Технология лазерной обработки больших площадей вегетирующих растений с применением БПЛА

Авторы: Даниловских Михаил Геннадьевич, Винник Людмила Ивановна

.

Рубрика: Сельскохозяйственные науки

Страницы: 70-75

Объём: 0,36

Опубликовано в: «Наука без границ» № 7 (24), июль 2018

Скачать электронную версию журнала

Библиографическое описание: Даниловских М. Г., Винник Л. И. Технология лазерной обработки больших площадей вегетирующих растений с применением БПЛА // Наука без границ. 2018. № 8 (24). С. 70-75.

Аннотация: В статье рассматривается технология лазерной обработки больших площадей вегетирующих растений с применением БПЛА. Данная технология способствует стимулированию развития растений на начальных этапах вегетации и как следствие в более поздних этапах роста, а также улучшению основных показателей роста и развития растений, повышению урожайности, а так же устойчивости растений к некоторым болезням.

Актуальность

Традиционные (химические) технологии получения сельскохозяйственной продукции экологически небезопасны. На химизацию земледелия расходуются во всем мире огромные средства и усилия ученых. Однако печальный итог при химизации сельского хозяйства заключается в том, что после чрезмерного применения нитратов, фосфатов, пестицидов, синтетических регуляторов роста следует отравление урожая, пищи, воды, возникает угроза здоровью и жизни людей.

В связи с этим большинство разрабатываемых технологий направлено на минимизацию или полное исключение химических средств защиты. В связи с этим все большее значение приобретает стимуляция биологических систем электромагнитным полем (ЭМП) оптического диапазона. Подобный вид обработки привлекает своей высокой технологичностью и экологичностью.

Среди лазерных технологий большое распространение получила предпосевная обработка семян сельскохозяйственных растений. Лазерные технологии – это технологии, в которых энергия оптического излучения используется не только как энергетический фактор, но и как управляющий. Энергия оптического излучения способна предопределять рост и форму растений, влиять на размер, геометрию и колористику листьев, продлевать или сокращать отдельные вегетационные периоды. По многолетним данным ряда исследователей, предпосевная обработка семян увеличивала урожайность ячменя на 10-15 % [1], ржи и пшеницы на 17-27 % [2], кукурузы на 10-15 %, сахарной свеклы до 30 % [3].

Особый интерес представляют способы лазерной стимуляции растений непосредственно в процессе их вегетации. Такой технологический прием приводит к ускорению роста и развития растений, повышению урожайности сельхозкультур, а также профилактике болезней растений при вегетации (при этом сроки созревания наступают раньше на 5-10 дней), повышению сохранности урожая без дополнительных капиталовложений в овощехранилище.

На определенных этапах технологического производства зерновых культур на базе оптических источников излучения возможно внедрение новых способов и технологических приемов, позволяющих сократить применение пестицидов, химических и гормональных препаратов, повысить продуктивность и экологическую устойчивость растений, а также улучшить качество получаемой продукции.

Введение

Технология стимуляции вегетирующих растений электромагнитным излучением оптического диапазона основана на стимулирующем действии низкоинтенсивного света определённого спектрального диапазона и управлении функциональной активностью живых организмов [4]. Наибольший биологический эффект оказывает лазерное излучение, обладающее высокой когерентностью. Кратковременное (единицы секунд или минут) облучение возбуждает специфические белки-хромопротеиды (криптохром, фитохром и др.) фоторегуляторных систем клетки. В результате возрастает функциональная активность всего организма, что может проявляться в повышении регенерационной способности, устойчивости, продуктивности. Таким образом, не изменяя наследственной программы сельскохозяйственных растений, удаётся более полно использовать их генетический потенциал.

Одними из первых такую технологию разработали австралийские учёные ещё в начале семидесятых годов прошлого века. Они показали, что облучение в течение долей секунды различных растений (овес, пшеница, сахарный тростник, хризантемы и др.) улучшает их морфофизиологические показатели, ускоряет рост, повышает полезную продуктивность.

Лидером в разработке и практическом применении таких технологий был Советский Союз.

