Применение когерентного излучения при возделывании зерновых

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ и автоматизация сельского хозяйства

УДК 631.531.027

О.Г. Долговых, канд. пед. наук, доцент О.Н. Крылов, канд. техн. наук, доцент В.В. Красильников, канд. с.-х. наук, доцент

ФГОУ ВПО «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия»

ПРИМЕНЕНИЕ КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ВОЗДЕЛЫВАНИИ ЗЕРНОВЫХ

Главная задача, которая стоит перед сельским хозяйством страны, — повышение эффективности выращивания сельскохозяйственных культур за счет рационального использования посевных угодий, увеличения урожайности, снижения себестоимости и энергоемкости продукции на базе накопленного опыта и использования современных технологий в растениеводстве. Один из способов решения данной задачи в растениеводстве — применение технологий возделывания с использованием лазерного излучения. Активное изучение и использование лазерного излучения в агротехнике сельскохозяйственных культур началось практически сразу с появлением лазеров. Вместе с тем, для выбора наиболее приемлемых методов лазерной обработки необходимо понимание процессов, происходящих в растении при лазерном воздействии, а также механизмов взаимодействия излучения с семенем и растением.

Фотобиологические процессы достаточно хорошо изучены, но среди них имеется феномен, до сих пор не имеющий должного теоретического объяснения. Он заключается в значительном повышении функциональной активности живых организмов под воздействием света с высокой статисти-

ческой упорядоченностью (когерентностью). Этот феномен получил название «лазерной стимуляции». Эффективность такой стимуляции, в плане увеличения урожайности культур, по данным различных авторов [1-3], может находиться в пределах от 10 до 100 и более процентов. Подобный разброс может объясняться только отсутствием более или менее четкого понимания механизмов «лазерной стимуляции» и, соответственно, низкой стабильностью технологий, использующих эффект «лазерной стимуляции». Одновременно, несомненным преимуществом данного технологического приема является его минимальная энергоемкость — мощность излучения применяемых лазеров находится в пределах от 10 до 50 мВт [2].

Лазерная технология промышленного возделывания зерновых культур активно внедряется ООО НПФ «Биолазер» в Краснодарском крае (Т.С. Журба, Т.П. Журба, Д.Л. Трещев). В основе их работы лежит эффект биоэнергетического взаимодействия (передачи энергии (информации)) между семенами и растениями при их непосредственном контакте, что позволяет повысить производительность технологического приема за счет обработки только части семян, лежащих в бурте. Как отмечают исследо-

7

ватели: «Физика распространения энергии в бурте семян — одна из малоизученных областей знаний. Это целая взаимосвязанная цепочка, начиная с физических явлений и заканчивая биологическими. То есть речь идет о молекулярном уровне воздействия на нижележащие слои, о трансформации энергии...» [4].

Эффективность биостимуляции монохроматическим когерентным лазерным излучением может определяться рядом факторов, в том числе дозой облучения, называемой также экспозиционной дозой, или энергетической экспозицией. Энергетическая экспозиция может быть определена как

Н = Р,

Р

где Н — энергетическая экспозиция, Дж/см2 или Вт-с/см2; Р — оптическая мощность излучения лазера, Вт; Р — площадь облучаемой поверхности или, в случае отсутствия развертывающих устройств, площадь пятна лазера, см2. Для конкретного излучателя данная величина постоянная; Р/Р — плотность мощности излучения или облученность поверхности, Вт/см2; ?—время экспозиции, или время, в течение которого происходит облучение, с.

Таким образом, энергетическая экспозиция — есть плотность мощности излучения за время экспозиции, или плотность энергии, падающей на обрабатываемый объект. Энергетическая экспозиция напрямую зависит от плотности мощности излучения и времени воздействия, а потому как самостоятельный фактор в ходе экспериментов использована быть не может. Для достижения одного и того же значения энергетической экспозиции можно задать малую мощность (при постоянном значении Р) и облучать длительное время либо задать большую мощность, но малое время воздействия. Наличие и характер стимуляционных эффектов в том и другом случаях могут оказаться совершенно не одинаковы. При этом в литературе нет четких рекомендаций по определению оптимальных режимов лазерной обработки различных сельскохозяйственных культур, их сортов и гибридов с целью получения максимально возможного урожая.

Следует также отметить, что исследования эффективности обработки семян и растений когерентными излучениями до недавнего времени на территории Удмуртской Республики не проводились.

В мае-сентябре 2008 г. на опытном поле УОХ «Июльское» был поставлен полевой микроделяноч-ный опыт. В основу опыта положена методика активного планирования многофакторного эксперимента. Для работы принят насыщенный, близкий к ^-оптимальным план для квадратичной модели с четырьмя независимыми переменными (табл. 2 [5]). Такие планы обеспечивают минимальное количество экспериментов, не требуя высокой точности измерения значений входных и выходных фак-

8

торов и обеспечивая при этом достаточно высокую точность построения статистической модели процесса. С учетом выбранной схемы обработки в качестве входных факторов выбраны:

• угол наклона плоскости скатывания семян, град. В данном случае изменение угла наклона позволяет менять скорость прохождения семян под пятном лазера, что приводит к изменению времени экспозиции £, в течение которого происходит собственно облучение;

• оптическая мощность излучателя, мВт;

• количество последовательных обработок, раз;

• интервал между двумя последовательными обработками, ч.

