Метод предпосевной обработки семян оптическим когерентным излучением

Введение.

Метод предпосевной обработки семян зерновых культур оптическим когерентным излучением для повышения урожайности известен ещё с 70-80-х годов прошлого века. В те годы на базе армейских гелий-неоновых лазеров выпускались промышленные сельскохозяйственные установки (рис. 1). В них использовались дорогие, ненадежные и дефицитные газовые лампы, не позволявшие регулировать мощность излучения.

Тем не менее, эти установки использовались в хозяйствах до выработки короткого ресурса их ламповых лазеров. В ряде случаев сохранившееся подобное оборудование и в настоящее время применяют в исследовательских целях. Однако получаемые результаты достаточно часто оказыва-ются крайне не стабильны. Начиная с 90-х годов 20-го века, преподаватели и студенты Удмуртского ГАУ занимаются исследованиями технологии предпосевной оптической (лазерной) обработки семян сельскохозяйственных культур.

 

Рисунок 1. Установка «Львов-1 Электроника»

Задача работ – разработать методику и оценить эффективность такой обработки, устранить эффекты, связанные с её нестабильностью, подобрать наиболее оптимальные режимы, разработать оборудование на современной элементной базе, используя в качестве источников когерентного из-лучения полупроводниковые диоды. 

Материалы и методы

Оборудование, методика исследований

Осенью 2018 года начаты полевые испытания разработанного оборудования и технологии (рис. 2). В сентябре 2108 года в поле (рис. 2) вблизи деревни Алгазы (ООО «Старозятцинское» Як-шур-Бодьинского района Удмуртской Республики) озимой рожью «Фаленская-4» урожая 2018 года засеян опытный участок площадью 4 га. Закладывалось 13 опытных делянок с различными режи-мами обработки (мощность излучателя, скорость ленты транспортёра, норма высева) и одна кон-трольная делянка (табл. 1), где использовались семена без предварительной предпосевной обработки. На всех делянках применялась одна и та же агротехника выращивания. Семена во всех случаях предоставлялись непосредственно хозяйствами.

В дальнейшем производственная проверка проведена в условиях производства на сельско-хозяйственных угодьях следующих хозяйств Удмуртской Республики:

•ООО «Старозятцинское» Якшур-Бодьинского района вблизи дер. Алгазы, 2018...2019 годы;

•ООО «Исток» Якшур-Бодьинского района, 2019 год;

•СХК «Колхоз «Молодая Гвардия» Алнашского района вблизи с. Нижнее Асаново, 2019 год;

•СПК «Родина» Малопургинского района, 2020 год;

•ООО «Экоферма «Дубровское» Киясовского района, 2020 и 2021 годы;

•КФХ Снигирев А. В. Ярского района, 2020...2021 годы;

•ООО «СОВХОЗ-ПРАВДА» Завьяловского района, 2022 год.

 

Рисунок 2. Начало испытаний. ООО «Старозятцинское». Обработка зерна в поле вблизи дер. Алгазы.

Наблюдения за развитием растений проводились 09.09.2018 года в фазе развития проростков (рис. 3), 19.10.2018 года в фазе кущения (рис. 4), 27.05.2019 года в фазе начала весенней вегетации (рис. 5, 6).

Обсуждение результатов осенних наблюдений

Необходимо отметить, что период конец августа-начало сентября 2018 года отличался ло-кальной засухой – ясная сухая погода со среднесуточной температурой днем +15,4°С, ночью +7,4°С при отсутствии атмосферных осадков [ ,  ]. Так на территории Старых Зятцев по данным сайта www.gismeteo.ru [1] в начале сентября 2018 года не отмечалось дней с осадками. При этом почвенный горизонт от недостатка влаги пересох, и семена высевались в сухую почву. В этих условиях влага, необходимая для развития растений, могла быть ими получена лишь в результате конденсации паров воды на поверхности почвы, что в большинстве случаев недостаточно для интенсивного развития растений. По существу на рисунке 3 в варианте «Контроль» именно эта ситуация и показана: семенам не хватает влаги для развития проростков, а потому многие из них не имеют даже признаков появления проростков. Иная ситуация с семенами, прошедшими лазерную предпосевную обработку. Большинство их через шесть дней после посева даже в условиях засухи имеются достаточно развитые проростки: пример – режимы Р1, Р3, Р5, Р7, Р8, Р9 и Р10 на рис.3.

