты и обсуждение

Сила роста – это сумма тех свойств, которые определяют активность растений и способность их к прорастанию в широком диапазоне окружающих условий (Алексейчук, 2009). Показатели силы роста по количеству пробившихся сквозь слой почвы побегов в вегетационном опыте представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Сила роста семян озимой пшеницы Агрофак, %

Обработка семян озимой пшеницы НаноКремнием в дозе 300 г/т повысила их всхожесть на 8,0 % по сравнению с контрольным вариантом. Увеличение дозы наноудобрения до 450 и 600 г/т приводит к снижению стимулирующего эффекта. В варианте 450 г/т увеличение всхожести составило лишь 2,0 % относительно контроля, а при внесении 600 г/т наблюдалась тенденция к снижению количества проростков (на 2,0 %), что может указывать на проявление фитотоксичности при высоких концентрациях.
Полученные результаты полностью согласуются с данными других авторитетных научных учреждений России (ФГБНУ «НИИСХ Юго-Востока», Орловский ГАУ), которые также зафиксировали максимальную эффективность в диапазоне 7,8 % – 8,4 % для различных сортов озимой пшеницы (Донская безостая, Московская 39) (https://nano-si.ru/, 2019).

В таблице 3 представлены данные по биомассе озимой пшеницы в пересчете на одно растение. Наибольшая масса одного растения отмечена в вариантах с обработкой наноудобрением в дозах 300 и 450 г/т, что свидетельствует об усилении начального ростового процесса. Анализ сырой биомассы ростков подтвердил общую тенденцию. Побеги растений из варианта 300 г/т показали наибольшую массу, достоверно превышающую показатель контрольного варианта на 10,0 %.

Установленная закономерность полностью коррелирует с ранее выявленной оптимальной дозой (300 г/т) для повышения лабораторной всхожести. Это указывает на комплексное положительное действие «НаноКремния» на физиологическое состояние семян и проростков.

Таблица 3 – Биомасса озимой пшеницы Агрофак в вегетационном опыте

Проведенный анализ биомассы проростков подтвердил выраженное дозозависимое действие удобрения «НаноКремний» и выявил оптимальную дозу для стимуляции начального развития озимой пшеницы.
Максимальная эффективность наноудобрения установлена при внесении 300 г/т. В этом варианте общая сырая масса всех проростков (т.е. масса всех проростков без деления на корни и ростки) превышает контроль на 10,0 %. Масса надземной части (ростков) выше контроля также на 10,0 %. Сырая масса корней превышает контрольный показатель на 16,0 %, что свидетельствует о мощном стимулирующем эффекте на начальное развитие корня.
НаноКремний в дозе 450 г/т показывает несущественное увеличение сырой массы надземной части (5,0 %) по сравнению с контролем, подтверждая снижение эффективности. Доза 600 г/т оказывает угнетающее действие: масса ростков и корней снижается на 7,0 % и 8,0 % соответственно по сравнению с контролем. Наблюдается четкая тенденция к подавлению ростовых процессов, особенно в корневой системе.
Полученные результаты подтверждаются данными ранее проведенных исследований для сорта Московская 39, где также было зафиксировано увеличение массы корней на 7,8 % под действием кремниевых препаратов (https://nano-si.ru/).

Во всех вариантах опыта наблюдалось значительное превышение сырой массы побегов над массой корней (в среднем в 30 раз), что является типичным для начальных этапов развития злаковых культур в оптимальных условиях вегетационного опыта (рис.2).  Данные по сухой массе демонстрируют иное соотношение (надземная часть превышает подземную лишь в 1,5 раза), что указывает на значительно более высокое содержание воды в тканях побегов по сравнению с корнями (рис.3).

Рис. 2 – Сила роста озимой пшеницы Агрофак по сырой массе проростков, г (в пересчете на 100 шт.)

Рис. 3 – Сила роста озимой пшеницы Агрофак по сухой массе проростков, г (в пересчете на 100 шт.)

Анализ длины надземной части проростков выявил сложную зависимость эффекта от применяемой дозы НаноКремния, что указывает на необходимость тщательного подбора оптимальной концентрации.

