Лазерная обработка семян
Текст: О. Н. Крылов, канд. техн. наук, ст. науч. сотр.; М. М. Киселев, канд. техн. наук, ст. науч. сотр.; А. Н. Исупов, канд. с.-х. наук, ст. науч. сотр., ООО «НИИ “Агролазер”»
Современное растениеводство стоит перед весьма сложной задачей — обеспечить устойчивое увеличение продуктивности сельхозкультур и повышение качества урожая путем применения менее энергоемких технологий. В данном аспекте также немаловажно снижение ресурсоемкости и уровня техногенного и антропогенного загрязнений окружающей среды и получаемой аграрной продукции.
Для уменьшения влияния негативных факторов, действующих при производстве сельскохозяйственных товаров, необходим поиск технологий, которые в различных климатических условиях и независимо от состояния семенного материала повышали бы как его качественные, так и количественные показатели. Одной из широко применяемых методик в данной области является предпосевная обработка семян.
Основные способы обработки семян
Как правило, обработка семенного материала перед высевом направлена на улучшение его биологических свойств, стимуляцию развития, защиту от болезней и вредителей, повышение устойчивости к стрессовым условиям. Улучшение посевных характеристик возможно реализовать с помощью различных приемов — физических, биологических и химических.
В сельскохозяйственном производстве для увеличения урожайности традиционно применяются агрохимические средства. Для борьбы с семенной инфекцией и болезнями вегетирующих культур могут быть использованы фунгициды, регуляторы роста, соли микроэлементов и микроудобрения. К недостаткам такой предпосевной обработки следует отнести низкую экологическую чистоту препаратов, их накопление в биомассе растений и в ряде случаев влияние на генетическую структуру. Более того, отдельные фунгициды и стимуляторы нередко содержат соли тяжелых металлов, не разлагающиеся в природных условиях и попадающие в организм человека и животных, что может приводить к интоксикации и хроническим заболеваниям. К биологическим методам стимуляции роста растений следует отнести обработку семян препаратами, изготовленными на основе продуктов жизнедеятельности микроорганизмов, грибов и бактерий. Нужно отметить, что бактериальные вещества в меньшей степени воздействуют на окружающую среду и быстрее инактивируются по сравнению с химическими средствами. Однако к числу недостатков применения таких решений относятся трудности в определении рациональных доз как для посевного материала, так и для опрыскивания вегетирующих растений. Кроме того, биологические препараты имеют короткие сроки годности и требуют строгого соблюдения температурного режима хранения. Для химических и биологических методов предпосевной обработки семян разработано и выпускается значительное количество типов протравливателей. Однако эксплуатация подобных установок требует не только специальной подготовки, но и применения средств индивидуальной защиты персонала, работающего на таком оборудовании.
Физические методы обработки семян
Существенно меньший экологический вред наносят физические методы воздействия на семена. К таким технологиям относятся обработки ультразвуком, ионизирующими излучениями и электромагнитными полями, а также термическое, фотоэнергетическое или оптическое влияние, в том числе когерентными излучениями. Ключевыми недостатками термического метода являются длительность воздействия на посевной материал и, как правило, низкая производительность машин такого типа. Значительная стоимость оборудования и источников колебаний, неоднозначность их действия на внутриклеточные процессы в растениях серьезно ограничивают использование ультразвуковых установок для предпосевной обработки семян. Техника на основе ионизирующих излучений не нашла применения в практике сельскохозяйственного производства и задействуется в основном в исследовательских целях. Причинами этого явления выступают как ее невысокая производительность, так и возможность размещения лишь в специально оборудованных помещениях.
Наибольший интерес ученых и аграриев с точки зрения получения экологически чистой продукции имеют физические методы воздействия на семена растений, реализуемые на основе электрических и электромагнитных полей, — обработка в постоянном или переменном магнитном поле, электростатическом поле и в области коронного разряда. Эффекты влияния постоянных, переменных и комбинированных электрических и магнитных полей на биологические объекты хорошо описаны в литературе. Данные обработки, не используя ионизирующие излучения и не обусловливая необратимые химические изменения в живой системе, возбуждают когерентные колебательные и вращательные процессы в семенах и растениях, а также вызывают биологические эффекты, требующие такого количества энергии, которое существенно ниже уровня ионизационных потенциалов. Клетки и их мембраны способны задействовать силу внешних электромагнитных полей, превращая ее в энергию молекулярных и клеточных процессов. Однако на практике установки на базе электрических и электромагнитных полей применения также не нашли, прежде всего, по причине конструктивной сложности, высокой стоимости и большой опасности поражения персонала токами высокого напряжения.