 

Рисунок 3. Состояние всходов озимой ржи «Фаленская 4» на «09» сентября 2018 года (ООО «Старозятцинское»)

 

Рисунок 4. Состояние всходов озимой ржи «Фаленская 4» на «19» октября 2018 года (ООО «Старозятцинское»)

В течение сентября-первой половины октября в районе Старых Зятцев отмечалось [1, 2] шесть дней с непродолжительными осадками. Соответственно количество осадков за этот период 2018 года не превысило 30 мм. По существу не только всходы, но и дальнейшее развитие растений, проходило при сильной нехватке влаги, что хорошо заметно на контрольной делянке (рис. 4). При этом на 46 день растения, выросшие из семян после лазерной обработки, показали весьма хорошее развитие, как корневой системы, так и листового аппарата. Сказанное можно проиллюстрировать данными, полученными 02.10.2018 года. Так средняя длина растений и её стандартное отклонение для ряда режимов составили: «Контроль» – 57.9 мм и σ=13.5, вариант Р4 – 63.5 мм и σ=5.5, вариант Р6 – 69.9 мм и σ=12.3, вариант Р8 – 73.1 мм и σ=4.4, вариант Р11 – 71.1 мм и σ=6.1.

Хорошо заметно, что длина «лазерных» растений на 5…15 мм больше. Одновременно стандартное отклонение в вариантах Р4, Р8 и Р11 в 2…3 раза меньше, нежели в контрольном вари-анте, что говорит о более высокой стабильности роста растений после лазерной предпосевной об-работки семян. Даже при том, что визуально ограничением для их развития, особенно в режиме Р9 (рис. 4), является нехватка в растениях фосфора и калия, можно считать, что всходы озимой ржи после предпосевной лазерной обработки ушли под зиму более окрепшими и лучше подготовлен-ными.

 

Рисунок 5. Состояние растений (контроль, режимы Р3, Р8, Р9) озимой ржи «Фаленская 4» на «27» мая 2019 года (ООО «Старозятцинское»)

 

Рисунок 6.Состояние растений (контроль, режимы Р1, Р7, Р12) озимой ржи «Фаленская 4» на «27» мая 2019 года (ООО «Старозятцинское»)

 

Рисунок 7. Состояние растений (контроль, режимы Р3, Р7, Р8, Р9) озимой ржи «Фаленская 4» на «11» июня 2019 года (ООО «Старозятцинское»)

 

Рисунок 8.Состояние растений (контроль, режимы Р1, Р5, Р10, Р12) озимой ржи «Фаленская 4» на «11» июня 2019 года (ООО «Старозятцинское»)

Весенне-летние результаты

Осенний темп развития растений после лазерной обработки семян сохранился и весной 2019 года после перезимовки. На снимках, сделанных в поле «27» мая 2019 года можно отметить суще-ственно более мощное их развитие (рис. 5, 6), а также большее количество растений на участках, засеянных семенами после лазерной обработки, вне зависимости от нормы высева (табл. 2) семян. Можно также отметить и лучшую перезимовку таких растений. Другой особенностью стало увели-чение коэффициента кущения растений озимой ржи в 1,5…2,0 раза, что особенно заметно в режиме Р12 (рис. 6).

Интенсивность развития растений, заложенная предпосевной обработкой семян ещё осенью 2018 года, сохранилась и в течение лета. Летние условия 2019 года оказались достаточно благопри-ятными для развития растений. Количество осадков и температуры оказались весьма комфортными:

•май – осадки 76,1 мм, температура 20,3°С;

•июнь – осадки 83,2 мм, температура 19,1 °;,

•июль – осадки 130,8 мм, температура 23,4°С.

Результаты летнего развития растений показаны на снимках (рис. 7, 8), выполненных не-посредственно в поле «11» июня 2019 года. В большинстве вариантов лазерной предпосевной об-работки семян ржи в снопах наблюдается увеличение числа растений, их длины и биологической массы. Одновременно хорошо заметно ускорение формирования колоса «лазерных» растений в сравнении с растениями с контрольных делянок.