Обработка семян НаноКремнием в дозе 450 г/т оказала наибольшее влияние на линейный рост побегов. Зафиксировано увеличение минимальных значений длины на 7,0 %, максимальных – на 15,0 % по сравнению с контролем. Среднее значение длины ростков в данном варианте также было максимальным. Применение двойной дозы (600 г/т) оказало подавляющее действие на ростовые процессы. Средняя длина ростков в этом варианте была на 5,0 % ниже, чем в контроле.

При оценке морфометрических показателей растений (длина надземной части) в среднем зафиксировано, что оптимально повлияла обработка дозой 450 г/т – это и увеличение минимума (7,0 %), и повышение максимума длины (15,0 %) и среднего значения. Минимальная длина ростков в опыте с двойной дозой – на 5,0 % меньше контроля (рис. 4).

Рис. 4 – Распределение длины надземной части проростков пшеницы Агрофак

Заключение

В результате исследования установлено, что показатели силы роста семян озимой пшеницы в вегетационном опыте закономерно расположились в следующем возрастающем ряду: «НаноКремний» 600 г/т < Контроль (б/у) < «НаноКремний» 450 г/т < «НаноКремний» 300 г/т. Применение НаноКремния в  дозе 300 г/т повысила количество взошедших семян на 8 %.   В этом же варианте выявлено увеличение сырой массы побегов на 10,0 % и сырой масса корней на 16,0 %. Внесение наноудобрения в дозе 450 г/т менее эффективно, а предпосевная обработка семян двойной дозой (600 г/т) оказывает негативное воздействие на рост и развитие озимой пшеницы. Полученные результаты свидетельствуют о положительном влиянии «НаноКремния» на рост и развитие озимой пшеницы. Обработка семян озимой пшеницы удобрением «НаноКремний» в дозе 300 г/т является оптимальной, обеспечивая комплексную стимуляцию как надземной, так и подземной частей растений.

Работа выполнена при поддержке Программы стратегического академического лидерства Южного федерального университета ("Приоритет 2030"). 

Литература

Алексейчук Г. Н. Сила роста семян зерновых культур и ее оценка методом ускоренного старения: учебно-методическое пособие. Мн.: Право и экономика, 2009. – 44 с.

Бирюкова О.А., Ельников И.И., Крыщенко В.С. Оперативная диагностика питания растений. – Ростов/Д: Изд-во ЮФУ. 2010. –168 с.

Воронков М. Г., Кузнецов И. Г. Кремний в живой природе / Отв. ред. К. Р. Седов. Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1984. — 157 с.

Гончарова Л. Ю. и др. Современное состояние черноземов обыкновенных особо охраняемых территорий Нижнего Дона // Мелиорация и гидротехника.  2015. № 4 (20). – С. 210–227.

Жданок С. А., Ильина З. М., Толочко Н. К. Нанотехнологии в агропромышленном комплексе: монография / Под ред. Н. К. Толочко. Минск: БГАТУ, 2012. – 172 с.

Журбицкий З. И. Теория и практика вегетационного метода – Вегетационный метод / АН СССР. Ин-т физиологии растений им. К. А. Тимирязева. Москва: Наука, 1968. — 266 с.

Кидин В. В. Практикум по агрохимии / Кидин В. В., Дерюгин, И. П., Кобзаренко В. И. и др. / Под ред. В. В. Кидина. М.: КолосС, 2008. –  599 с.

Ничипуренко Е.Н. и др. Влияние минерального удобрения с микроэлементами «нанокремний» на продуктивность озимой пшеницы // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2024. № 195(01). – С.1–8.

Ступин А.С. Основы семеноведения: учебное пособие. Санкт-Петербург: Издательство «Лань», 2014. – 384 с.

Шелкова А.О., Новикова Н.Е. Физиологическая роль кремния в жизни растений // Russian Agricultural Science Review. 2015. № 5–1. – С.187-190.

АГРОФАК 100. Пшеница мягкая озимая [Электронный ресурс] / — Режим доступа: https://gossortrf.ru/registry/gosudarstvennyy-reestr-selektsionnykh-dostizheniy-dopushchennykh-k-ispolzovaniyu-tom-1-sorta-rasteni/agrofak-100-pshenitsa-myagkaya-ozimaya/?ysclid=m8334h8r4a217826049. — Дата обращения: 05.11.2024.