Позитивные результаты получены также в сельхозпредприятиях Германии, Бразилии, Мексики, Кубы, Индии, Китая, Японии, Австралии, а также в странах Восточной Европы (Болгарии, Венгрии, Польше, Чехии и др.). На базе маломощных (до 0,1 Вт) лазеров созданы способы и технологические приемы, позволившие сократить применение гормональных препаратов и пестицидов, повысить продуктивность и экологическую устойчивость многих сельскохозяйственных культур, улучшить качество посадочного материала и семенного фонда. Рентабельность лазерных агротехнологий экономически обоснована и подтверждается опытом многолетнего использования в сельскохозяйственном производстве различных стран.

На базе лазеров в мировой практике разработан ряд специализированных установок для лазерной активации посевов сельскохозяйственных культур.

Так, например, в Австралии ещё в начале семидесятых годов использовался мобильный агрегат, перемещающийся по полям и облучающий десятки гектар в автономном режиме [5].

В Токийском сельскохозяйственном университете разработали самопередвигающегося робота с лазерной установкой. С его помощью проводят различные технологические операции как в теплице, так и в поле [6].

В России лазерные устройства для сельского хозяйства начали применять на Кубани с 1976 г. В Казахстане на базе УНПО «Биофизика» (г. Алма-Ата) разработана специализированная установка лазерной активации посевов сельскохозяйственных культур. Её основные элементы — гелий-неоновый лазер (ЛГ-75 или ЛГН-104) и сканирующее устройство, закреплённое на вертикальной подъёмной стойке. Вся конструкция, собранная на стальной раме, размещается в кузове транспортного средства, например, колёсного трактора. Перемещаясь вдоль поля со скоростью 10-15 км/час, лазерная установка облучает значительную поверхность, сканируя лучом перпендикулярно направлению движения трактора[1].

Все эти устройства имеют главный недостаток, из-за которого они не получили широкого распространения в сельскохозяйственном производстве. Установки недостаточно адаптированы к промышленному сельскохозяйственному производству, кроме того, оборудование установок громоздкое, травмирующее растения. Их также отличает высокая трудоемкость и энергозатратность при проведении технологической обработки растений.

Учитывая недостатки ранее применяемых лазерных установок, было разработано и защищено патентом Российской Федерации устройство (рис. 1) для лазерной обработки вегетирующих растений с применением БПЛА[2].

БПЛА для обработки поля

Рис. 1. БПЛА для обработки вегетирующих растений

На БПЛА к интегрированному подвесу крепится блок с устройством развертки лазерного излучения. В блоке развертки формируется кадровая развертка лазерного излучения в виде прямоугольного светового пятна размером 50Í8 метров. Лазерная обработка осуществляется с высоты полета 10-15 метров. При движении БПЛА со скоростью 0,25 м/c среднее время обработки поля длинною в 200 метров и шириной 50 метров (1 га) составит 14 минут. Время обработки одного растения при ширине светового пятна 8 метров составит 32 секунды на (рис. 2) схематично показан способ обработки вегетирующих растений.

Обработка поля БПЛА

Рис. 2. Лазерная обработка поля БПЛА

Материалы и методы

Морковь сорта «Анастасия F1»

В качестве исходного материала для опыта была взята морковь сорта «Анастасия F1», как одна из основных овощных культур, районированных в Северо-Западном регионе. Обработка моркови производилась в вечернее время в (22-24 часа) дважды в период вегетации в фазу роста розетки листьев и корней.

Результаты опыта показали существенное превышение по урожайности в опытном варианте по отношению к контролю. Так, урожай корнеплодов в контрольном варианте составил 2,5 кг/м2, а в вариантах с лазерной обработкой – 3,30-5,35 кг/м2, что выше контроля на 32-114 %.

Анализ элементов структуры урожайности корнеплодов моркови даёт основание судить о том, что урожай был сформирован за счёт более высокой густоты стояния растений перед уборкой 43,7 шт./м2, что выше контроля на 105%, а также некоторым повышением массы корнеплода относительно контроля на 4%, длины на 20% и массы листьев (ботвы) на 140%.

Биологической особенностью моркови является то, что наиболее быстрый рост подземной части (корня) происходит в начальный период вегетации. Следовательно, лазерная обработка в период вегетации способствовала интенсификации процесса роста корня: длина корня в среднем увеличилась на 20 % и составила 18,2 см. Другой особенностью является то, что урожай моркови создаётся фактически в последний период вегетации, когда корнеплоды интенсивно растут за счёт оттока питательных веществ из листьев. В опытном варианте эта особенность выражена в более высокой массе листьев перед уборкой на 114% относительно контроля.

