CC BY
27ЭНЕРГЕТИКА И ЭКОЛОГИЯ
ENERGY AND ECOLOGY
Статья поступила в редакцию 01.06.13. Ред. рег. № 1655
The article has entered in publishing office 01.06.13. Ed. reg. No. 1655
УДК:632:51
ТЕХНОЛОГИЯ БОРЬБЫ С СОРНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТЬЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ИМПУЛЬСАМИ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
В.Н. Топорков
Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) 109456, Москва, 1-й Вешняковский проезд, 2, ВИЭСХ Тел. (499) 171-27-43; e-mail: viesh@dol.ru, www.viesh.ru
Заключение совета рецензентов 03.06.13 Заключение совета экспертов 05.06.13 Принято к публикации 06.06.13
Предложена экологически чистая технология борьбы с сорной растительностью и технологическая схема уничтожения сорняков импульсами высокого напряжения. Приведены результаты исследований оптимальных параметров и режимов установок для электроимпульсного уничтожения сорной растительности.
Ключевые слова: сорные растения, технологическая схема уничтожения сорняков, импульсы высокого напряжения, степень повреждения сорняков, экологически чистая продукция.
TECHNOLOGY OF FIGHT WITH RUBBISH VEGETATION USING HIGH-POWER ELECTRIC PULSES
V.N. Toporkov
All-Russian Scientific Research Institute for Electrification of Agriculture (VIESH) VIESH, 1st Veshnyakovsky pr., 2, Moscow, 109456, Russia Tel. (499) 171-27-43; e-mail: viesh@dol.ru, www.viesh.ru
Referred 03.06.13 Expertise 05.06.13 Accepted 06.06.13
Ecologically safe technology of fight with rubbish vegetation and technological scheme of the weeds destruction using high power pulses is offered. Investigation results of optimum parameters and regimes of installations for pulsed electric destruction of rubbish vegetation are presented.
Keywords: rubbish plants, technological scheme of weed destruction, high power pulses, degree of damaged weed, ecologically safe product.
Сведения об авторе: ГНУ ВИЭСХ, старший научный сотрудник
Область научных интересов: использование высоковольтных импульсов в технологических процессах
Публикации: 46, в том числе 9 изобретений (авторских свидетельств СССР и патентов РФ)
Виктор Николаевич Топорков
Введение
Борьба с сорняками является важной народнохозяйственной задачей. Для уничтожения сорной растительности в современном земледелии применяют агротехнические (механические) и химические (с использованием гербицидов) методы.
Разработаны и широко используются методы уничтожения и подавления сорняков (провокация семян к прорастанию, механическое уничтожение, истощение и т.д.). Под методом провокации понимается создание благоприятных условий для прорастания семян сорных растений с последующим массовым уничтожением их ростков и всходов.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 07 (129) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
es
Особое место принадлежит лущению почвы, которое не только провоцирует прорастание семян сорняков, но и уничтожает низкорослые растущие сорняки. При механическом уничтожении сорные растения подрезают или выравнивают вручную и орудиями обработки почвы. Этот метод применяется при истреблении всех биологических групп растений в системе основной, предпосевной и послепосевной обработки.
Однако интенсивная обработка почвы, которая проводится для уничтожения сорных растений, приводит к ряду нежелательных последствий: распылению почвы, усилению эрозии, распаду почвенного гумуса, ухудшению водного, воздушного и пищевого режима культурных растений. Кроме того, механическими методами не всегда удается уничтожить сорняки, особенно в рядках культурных растений, а использование гербицидов хотя и обеспечивает высокую эффективность уничтожения сорняков при незначительных трудозатратах, но оказывает отрицательное воздействие на экологию.
К числу перспективных методов уничтожения сорняков без загрязнения окружающей среды относятся электрофизические методы,
предусматривающие воздействия на структуры сорных растений и их семена, находящихся в пахотном слое почвы, электроэнергией высокого напряжения.
Развитие методов борьбы с сорными растениями на основе электротехнологий позволит эффективно использовать и внедрять в сельскохозяйственное производство электрическую энергию переменных и импульсных токов высокого напряжения. Предлагаемая технология позволяет решать
следующие задачи: сокращение потенциального запаса находящихся в почве семян сорных растений при предпосевной и паровой обработке почвы и истребление всходов взрослых сорных растений.
Технологическая схема уничтожения сорных растений импульсами тока высокого напряжения
Технология борьбы с сорняками с использованием электрических импульсов тока высокого напряжения предполагает три этапа:
- воздействие на семена сорных растений, находящихся в пахотном слое почвы, с целью их угнетения или "провокации" прорастания;
- истребление всходов сорных растений;
- истребление взрослых сорных растений.
Предлагаемая технологическая схема приведена
на рис.1.