Мордвинцев М. П. Семеноведение: определение посевных качеств семян. Особенности: альбом наглядных материалов для ЛПЗ по растениеводству [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://direct.farm/d8bca905ea73465a83535536439636ab1470707.pdf. Дата обращения: 11.11.2024.

НаноКремний ® — биологически активный кремний кристаллический [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://nano-si.ru/. Дата обращения: 09.01.2025.

Посевная площадь озимой пшеницы в Ростовской области на Сельхозпортале [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://сельхозпортал.рф/analiz-posevnyh-ploshhadej/?region_id=2252&area=3. Дата обращения: 11.03.2025.

Verma K. K.  Nanofertilizer Possibilities for Healthy Soil, Water, and Food in Future / Verma KK., Song X-P., Joshi A. and others. // Frontiers in Plant Science.  13:865048. doi: 10.3389/fpls.2022.865048.

References

Alekseychuk G. N. The growth force of grain seeds and its assessment by the accelerated aging method: an educational and methodological guide. – Moscow: Pravo i ekonomika Publ., 2009. – 44 p.

Biryukova O.A., Yelnikov I.I., Kryshchenko V.S. Operative diagnostics of plant nutrition. – Rostov/D: SFU Publishing House. – 2010. -168 p.

Voronkov M. G., Kuznetsov I. G. Silicon in living nature / Ed. by K. R. Sedov. –Novosibirsk: Nauka, Siberian Branch, 1984. – 157 p.

Goncharova L. Y. and others. The current state of chernozems of ordinary specially protected areas of the Lower Don // Land reclamation and hydraulic engineering. – 2015. – № 4 (20). – Pp. 210-227.

Zhdanok S. A., Ilina Z. M., Tolochko N. K. Nanotechnology in the agro-industrial complex: monograph / Edited by N. K. Tolochko. – Minsk: BGATU, 2012. – 172 p.

Zhurbitsky Z. I. Theory and practice of the vegetative method – The vegetative method / USSR Academy of Sciences. K. A. Timiryazev Institute of Plant Physiology. – Moscow: Nauka Publ., 1968. – 266 p.

Kidin V. V. Practicum on agrochemistry / Kidin V. V., Deryugin, I. P., Kobzarenko V. I. et al. / Edited by V. V. Kidin. – Moscow: KolosS Publ., 2008. –599 p.

Nicipurenko E.N. and others. The effect of mineral fertilizer with trace elements "nanosilicon" on the productivity of winter wheat // Polythematic online electronic scientific Journal of the Kuban State Agrarian University. – 2024. – № 195(01). – Pp.1-8.

Stupin A.S. Fundamentals of seed science: a textbook. – Saint Petersburg: Lan Publishing House, 2014. – 384 p.

Shelkova A.O., Novikova N.E. The physiological role of silicon in plant life // Russian Agricultural Science Review. – 2015. – № 5-1. – Pp. 187-190.

AGROFAC 100. Soft winter foam [Electronic resource] / — Access mode: https://gossortrf.ru/registry/gosudarstvennyy-reestr-selektsionnykh-dostizheniy-dopushchennykh-k-ispolzovaniyu-tom-1-sorta-rasteni/agrofak-100-pshenitsa-myagkaya-ozimaya/?ysclid=m8334h8r4a217826049. – Date of request: 05.11.2024.

Mordvintsev M. P. Seed science: determination of sowing qualities of seeds. Friends: an album of visual materials for management users [Electronic resource] / — Access mode: https://direct.farm/d8bca905ea73465a83535536439636ab1470707.pdf. – Date of request: 11.11.2024.

NanoSilicon ® — biologically active crystalline silicon [Electronic resource] / — Access mode: https://nano-si.ru /. – Date of request: 09.01.2025.

The sown area of winter wheat in the Rostov region in rural areas [Electronic resource] / — Access mode: https://сельхозпортал.Russian Federation/analiz-posevnyh-ploshhadej/?region_id=2252&area=3. – Date of request: 03.11.2025.

Verma K. K.  Nanofertilizer Possibilities for Healthy Soil, Water, and Food in Future / Verma KK., Song X-P., Joshi A. and others. // Frontiers in Plant Science. – 13:865048. doi: 10.3389/fpls.2022.865048.

Статья поступила в редакцию 8 июня 2025 г.

Принята к печати 20 июня 2025 г.

Received June 8, 2025

Accepted June 20, 2025