Уборка урожая на опытных участках проведена «30» августа 2019 года. Результаты для ряда режимов обработки приведены в таблице 2. В большинстве вариантов обработки семян биологиче-ская урожайность оказалась выше, нежели в контрольном варианте. Так прирост урожайности составил от 25,7% (режим Р10) до 63,1% (режим Р3).

Отдельно необходимо отметить увеличение количества продуктивных стеблей во всех приведённых вариантах предпосевной обработки семян в 1,2…2,0 раза, что уже обеспечивает при-рост биологической урожайности. Необходимо отметить, что данное увеличение хорошо совпадает с ростом коэффициента кущения растений, отмеченным в начале весны 2019 года.

Одной из особенностей лазерной обработки семян является ускорение созревания растений. Примером тому может служить снижение влажности убираемого зерна. Так в приведённых вариантах влажность зерна на контрольной делянке составила 18,6%. В случаях предпосевной обработки влажность зерна находилась в пределах от 14,2% (режим Р3) до 16,8% (режим Р8). По существу до 4,5% влаги растения теряют к моменту начала уборки, что позволяет сэкономить до 450 кг печного топлива на каждой тонне убранного зерна.

Следующая особенность лазерной предпосевной обработки семян – увеличение массы 1000 зёрен в ряде режимов обработки. Так в варианте Р3 такое увеличение составило 3,7 гр, в варианте Р10 – 4,8 гр, в варианте Р9 – 1,7 гр, что также обеспечивает увеличение урожайности.

Кроме того, необходимо отметить снижение продуктивности 1-го колоса от 12% до 40% в сравнении с контролем во всех вариантах обработки, за исключением варианта Р10. Причем такое снижение непосредственно связано, как уже отмечалось, с ростом количества продуктивных расте-ний и стеблей. По существу рост плотности растений в поле усиливает их конкуренцию в зоне пи-тания, что снижает продуктивность 1-го колоса. Легко заметить, что в данном случае снижение продуктивности сильно коррелируется с количеством продуктивных стеблей в соответствующих режимах обработки.

Результаты, полученные при работе с озимой ржи «Фаленская 4» в ООО «Старозятцинское», использованы в 2020...2021 годах в КФХ Снигирёва А.В. (Ярский р-н). Для обработки из таблицы Ошибка! Источник ссылки не найден. выбран режим Р3 (скорость ленты транспортёра 1,568 м/с, мощность излучателя 100 мВт, норма высева 200 кг/га) с лучшим значением урожайности, полу-ченным на поле вблизи дер. Алгазы. При этом норма высева на контрольных участках соответство-вала принятой в хозяйстве 220 кг/га.

 

Рисунок 9. Состояние растений озимой ржи «Фаленская 4» на «06» октября 2020 года (КФХ Снигирёва А.В., Ярский р-н)

Предпосевная обработка семян и сев выполнялась «24» августа 2020 года. Осень 2020 года отличалась лучшими (в сравнении с 2018 годом) агроклиматическими условиям. Необходимо от-метить и существенно более ранние сроки сева озимой ржи в КФХ Снигирёва А.В., нежели в Алгазах. Наблюдения за развитием растений озимой ржи «Фаленская-4» в данном случае выполнялись в фазе кущения (06.10.2020) и в фазе начала весенней вегетации (02.05.2021). В обоих случаях отмечается существенная разница в массе проб растений и их стеблей, снятых с контрольных и опытных делянок. Так 06.10.2020 (рис. 9) для растений после лазерной предпосевной обработки средняя масса проб стеблей составила 49,5 гр., в контрольном варианте – 22,0 гр. Аналогичную разницу можно отметить и для показателей средней массы 1-го стебля и средней длины стеблей. При этом количество растений в вариантах практически не отличалось, что может быть непосредственно связано со снижением нормы высева в сравнении с контролем.