Первые устройства для обработки семян
Особняком в перечне технологий предпосевной обработки стоят устройства, основанные на фотоэнергетическом или оптическом воздействии на семена растений. К их числу следует отнести КЛ-11 — установку передвижного типа, КЛ-13 — лазерное устройство для зернотоков, а также оборудование «Львов-1 Электроника». Их массовое производство было организовано в 70–80-е годы прошлого века. Несколько позже был разработан лазерный облучатель сельскохозяйственный — ЛОС. Использование этих механизмов для предпосевной обработки семенного материала позволяло увеличивать урожай в среднем на 11–12%, а в ряде случаев отмечался прирост продуктивности до 30%. Значительным недостатком названных агрегатов стало применение в качестве излучателя газовых гелий-неоновых лазеров, у которых ресурс ламп накачки не превышал 500 ч, что существенно снижало сроки эксплуатации и межремонтные периоды этих устройств. Замена ламп оказалась невозможна, поскольку изготавливавшие их заводы были остановлены в 1990-е годы. Кроме того, у газовых лазеров нельзя изменять в широком диапазоне мощность излучения, меняя соответственно параметры процесса влияния на семена. Тем не менее наиболее перспективным направлением предпосевной обработки семенного материала следует считать технологии, основанные на фотоэнергетическом воздействии когерентным оптическим излучением.
Ресурс современных лазерных установок может быть увеличен за счет замены газовых гелий-неоновых устройств инновационными полупроводниковыми диодами, имеющими аналогичный спектр излучения. Подобное оборудование и, соответственно, технологии оптической предпосевной обработки семян в этом случае имеют весьма существенные конкурентные преимущества. В частности, отсутствуют экологическое загрязнение окружающей среды и необходимость наличия специальной подготовки и средств индивидуальной защиты персонала, а также наблюдается существенное увеличение урожайности сельскохозяйственных культур — до 30%. В ряде случаев сокращается расход семенного материала при посеве за счет повышения полевой всхожести, а окупаемость достигается в течение первого года эксплуатации.
Технологические режимы обработки семян
Для обработки малых партий семян на основе полупроводниковых лазерных диодов была разработана и изготовлена коллективом ученых ФГБОУ ВО «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия» установка «Луч-2», реализующая фотоэнергетическое воздействие на семена растений когерентным оптическим излучением. Ее конструкция позволяет менять важные параметры — оптическую мощность диодов, время воздействия на семена, число одновременно включенных излучателей, что дает возможность подбирать режимы обработки, добиваясь требуемой эффективности для каждой из культур и сортов сельскохозяйственных растений. С использованием установки «Луч-2» были проведены лабораторные и полевые исследования влияния лазерной предпосевной обработки на семена пшеницы сорта Иргина. Научные эксперименты осуществлялись на микроделянках опытного поля учхоза ФГБОУ ВО «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия». В ходе испытаний было получено существенное увеличение как полевой всхожести семян — до 50%, так и урожайности — до 30%. В течение лета и осени 2017 года на полях ЗАО «Птицефабрика “Чайковская”» аналогичные работы выполнялись с яровой пшеницей сорта Экада 70.
Исследования реализовывались по 14 режимам обработки семян в трехкратной повторности, при этом каждый вариант отличался своим набором параметров установки, включавшем оптическую мощность диодов, время выдержки и число одновременно включенных излучателей. На контрольной делянке урожайность яровой пшеницы составила 34,1 ц/га, что оказалось близко к сортовым показателям. Обработка семян на оборудовании «Луч-2» позволила в зависимости от выбранного режима повысить данный показатель на 9–11 ц/га, то есть до 43–45 ц/га, или на 25–31%. Такая прибавка подтвердилась структурой сборов: увеличением количества продуктивных растений на 21–34%, числа стеблей — на 31–37%, массы 1000 зерен — на 5–10% по отношению к значениям контрольного варианта.