Капуста сорта «Амагер 611»

В качестве исходного материала для опыта была взята капуста белокочанная сорта «Амагер 611» позднего срока созревания, селекции ВНИИССОК. Обработка капусты производилась в вечернее время в (22-24 часа) дважды в период вегетации. Первая обработка производилась в фазу роста листьев прижившейся рассады до начала формирования кочана. Результат первой обработки вегетирующих растений капусты показал повышение энергии роста листьев (на 7,7 % и 15,6 % соответственно), т. е. достоверное превышение по объему корневой системы и высоте растений над контролем (табл. 1).

Таблица 1

Влияние обработки на биометрические показатели вегетирующих растений капусты сорта «Амагер 611»

Вариант опыта

Энергия прорастания, %

Объем корневой системы, см3

Высота, см

Контроль

72,7

0,9

16,58

Опыт

88,3

1,6

19,67

Вторая обработка производилась в фазу полной листовой розетки. В результате обработки вегетирующих растений капусты стимулируется их рост, что выражается в достоверном увеличении площади листовой поверхности по сравнению с контролем. Результаты биометрических измерений представлены в (табл. 2).

Таблица 2

Влияние обработки на площадь листовой поверхности капусты сорта «Амагер 611»

Вариант опыта

Средняя площадь листьев одного растения, м2

Разница с контролем

м2

%

Контроль

0,54

-

-

Опыт

0,75

+0,21

+28,0

Прибавка урожая капусты при обработке в фазу роста листьев прижившейся рассады до начала формирования кочана и фазу полной листовой розетки составила 30,23 % по сравнению с контролем.

Опережение темпов роста и развития корневой системы и надземной части растений над контролем в опытном варианте сказалось на характеристиках кочанов и урожайности.

Заключение

Таким образом, стимуляции вегетирующих растений низкоинтенсивным лазерным излучением обеспечивают повышение по объему корневой системы и высоте растений над контролем и увеличение урожайности.

Лазерная низкоинтенсивная обработка способствует стимулированию развития растений на начальных этапах вегетации и как следствие на более поздних этапах роста. Вместе с тем такой способ обработки дает значительное повышение сохранности урожая без дополнительных капиталовложений в овощехранилище.

Список литературы

  1. Умаров Х. Т., Инюшин В. М. и др. Биофизические и физиологические показатели роста сельскохозяйственных культур под действием гелий-неонового лазера // Ташкент: ФАН, 1991. 152 с.
  2. Якобенчук В.Ф. Эффективность светолазерного облучения семян // Вестн. с.-х. науки. 1989. № 4 (392). С. 123-128.
  3. Gladyszewska B., Kornas-Czuczwar B., Koper R. et al. Theoretical and practical aspects of presowing laser biostimulation of the seeds // Inzynieria Rolnicza, 1998, no 2, pp. 21-29.
  4. Будаговский А.В. Теория и практика лазерной обработки растений // Мичуринск-наукоград РФ, 2008. - 548 с.
  5. Patent specification № 1326226. A method of controlling plant growth by means of a laser / Potts, Kerr and Co. - Published by the Patent Office, 25. - London. WCZAIAY, 1973.
  6. Kobayashi T. A study for robot application in agriculture / T. Kobayashi, K. Tamaki, R. Tajima // J. agr. Sc. Tokio Noguo Daigaku. 1990, vol. 35, no 1, pp. 80-87.

Материал поступил в редакцию 14.07.2018
© Даниловских М. Г., Винник Л. И., 2018


[1] Патент РФ № 240663 РФ. Способ промышленного возделывания сельскохозяйственных культур с использованием лазерного облучения / П.С. Журба, Т.П. Журба, Е.П. Журба. Опубл. 11.03.2003
[2] Патент РФ № 2637663 РФ. Способ авиационной лазерной обработки растений в период вегетации / Даниловских М.Г., Винник Л.И., Степанов В.М.. Опубл. 06.12.2017 Бюл. № 34