В результате мы имеем четыре независимых входных фактора, каждый из которых определяет величину энергетической экспозиции Н. Соответственно, каждая из точек плана эксперимента отличается величиной экспозиционной дозы излучения, введенной в обрабатываемые семена.

Семена яровой пшеницы Иргина, подвергнутые воздействию лазерного излучения, высевались на делянках площадью 1 м2 с четырехкратной повторностью и нормой высева из расчета 7 млн всхожих зерен на 1 га в полевых условиях. Почва опытного участка ФГУП УОХ «Июльское», на котором производилась закладка опыта, дерново-подзолистая, среднесуглинистая средней степени окульту-ренности. Под предпосевную культивацию было внесено сложное удобрение в дозе по действующему веществу ^5Р25К25. Посев и уборка проводились вручную.

Эффект действия лазерного облучения на семена оценивали путем определения полевой всхожести яровой пшеницы, биологической урожайности и ее структуры по принятым агрономическим методикам опытного дела. Результаты исследований показали достаточно высокую степень отзывчивости растений яровой пшеницы на предпосевную обработку семян лазером (таблица). Для всех построенных моделей, за исключением густоты продуктивных стеблей, множественные коэффициенты корреляции и детерминации оказались выше 0,95. Для выходных факторов (моделей), связанных с урожайностью, уровень значимости критерия Фишера а находится в пределах 0,33.0,40, что для данного эксперимента является достаточным. Высокие значения коэффициента а для других выходных факторов, по-видимому, связаны, прежде всего, с неоднородностью почвенных условий опытного поля, а также ручным посевом семян и сбором урожая.

Определяющим выходным фактором (откликом плана) наших исследований являлась урожайность яровой пшеницы. Средняя урожайность по повторениям в контрольном варианте составила 204,4 г/м2, что ниже урожайности, получен-

Электротехнологии, электрификация и автоматизация сельского хозяйства Коэффициенты регрессии моделей

Выходной фактор

Критерии Урожайность, г/м2 Всхожесть, % Густота продуктивных стеблей, шт./м2 Кусти- стость Масса зерна с колоса, г Число зерен в колосе, шт. Масса 1000 зерен, г

Множественный коэффициент корреляции R 0,990 0,980 0,941 0,991 0,990 0,978 0,993

Множественный коэффициент детерминации R2 0,981 0,961 0,886 0,981 0,979 0,957 0,987

Критерий Фишера F 3,594 1,754 0,557 3,727 3,392 1,573 5,319

Значимость критерия Фишера а 0,394 0,537 0,798 0,387 0,404 0,561 0,329

ной в вариантах Р1-Р5, Р7, Р8, Р10-Р13, Р15 на 14,8.73,0 г/м2, или на 7.36 % (рис. 1).

Однако в вариантах Р6, Р9, Р14 и Р16 урожайность не повысилась, даже произошло ее снижение по сравнению с контрольным вариантом на 41,2 г/м2, или на 20 %. Интересно отметить наблюдаемую закономерность уровня урожайности в зависимости от режима обработки лазером, которую ярко отражает рассчитанная линия тренда.

Анализ структуры урожайности показал, что предпосевная обработка оказала существенное влияние на ее элементы, от которых зависит формирование урожая яровой пшеницы Иргина. Одним из первых важнейших элементов структуры урожайности является полевая всхожесть, от нее в дальнейшем зависит формирование густоты продуктивного стеблестоя, продуктивности колоса и, в конечном итоге, урожайности. В нашем опыте полевая всхожесть в контрольном варианте была критически мала и составляла всего 45 %, что было вызвано установившейся сухой и жаркой погодой после посева. При этом семена, обработанные лазерным излучением, имели более высокую полевую всхожесть. Так, полевая всхожесть по всем вариантам лазерной обработки была больше на 3.21 % относительно контроля (рис. 2).

При анализе полученного графика изменения полевой всхожести отмечено неоднозначное влия-

Рис. 1. Влияние предпосевной обработки семян лазером на биологическую урожайность яровой пшеницы Иргина

70

65

60

55

50

45

40

35

Р1

Р2

Р3

Р4

Р5

Р6

Р7

Р8

45 52 55 53 57 58 49 54 51 49 66 54 59 51 50 53 48

Р9

Р10

Р11

Р12

Р13

Р14

Р15

Р16

Рис. 2. Влияние предпосевной обработки семян лазером на полевую всхожесть яровой пшеницы

Масса, г ПРодуктивная куститсоость Густота продуктивных стеблей, шт/м2

550

500

450

400

350

300

Рис. 3. Влияние предпосевной обработки на густоту стояния продуктивных стеблей к уборке

Рис. 4. Влияние предпосевной обработки семян лазером на продуктивную кустистость яровой пшеницы Иргина

Рис. 5. Влияние предпосевной обработки семян на массу зерна с колоса яровой пшеницы Иргина

ние режима лазерной обработки семян на данный показатель. Так, значительный скачок повышения полевой всхожести наблюдался в вариантах Р2 — 55 %, Р4 — 57 %, Р5 — 58 %, Р7 — 54 %, Р10 — 66 %, Р11 — 54 %, Р12 — 59 % или относительно контроля соответственно на 21, 26, 27, 20, 46, 18, 31 %, по остальным вариантам опыта относительное превышение контроля по полевой всхожести не превышало 16 %.