Предпосевная оптическая обработка также оказывает значительное влияние на посевные качества семян. В частности, в апреле и мае 2019 года для некоторых культур выполнялся подбор наиболее подходящих режимов воздействия когерентными излучениями. Проращивание зерен осуществлялось на песке в соответствии с ГОСТом 12038–84 «Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести». При этом в ходе эксперимента устанавливаемые режимы различались двумя параметрами — мощностью излучения лазерного диода и временем обработки, что в совокупности определяло эффективную дозу воздействия, воспринимаемую посевным материалом. В ходе исследования удалось установить, что для всех семян анализируемых культур и сортов имелся режим обработки, повышающий лабораторную всхожесть на 5–13% в зависимости от их исходного состояния. Одновременно отмечалось увеличение средней длины растений, их общего веса и массы стеблей.
Работа в потоке
В 2018 году была разработана и изготовлена новая установка «Луч-Зерно» производительностью до 10 т/ч, предназначенная для обработки семян зерновых культур когерентным оптическим, или лазерным, излучением непосредственно в условиях зернотоков хозяйств. Следует обозначить основные технические параметры оборудования. Тип излучателей — полупроводниковые лазерные диоды мощностью 100 мВт или 2 Вт, их оптический диапазон составляет 630–650 нм, потребляемая энергия — не более 150 Вт, а у устройств погрузки и выгрузки семян — порядка 2 кВт. Масса оборудования — не выше 450 кг. Наработка на отказ превышает 1000 ч, гарантийный срок — 1 год, длительность эксплуатации — не менее 8 лет, температурные условия работы — от 30 до –30ºС, влажность — не более 85%. Дополнительно к использованию лазерных полупроводниковых диодов обработка семян с помощью этой установки выполняется в потоке на транспортерной ленте с регулируемой скоростью движения. В результате конструкция оборудования позволяет существенно точнее по сравнению с более ранними модификациями подбирать эффективную для той или иной сельскохозяйственной культуры дозу оптического излучения. Для развертки лазерного луча в линию поперек ленты транспортера применяется один из двух механизмов: оптико-электронная развертка излучения мощных лазеров с помощью цилиндрических линз либо механическая развертка на зеркальной призме луча маломощных полупроводниковых лазеров. Следует отметить, что оборудование легко встраивается в линии подработки и погрузки семян зерновых и зернобобовых культур на зернотоках хозяйств, а специальные требования к условиям его эксплуатации отсутствуют. Хранение возможно в помещениях, закрытых от внешних воздействий — влаги, снега и ветра.
Результаты испытаний
В начале сентября 2018 года изготовленная установка использовалась во время сева озимой ржи сорта Фаленская 4 на полях ООО «Старозятцинское». После внесения у обработанных семян отмечались более дружное и быстрое появление всходов, интенсивный рост, а также увеличенная густота всходов. Участки, засеянные семенами после оптического воздействия, наглядно отличались от делянок, где высев был осуществлен сутками ранее семенным материалом без предпосевной обработки. Через месяц после посева высота всходов на опытных вариантах оказалась на 10–15 мм больше по сравнению с контрольной делянкой. В результате проверка, проведенная специалистами хозяйства уже в начале ноября, показала, что состояние всходов на участках, засеянных семенами после оптического предпосевного воздействия, была не хуже, а в ряде случаев оказалась лучше, чем на варианте без использования такой обработки.
Летом 2019 года установка «Луч-Зерно» позволила провести в ряде хозяйств Удмуртской Республики производственные испытания технологии предпосевной оптической обработки семян когерентными излучениями. В ходе опыта использовались ячмень Памяти Чепелева и Неван, а также пшеница сорта Йолдыз. Во всех случаях засевались два поля: контрольное — семенами, подготовленными по стандартной технологии, опытное — посевным материалом после предпосевной оптической обработки. После уборочной кампании в августе этого же года на экспериментальных участках отмечался прирост биологической урожайности ячменя Памяти Чепелева на 23%, сорта Неван — на 25%, пшеницы Йолдыз — на 31%. На опытных делянках с озимой рожью Фаленская 4 в зависимости от выбранных режимов предпосевной обработки прирост продуктивности составил от 12 до 63%. При этом во всех случаях прибавка подтверждалась структурой собранного урожая.
Таким образом, практические испытания показали, что лазерное воздействие на семена сельскохозяйственных культур перед посевом оказывает положительное влияние на полевую всхожесть, рост и развитие растений, что способствует повышению урожайности, при этом вред для окружающей среды является минимальным. В связи с этим такая технология может быть рекомендована для использования на сельхозпредприятиях.