Первый этап технологии применяется после уборки урожая или весной до посева культурных растений и предусматривает очистку почвы от семян сорняков, находящихся в пахотном слое. При этом в зависимости от дозы воздействия, состояния семян и почвы, возможны два режима: стимуляция и угнетение семян сорняков. Режим угнетения энергоёмок и вряд ли найдет практическое применение. Режим стимуляции требует значительно меньших затрат энергии и направлен на "провокацию" прорастания семян сорняков с последующим их уничтожением перед посадкой основных культур любым традиционным наиболее удобным и менее затратным способом. Этот метод хорошо управляем и не опасен для природы.
Оператор
Рис. 1.Технологическая схема уничтожения сорняков импульсами высокого напряжения Fig. 1. Technological scheme of weeds destruction with high voltage pulses
При разнообразных физических воздействиях стимуляционный эффект достигается при разных по величине поглощенных энергиях и зависит от вида физического воздействия. Это объясняется тем, что живая система (клетка) реагирует на внешнее воздействие лишь тогда, когда энергия этого воздействия по своему виду соответствует
собственной энергии системы (клетки). Следовательно, для того чтобы вызвать реакцию клетки, энергия внешнего физического воздействия должна быть предварительно преобразована в качественно сходную с собственной энергией клетки. При этом если энергия воздействия достигает некоторого порога или превосходит его, то
разрядка энергии в клетке принимает характер цепной реакции, что приводит к высвобождению энергии значительно превосходящей энергию воздействия, а это вызывает эффект стимулирования или ингибирования, т.е. физическое воздействие является своего рода ключом, "отпирающим" внутреннюю энергию клетки [1].
Данный механизм скорее энергетически-информационный: воздействием сообщают определенную энергию, которая управляет собственной энергией семени [2].
Следует отметить, что при всех физических воздействиях происходит стимуляция или угнетение семян. Однако не все воздействия могут быть применены к обработке семян, находящихся в пахотном слое почвы. Поэтому желательно найти такой способ, который бы сочетал в себе достоинства всех или большинства электрофизических методов и позволял бы обрабатывать разные виды семян сорных растений, находящихся в пахотном слое почвы в различных физиологических состояниях. В этом случае для требуемого на них воздействия необходим широкий спектр энергий как по амплитуде, так и частоте. Этим условиям в наибольшей степени отвечает импульсный высоковольтный кистевой разряд. Процесс развития разряда в почве под воздействием приложенного к электродам напряжения обусловлен ударной ионизацией, вызванной электронами и ионами, фотоионизацией в объеме газа и сопровождается ультрафиолетовым и
ионизационным излучением, электрическими и магнитными полями, большой плотностью электрического тока, высокочастотными и звуковыми колебаниями, т.е. при высоковольтном импульсном разряде действует на семена не один фактор, а смесь различных факторов, имеющих широкий спектр воздействий, позволяющий оказывать воздействие на разные виды семян в различных их состояниях.
Исследование влияния электрообработки кистевым разрядом на стимуляцию прорастания семян сорняков в пахотном слое почвы и определения предварительных электрических параметров обработки проводились в лабораторных условиях. Был разработан генератор импульсов с выходным напряжением 10-30 кВ и энергией в импульсе 0,34, 2,4 и 10 Дж. В результате ранее проведенных исследований установлено, что для стимуляции семян сорняков необходим кистевой разряд, который возникает при градиентах напряжения для парниковой почвы влажностью 2833%, равных 0,5-1,0 кВ/см. Поэтому почву помещали в деревянные ящики размером 35*10*7 см чтобы иметь возможность изменять максимальное расстояниемежду электродами до 30 см, что соответствует напряжению генератора и=30 кВ при градиенте напряжения 1,0 кВ/см.
В качестве индикаторов всхожести семян сорных растений, находящихся в почве при её электрообработке кистевым разрядом, были взяты семена сорго.
Перед посевом определялась лабораторная всхожесть по известной методике [3]. Средняя лабораторная всхожесть составляла 73%. Посев проводили в ящики с почвой из теплицы на глубину 4,5 см. Количество посеянных семян было, соответственно, 50 и 25 шт. в зависимости от расстояния между электродами (30 и 15 см).
Перед посевом и о бработкой семян сорго определялась влажность почвы в ящиках на разной глубине, которая колебалась от 28 до 33%. Обработка проводилась маломощным генератором импульсов, разработанным в лаборатории, в 5-ти повторностях для каждого режима. Изменяемыми факторами были: расстояния между электродами (30 и 15 см), энергия импульса (0,34-2,4 Дж) и количество импульсов (4, 8 и 16). Обработанные ящики были помещены в фитотрон. Для исключения влияния неконтролируемых в фитотроне условий (освещенности, температуры и т.д.) ящики размещались рендомизированным образом. После этого был произведен полив: 0,350 л воды на ящик. Последующие поливы проводились в тех же дозах воды по мере надобности. Первые всходы появились на 6-ой день после посева (на 3-й день после обработки). Производили ежедневный подсчет количества всходов. Влияние энергии обработки почвы с посеянными в ней семенами сорго в лабораторных условиях и в теплице на их всхожесть приведено на рис. 2.