 

Рисунок 10. Состояние растений озимой ржи «Фаленская 4» на «02» мая 2021 года (КФХ Снигирёва А.В., Ярский р-н)

Подобная ситуация сохранилась и в начале весенней (рис. 10) вегетации (02.05.2021). Так разница в массе проб стеблей составила 3 раза (15,1 гр. в контроле против 45,6 у растений после лазерной обработки). Близкая разница имеется и для массы проб растений – 23,5 гр. в контроле против 67,2 у растений после лазерной обработки семян.

Говоря о развитии растений в фазе весенне-летней вегетации, необходимо упомянуть об агроклиматических условиях весны-лета 2021 года. Так в мае среднее значение температуры воздуха составило днём +20°С, ночью +10°С. Осадки выпадали 4 дня: 01.05, 21.05, 22.05 и 30.05. По существу необходимо отметить, что в начале весенней вегетации, как и осенью 2018 года, наблюдалась не-хватка влаги. Ситуация усугубилась в июне-июле. Осадки в виде слабого дождя в июне выпадали 6 дней, в июле – 9 дней. При этом средние дневные температуры составили в июне +24°С, в июле – +23°С. Средние ночные температуры в эти же месяцы достигали +13°С. По существу агроклимати-ческие условия весны-лета 2021 года оказались близки к засухе.

С учетом агроклиматических условий лета 2021 года уборка экспериментальных участков на полях КФХ Снигирёва А.В. выполнялась «28» июля 2021 года. На рисунке 11 показаны снопы озимой ржи, снятые с контрольных и опытных делянок непосредственно перед уборкой. Для снопов с опытных делянок можно отметить как увеличение длины растений, так и мощности снопа и количества растений в нем. Следует заметить, что, как и в ООО «Старозятцинское», растения озимой ржи после лазерной предпосевной обработки семян условия засухи переносят существенно лучше. Одновременно следует ожидать повышения урожайности таких растений.

 

Рисунок 11. Состояние растений озимой ржи «Фаленская 4» на «28» июля 2021 года (КФХ Снигирёва А.В., Ярский р-н

Структура урожая озимой ржи «Фаленская 4» в КФХ Снигирёва А.В. приведена в таблице 2. В варианте предпосевной обработки «Лазер» все приведённые параметры структуры оказались вы-ше, нежели в контрольном варианте. Причем в ряде случаев существенно выше. Так для растений, выросших из обработанных, семян наблюдается:

a)увеличение количества продуктивных стеблей в 2 раза;

b)увеличение массы 1000 семян на 1,2 гр. и продуктивности 1-го колоса на 0,16 гр.;

c)увеличение биологической урожайности зерна с 11,7 до 30,7 ц/га.

Работы, выполненные с озимой рожью «Фаленская 4» в хозяйствах Якшур-Бодьинского и Ярского районов, позволяют сделать следующие выводы:

a)режимы предпосевной лазерной обработки сохраняют свое влияние вне зависимости от состоя-ния обрабатываемых семян, места их происхождения;

b)предпосевная лазерная обработка семян оказывает своё воздействие на весь период вегетации растений;

c)растения озимой ржи после предпосевной лазерной обработки семян условия засухи переносят существенно лучше. При этом улучшается устойчивость развития растений в неблагоприятных погодных условиях;

d)увеличение полевой всхожести семян, увеличение кущения в ходе развития растений позволяет существенно снизить норму высева семенного материала и, соответственно, затраты на произ-водство продукции растениеводства

e)как результат после предпосевной лазерной обработки семян увеличивается урожайность сель-скохозяйственных культур.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы. Лазерная предпосевная обработка:

a)улучшает устойчивость развития растений в неблагоприятных погодных условиях;

b)повышает полевую всхожесть семян, увеличивает кущение в ходе развития растений;

c)позволяет существенно снизить норму высева семенного материала;

d)увеличивает урожайность сельскохозяйственных культур;

e)снижает затраты на производство продукции растениеводства.