Полевая всхожесть оказала закономерное влияние на густоту стояния продуктивного стеблестоя к уборке яровой пшеницы. Изменение густоты продуктивного стеблестоя было аналогично изменению полевой всхожести (рис. 3).

В целом обработка семян лазером повысила густоту продуктивного стеблестоя на 34.136 шт./м2, или на 9.35 % относительно контроля, где данный показатель составил 394 шт./м2. Однако режимы обработки в вариантах Р3, Р9, Р14 и Р16 не привели к увеличению данного показателя структуры урожайности главным образом за счет меньшего продуктивного кущения растений — 1,14.1,23 против 1,26 в контрольном варианте (рис. 4).

Дальнейший анализ продуктивности колоса показал, что по вариантам предпосевной обработки Р1, Р2, Р3, Р4, Р7 и Р12 произошло увеличение массы зерна с колоса на 0,02.0,05 г, или на 3,3__8,6 % (рис. 5) по сравне-

нию с контролем.

Однако закономерное повышение массы зерна с колоса можно отметить только в вариантах обработки Р1, Р2, Р3 и Р4. Повышение массы зерна с колоса обосновано формированием большего числа

зерен в колосе на 1,0_3,0 шт., или

на 5.15 % относительно контроля, где число зерен в колосе составило 20 шт. (рис. 6).

В некоторых вариантах увеличение продуктивности колоса за счет повышения его озерненно-сти вызвало отрицательную реак-

X

а

Рис. 6. Влияние предпосевной обработки семян на число зерен в колосе

Рис. 7. Влияние предпосевной обработки семян на массу 1000 зерен

цию яровой пшеницы на формирование выполненности зерна.

Так, в варианте Р1 масса 1000 зерен снизилась до 24,4 г, или на 9 % ниже против контроля (рис. 7).

Лучшими вариантами по формированию зерна с большей массой оказались Р5, Р7, Р11, Р12 и Р15, в которых повышение массы 1000 зерен достигло 8,5 %.

По результатам исследований прослеживается элементарная обратная зависимость густоты стояния продуктивных стеблей и продуктивности колоса, т. е. с увеличением густоты продуктивного стеблестоя продуктивность колоса снижается, и наоборот. Однако имеются исключения. Так, в варианте обработки Р4 увеличение густоты стояния продуктивных стеблей к уборке на 17 %

(460 шт./м2) привело к повышению массы зерна с колоса на 7 %

(0,58 г) и количества зерен в колосе на 8 % (21,6 шт.), что способствовало повышению биологической урожайности на 73,0 г/м2, или на 36 %. Аналогично в вариантах Р7 и Р12.

В варианте Р5 прибавка урожайности на 39,7 г/м2, или на 19 %, получена за счет большего числа продуктивных стеблей на 76 шт./м2, или на 19 %, но при меньшей массе зерна с колоса на 1 % и числа зерен в колосе на 2 %. Аналогичная закономерность прослеживается и в вариантах Р1, Р2, Р8, Р10,

Р11, Р13 и Р15.

В остальных вариантах не было повышения урожайности, однако предпосевная лазерная обработка семян способствовала увеличению густоты продуктивного стеблестоя до 19 % и массы зерна с колоса до 9 %.

Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что изменение режима обработки семян лазером в некоторой области приводит к разным эффектам. По сути, меняя режим обработки (регулируя оптическую мощность излучателя, количество последовательных обработок и их продолжительность) можно ожидать получения необходимой структуры урожая, т. е. формировать структуру будущего урожая уже на стадии предпосевной обработки применительно к конкретным природно-климатическим, почвенным и технологическим условиям выращивания яровой пшеницы.

Список литературы

1. Акимов, В.И. Светолазерная стимуляция семян огурца в защищенном грунте / В.И. Акимов, Н.Р. Авраменко // Вузовская наука — сельскохозяйственному производству: мат-лы XXIV науч.-произв. конф. проф.-преп. состава Ижевского с.-х. института. — 14-15 нояб. 1991. — Ижевск: Иж-СХИ, 1991. — 164 с.

2. Будаговский, А.В. Совершенствование электротех-нологических лазерных методов обработки семян и растений: дис. ... канд. техн. наук: 05.20.02. — М.: ФГОУ ВПО МГАУ, 2007. — 315 с.

3. Инюшин, В.М. Луч лазера и урожай / В.М. Иню-шин, Г.У. Ильясов, Н.Н. Федорова. — Алма-Ата: Кайнар, 1981. — 188 с.

4. Лазерные технологии в сельском хозяйстве: тематический сборник. — М.: Техносфера, 2008. — 272 с.

5. Хартман, К. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов / К. Хартман. — М.: Мир, 1977. — 552 с.

11