Результаты исследований показали, что характер зависимости всхожести семян сорго от энергии обработки в полевых условиях совпадает с лабораторными и поэтому на этих же режимах были проведены эксперименты по обработке пахотного
0 5 10 15 20
Энергия обработки,Дж/кг.почвы
Рис. 2. Влияние энергии обработки почвы с посеянными в ней семенами сорго в лабораторных и полевых условиях Fig. 2. Influence of energy at ground processing on sorghum seeds in laboratory and field conditions
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 07 (129) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Был изготовлен макет установки (рис. 3), состоящий из высоковольтного импульсного источника питания (1), позволяющего регулировать напряжение, энергию и частоту следования импульсов, рабочих органов (2), представляющих собой металлические диски на изоляторах и приводного устройства (3), состоящего из лебедки с тросом и электроприводом.
наблюдается режим угнетения всхожести семян, обработанных в пахотном слое почвы.
400
300
£
5
I 200
о
6 со
100
/ Режим
/ стимуляции T Контроль
Режим угнетения
Рис. 3. Макет установки для исследования влияния электрообработки на всхожесть семян сорняков находящихся в пахотном слое почвы Fig. 3. Model of device for investigation of electro-processing on seeds germination
Работы проводились за 3 недели до посадки основных культур в теплице. Обрабатываемая площадь была разбита на делянки и, чтобы избежать влияния обработки на соседние обрабатываемые и контрольные делянки, они были отделены друг от друга защитными полосами шириной 50 см. Каждый режим обработки осуществлялся в 5-ти кратной повторности с рендомизированным размещением вариантов. В процессе экспериментов изменяли напряжение, расстояние между электродами, энергию разряда и их количество. Через 3 недели после обработки проводили подсчет взошедших сорняков на обработанных и контрольных делянках с помощью рамки, площадью 0,25 м2 «слепым» методом и определяли их среднее значение [4]. Среднее количество взошедших сорняков на контрольных делянках брали за 100%.
Влияние энергии обработки почвы с естественным запасом сорняков на их всхожесть показана на рис. 4.
Из рисунка видно, что при энергии обработки 5,0 Дж/кг почвы всхожесть естественных запасов сорняков, находящихся в пахотном слое, увеличилась в среднем в 4 раза по сравнению с контролем. При дальнейшем увеличении энергии обработки разница всхожести между контролем и обработанными семенами сорняков сокращается, и при энергии обработки более 32 Дж/кг почвы
0 10 20 30 40
Энергия обработки, Дж/кг. почвы
Рис. 4. Зависимость всхожести семян сорняков, находящихся в пахотном слое почвы, от энергии обработки Fig. 4. Dependence of seeds germination on influencing energy
Второй этап технологии борьбы с сорными растениями заключается в уничтожении всходов сорных растений. С точки зрения энергоемкости процесса, целесообразнее уничтожать всходы сорняков. Проведенные исследования показали, что для 3-4-х недельных всходов требуется значительно меньше напряжение и мощность импульса. Всходы сорняков целесообразно уничтожать в междурядьях культурных растений и при обработке пара.
В третий этап технологической схемы входит уничтожение взрослых сорных растений, находящихся в междурядьях культурных растений, на паровых полях, а также расположенных выше культурных растений в рядках.
Влияние воздействующей энергии на степень повреждения сорняков показано на рис. 5.
Из рис. 5 видно, что для уничтожения всходов требуется не более 10-20 Дж, при этом степень повреждения достигает 90%. Для уничтожения всходов напряжение должно быть не выше 10-15 кВ. При его дальнейшем увеличении происходит перекрытие всходов сорняков по поверхности, т.е. шунтирование каналом разряда, что увеличивает энергоемкость процесса ввиду больших непроизводительных потерь энергии. Поэтому для снижения энергоемкости необходимо исключать перекрытие. Для истребления взрослых (1,5-2-х месячных) сорняков (рис. 5) требуется не менее 100 Дж и более высокое напряжение, однако при работе в полевых условиях с токоведущих частей электрокультватора при U=30-35 кВ и выше начинается коронирование и непредвиденные пробои, поэтому для у ничтожения взрослых сорняков использовалось напряжение не выше 30 кВ.