 

Рисунок 12. Работы на опытных делянках в полях ООО «Экоферма «Дубров-ское», Киясовский р-н

Одновременно с озимыми ООО «НИИ “Агролазер”» выполнял и работы с яровыми зерно-выми культурами. Наибольший объём таких работ в 2020-м и в 2021-м годах сделан в ООО «Эко-ферма «Дубровское» (рис. 12). В 2021 году закладывались делянки с культурами ячмень сорта «Памяти Чепелева», горох сорта «Усатый кормовой», яровая пшеница сорта «Йолдыз», овес сорта «Яков». Некоторые культуры закладывались повторно. Часть из этих культур выращивалась на экспериментальных полях и в других хозяйствах Удмуртии.

Далее в таблицах 3…6 приведены результаты работ с вышеназванными яровыми культу-рами. Там же в начале таблиц показаны режимы предпосевной лазерной обработки семян соответ-ствующих культур. Следует обратить внимание на то, что для приведённых культур оптимальные режимы обработки не повторяются.

Результаты работы с ячменём сорта «Памяти Чепелева» показаны в таблице 3. производственная проверка выполнялась в течение 3 лет в трех разных хозяйствах. Режимы лазерной обработки семян ячменя во всех случаях использовались указанные в начале таблицы 3. Итоговый результат – прирост биологической урожайности на 15…67%. Однако необходимо отметить следующее:

•в СХК «Колхоз «Молодая Гвардия» применялась достаточно высокая норма высева семян, как для контрольных, так и для опытных делянок. Соответственно в варианте лазерной обработки от-мечается прирост количество продуктивных растений на 32%, что привело на экспериментальных участках к загущённости посевов и ухудшению показателей структуры урожая. Тем не менее, при-рост биологической урожайности составил 22,9%;

•в СПК «Родина» на опытном поле норма высева семян снижена относительно контроля. При этом прирост количества продуктивных растений и загущенность посевов на таких участках прак-тически отсутствуют. Одновременно там отмечается увеличение показателей структуры урожая, биологической и амбарной урожайности;

•в ООО «Экоферма «Дубровское» при выращивании зерновых минеральные удобрения не применяются. При этом при посеве используются минимально достаточные нормы высева, что хорошо видно по количеству продуктивных растений. В контроле это количество наименьшее из трех хозяйств. Одновременно на территории Удмуртии лето 2021 года имело достаточно засушливый характер. Тем не менее, показатели структуры урожая, снятого с опытных делянок, лучше, нежели в контроле. Соответственно прирост урожайности достиг значений 63…73%. Значительную роль в этом сыграло повышение устойчивости развития растений после лазерной предпосевной обработки семян к неблагоприятным условиям развития.

Для пшеницы сорта «Йолдыз» (табл. 4) в случае с СХК «Колхоз «Молодая Гвардия» необходимо отметить рост всех показателей структуры урожая и, как результат, рост урожайности на 31%. При этом прирост количества продуктивных растений не превысил 8%, а прирост количества продуктивных стеблей – 16%. По существу дополнительный урожай получен за счет увеличения продуктивной кустистости и продуктивности 1-го колоса.

Вновь необходимо отметить, что в ООО «Экоферма «Дубровское» в связи с особенностями агротехники выращивания применяются уменьшенные нормы высева семян при посеве. При этом на опытных делянках в хозяйстве (табл. 4) увеличение количества продуктивных растений и стеблей на 20…22% в сравнении с контролем, вероятнее всего, привело к загущенности посевов и снижению продуктивности одного колоса и массы 1000 зёрен, что позволило, как результат, получить увеличение урожайности лишь на 3...7%.

Полевые работы с семенами овса сорта «Яков» в течении 2019…2021 годов выполнялись только в ООО «Экоферма «Дубровское». В данном случае увеличение урожайности овса «Яков» получено, прежде всего, за счет увеличения количества продуктивных растений и стеблей, а также роста продуктивности одного колоса. Необходимо отметить снижение массы 1000 зерен. При этом следует учитывать особенности засушливого лета 2021 года.

Работы с ячменём сорта «Неван» проводились в ООО «Исток» в 2019 году. Норма высева семян в ходе сева составляла 100 кг/га. В данном случае на опытных участках отмечается рост в сравнении с контролем всех показателей структуры урожая за исключением продуктивности 1-го колоса. При этом снижение последнего показателя не наблюдается. Как результат, рост урожайности ячменя сорта «Неван» после лазерной предпосевной обработки составил 25%.