CC BY
29сельскохозяйственные науки
УДК 57.042
ТЕХНОЛОГИЯ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ БОЛЬШИХ ПЛОЩАДЕЙ ВЕГЕТИРУЮЩИХ РАСТЕНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ БПЛА
Даниловских Михаил Геннадьевич, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, Винник Людмила Ивановна, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого, Великий Новгород, РФ
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 основньж показателей роста и развития растений, повышению урожайности, а так же устойчивости растений к некоторым болезням.
Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат (БПЛА); лазерная обработка вегетирующих растений; блок формирования кадровой развертки; полупроводниковый лазер; низкоинтенсивное лазерное излучение (НИЛИ).
TECHNOLOGY OF LASER TREATMENT OF LARGE AREAS OF VEGETATING PLANTS USING UAV
Danilovskih Mihail Gennad'evich, PhD (Cand. Agr. Sci.), associate professor, Vinnik Lyudmila Ivanovna, PhD (Cand. Agr. Sci.), associate professor, NovSu, Veliky Novgorod, Russia
The article discusses the technology of laser processing of large areas of vegetating plants using UAV This technology helps to stimulate the development of plants in the early stages of vegetation and as a consequence in the later stages of growth, as well as improve the basic indicators of growth and development of plants, increase productivity, as well as plant resistance to certain diseases. Keywords: unmanned aerial vehicle (UAV); laser treatment of vegetating plants; unit of formation of personnel sweep; semiconductor laser; low-intensity laser radiation (NILE).
Для цитирования: Даниловских М. Г., Винник Л. И. Технология лазерной обработки больших площадей вегетирующих растений с применением БПЛА // Наука без границ. 2018. № 7 (24). С. 70-75.
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 экологич-ностью.
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, повы-
шению 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-хро-мопротеиды (криптохром, фитохром и др.) фоторегуляторных систем клетки. В результате возрастает функциональная активность всего организма, что может проявляться в повышении регенераци-онной 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 морфофизиологиче-ские 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 Ку-
бани 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 трактора1.
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 Фе-
Рис. 1. БПЛА для обработки вегетирую-щих растений
1 Патент РФ №2 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
дерации устройство (рис.1) для лазерной обработки вегетирующих растений с применением БПЛА2.
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 50 х 8 метров. Лазерная обработка осуществляется с высоты полета 10-15 метров. При движении БПЛА со скоростью 0,25 м/с 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.
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).
Вторая обработка производилась в фазу полной листовой розетки. В результате обработки вегетирующих растений капусты
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
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
стимулируется их рост, что выражается в достоверном увеличении площади листовой поверхности по сравнению с контролем. Результаты биометрических измерений представлены в (табл. 2).
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.
REFERENCES
1. Umarov H. T., Inyushin V. M. i dr. Biofizicheskie i fiziologicheskie pokazateli rosta sel'skohozyaistvennyh kul'tur pod deistviem gelii-neonovogo lazera [Biophysical and physiological parameters of crop growth under the action of helium-neon laser]. Tashkent: FAN, 1991, 152 p.
2. Yakobenchuk V.F. Effektivnost' svetolazernogo oblucheniya semyan [Efficiency of light-laser irradiation of seeds]. Vestn. s.-h. nauki, 1989, no. 4 (392), pp. 123-128.
3. Gladyszewska B., Kornas-Czuczwar B., Koper R. et al. Theoretical and practical aspects of presowing laser biostimulation of the seeds // \nzynieria Rolnicza, 1998, no. 2, pp. 21-29.
4. Budagovskii A.V. Teoriya i praktika lazernoi obrabotki rastenii [Theory and practice of laser treatment of plants]. Michurinsk-naukograd RF, 2008, 548 p.
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