68
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 07 (129) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
ISJiti
Рис. б. Зависимость степени повреждения сорняков от воздействующей энергии Fig. б. Dependence of weeds damage degree on influencing energy
Разработка опытного образца электрокультиватора
Первые опытные и промышленные установки (электрокультиваторы), использующие ток высокого напряжения для уничтожения сорняков в посевах пропашных культур, появились в 70-х годах ХХ века в США. Фирма "Lasco" разработала агрегаты мощностью от 1,5 кВт для уничтожения сорняков и до 220 кВт для уничтожения деревьев. Через несколько лет подобные установки появились во Франции - "Evrard", J'Agrichoc", в Великобритании -"Bolter Destroyer" и др. Зарубежные агрегаты основаны на использовании энергии переменного однофазного тока высокого напряжения и предназначены для борьбы с сорняками на полях с малой засорённостью.
В нашей стране в Челябинском аграрно-инженерном университете (бывший ЧИМЭСХ) также был разработан электрокультиватор, работа которого основана на использовании переменного трехфазного тока промышленной частоты [5].
Во всех приведенных разработках, использующих для уничтожения сорных растений переменный ток высокого напряжения, реализован тепловой механизм воздействия на растительную ткань сорняков, что значительно увеличивает энергоёмкость процесса.
Альтернативой рассмотренным техническим решениям является разработанный в ВИЭСХ совместно с Брянской ГСХА (БСХИ) электрокультиватор (рис. 6), истребляющий сорные растения импульсами высокого напряжения [6].
Рис. 6. Электрокультиватор (вид спереди) Fig. 6. Electric cultivator (front view)
Применение импульсной электрообработки снижает энергоемкость процесса за счёт исключения теплового механизма воздействия на растительную ткань. В состав электрокультиватора входят: силовой энергетический блок, установленный на задней подвеске трактора, высоковольтный модульный источник питания и рабочие органы, представляющие собой раму с изоляторами с закрепленными на них контактными электродами (металлическими прутками), которые соединены специальным кабелем с высоковольтным источником питания. Рабочие органы снабжены сошниками для копирования рельефа почвы и установки высоты контактных электродов.
Высоковольтный источник питания обеспечивает на выходе следующие показатели:
- напряжение -10-30 кВ;
- частоту следования разрядов - 800^1200 Гц;
- фронт импульса - не более 0,5^1 мкс;
- длительность импульса 50-100 мкс;
- энергия в импульсе - 0,4^10 Дж.
Для уничтожения сорняков в рядках (рис. 1) оператор устанавливает высоковольтные электроды таким образом, чтобы они находились над верхушками культурных растений, а сорняки, находящиеся выше, будут касаться электродов и поражаться электрическим током.
При прополке междурядий электроды располагаются над землей на уровне самых низких сорняков, а от рядков культурных растений электроды отделяются изоляционными щитами. Возможно применение электрокультиватора и для уничтожения сорных растений при обработке пара. Производственные испытания импульсного культиватора показали высокую эффективность его работы. Уничтожение сорняков, не достигших фазы старения, составило 93,5-96,4%.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 07 (129) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
es
Заключение
Разработанная технология позволит:
- проводить эффективную борьбу с сорной растительностью с использованием электрических импульсов высокого напряжения;
- избежать нежелательных последствий механической обработки почвы при уничтожении сорняков (распыления почвы, усиления эрозии, распада почвенного гумуса и т.д.);
- уничтожать сорные растения, переросшие культурные растения в рядках, что невозможно при механических методах борьбы с сорняками;
- исключить применение гербицидов и получить экологически чистую продукцию.
Список литературы
1. Сетров М.И. Информационные процессы в биологических системах: методологический очерк / М.И. Сетров. Ленинград: Наука, Ленинградское отделение. 1975. 153 с.
2. Басов А.М. Вопросы дозирования при стимуляции семян физическими воздействиями /
А.М. Басов, Э.А. Каменир, В.Б. Файн // Вестник сельскохозяйственной науки. 1981. № 6. С. 109-115.
3. ГОСТ 12038-84. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести. М.: Издательство стандартов. 1986. 60 с.
4. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. 2-е изд., перераб. и доп. Агропромиздат.
1985. 351 с.
5. Арнольд А.Е., Мешков А.А., Попов В.М. Электроразрядный пропольщик // Сельский механизатор. № 4. 1988.
6. Топорков В. Н. Разработка и испытание высоковольтного импульсного культиватора для уничтожения сорной растительности // Экология и сельскохозяйственные технологии: агроинженерные решения. Т. 3. Экологические аспекты производства продукции животноводства; энергообеспечение и информационные технологии в сельском хозяйстве. Материалы 7-й международной научно-практической конференции. СПб.: ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии. 2011. С. 255260.
