CC BY
72
***** зтксжт ***** № 2 (22) 2011
АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
УДК 632.935.9+631.348.8.
ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНАЯ ПРОПОЛКА СЕЛЬХОЗУГОДИЙ
В НИЖНЕМ ПОВОЛЖЬЕ И.В. Юдаев, кандидат технических наук, доцент
ФГОУ ВПО Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия
Современное состояние сельскохозяйственных угодий заставляет задуматься о необходимости продолжать, в борьбе против сорняков, интенсивную химическую и механическую обработку почвенных площадей, нанося природе экологический урон и продолжая безудержно истощать минеральные запасы гумуса в почве. В качестве альтернативы традиционным способам предлагается использовать электроимпульсную прополку, подтвердившую, что она является экологически безвредной и технологически эффективной.
Ключевые слова: экология, электроимпулъсная прополка,
структура электроимпулъсного прополъщика, параметры процесса.
Волгоградская область - один из крупнейших в Российской Федерации производителей сельскохозяйственной продукции, доля которой в валовом производстве всей страны составляет 2,0...2,5 процента. По производству зерновых культур область - в числе лидеров среди российских регионов.
Для устойчивого развития сельского хозяйства региона в 1984 году на выездной сессии ВАСХНИЛ одобрена и принята к исполнению научно-обоснованная система сухого земледелия области, одной из технологических операций в которой определена успешная борьба с сорняками. При этом отмечено, что основными наиболее вредоносными сорными растениями Нижнего Поволжья являются корнеотпрысковые сорняки, такие как осот желтый, осот розовый, вьюнок полевой, горчак розовый и малолетние сорные травы: щирицы (виды), мари (виды), щетинники (виды) и овсюг.
Основными действующими факторами при уничтожении, например, корнеотпрысковых сорняков принято считать истощение их корневой системы систематической механической обработкой почвы, особенно паровых полей; а также применение эффективных гербицидов и подавление сорных растений развитыми посевами сельскохозяйственных культур.
Отечественный землепользователь в последние десятилетия столкнулся с целым рядом проблем, которые привели к изменению фитосанитарного состояния посевов и насаждений. Уменьшение финансирования привело к снижению использования химических средств борьбы с сорной растительностью и сокращению традиционных агротехнических мероприятий для этой цели, что привело в целом к увеличению степени засорённости сельскохозяйственных угодий. Применение же доступных, но не всегда экологически безопасных,
химикалиев увеличило количество площадей с неблагополучным экологическим состоянием. Кроме этого, не снижаются ареалы распространения карантинных сорняков в регионе и стране в целом. Поэтому в последнее время предлагаются новые способы физического уничтожения сорной и нежелательной растительности, к которым относится и применение электрических импульсов высокого напряжения.
Этот способ уничтожения сорняков можно рассматривать как применение экологически сравнительно чистых технологий в земледелии, попытку подавления и уничтожения наиболее вредоносных трудноискоренимых корнеотпрысковых сорняков, а также возможность избирательного уничтожения карантинных сорных растений. Кроме того, появляется возможность автоматического контроля и управления разрабатываемых агрегатов (спутниковый контроль засорённости, автоматическое дозирование энергии воздействия в зависимости от вида и возраста сорных растений и др.).
Ещё на рубеже XIX и XX веков в США запатентована первая техническая установка, позволяющая повреждать сорняки при помощи электрической энергии. После этого в ряде стран предложены варианты применения электричества для истребления сорных растений, прополки посадок и посевов, стерилизации растительных остатков на обрабатываемых площадях. В основном исследовательские работы посвящены разработке установок (Ь}¥-5, ГА^сИос, Эрпик и др.) для борьбы с сорными травами при помощи переменного высокого напряжения, но изучалось также и влияние на сорняки импульсов высокого напряжения. Сравнивая эти два направления, можно констатировать, что импульсное воздействие перспективно, так как требует меньших затрат энергии для необратимого повреждения тканей (в некоторых случаях на порядок), что сказывается на уменьшении мощности применяемого оборудования и, следовательно, его громоздкости, снижении амплитуды воздействующего напряжения, что в свою очередь позволяет повысить безопасность проведения такого рода работ, сокращении затрат совокупной энергии на традиционно выполняемой операции [4].
Для обоснования использования мобильных электроимпульсных прополыциков при прополке посадок и посевов, а также участков со сплошной засоренностью пока не сформулированы чётко требования к ним, отсутствует обоснование электроимпульсного повреждения растительных тканей, повреждающей дозы электрической энергии, а также критерии выбора применяемой электродной системы. На факультете электрификации Волгоградской ГСХА выполняются
исследования, направленные на решение этих задач, с дальнейшим проектированием и разработку электротехнологического агрегата.
При этом технологическая эффективность истребления сорных растений, в первую очередь, определяется необратимым повреждением их растительных тканей. Энергетические показатели этой операции зависят от минимальных затрат электрической энергии, которую необходимо затратить, для того чтобы повреждение тканей сорняков, и особенно корневой системы, достигло предельного значения. Сложность конструкции электротехнологического устройства и его стоимость в значительной мере определяются используемым напряжением: чем оно ниже, тем проще и дешевле установка, а также безопаснее её эксплуатация.
Нами проведены исследования по изучению электропроводных свойств и характеристик тканей сорных растений как объектов электроимпульсного воздействия при прополке, результаты которых позволили установить, что удельное электрическое сопротивление растительных тканей корневой системы сорняков имеет наибольшее значение, а стеблей - наименьшее. Значение этого параметра для тканей стеблей, корней и участков с корневой шейкой сорняков возрастает с увеличением периода развития этих сорных растений, и для различных биологических групп сорняков практически не изменяется [3, 5, 6].
Исследование чувствительности растительной ткани сорняков к воздействию электрическим током и анализ изменения параметров ее схемы замещения позволили сформулировать рабочую гипотезу электроповреждения. При этом электрическое сопротивление ткани уменьшается вследствие того, что клеточные мембраны теряют свои полупроницаемые свойства, а сопротивление самих мембран, а также внутриклеточного и межклеточного органических «растворов» выравниваются, становясь равными сопротивлению протоплазмы. Это происходит в результате того, что выходящий из клетки через открывшиеся поры в стенке мембраны вакуолярный сок, имеющий самую высокую проводимость, смешивается с межклеточной жидкостью и снижает общее электрическое сопротивление до значения сопротивления протоплазмы. Одновременно с этим образовавшийся раствор заполняет открывшиеся в мембранной стенке поры, которые под действием электрического поля высокой напряжённости утрачивают способность к избирательному пропусканию ионных потоков. В результате этого сопротивление мембраны становится равным сопротивлению протоплазмы, вследствие чего шунтирует мембранную ёмкость.
Для определения основных технических характеристик агрегата электроимпульсного уничтожения сорняков и обоснования конструкции электродной системы, а также формы поверхности электродов исследовались сопротивление цепей протекания токов обработки сорных растений в условиях их естественного произрастания. Эти опыты проводились на землях УНПЦ ВГСХА «Горная поляна», а анализ полученных результатов позволил выяснить, что сопротивление цепи обработки «электрод - растение - почва - растение - электрод» линейно возрастает с увеличением расстояния между сорными растениями и убывает по квадратичной зависимости при увеличении диаметра обрабатываемых растений. Этот параметр уменьшается по степенной зависимости с увеличением влажности почвы на исследуемом участке и возрастает аналогично при увеличении высоты подвеса электродной системы [3, 5, 6].
При этом определены минимальные дозы повреждения растительных тканей сорняков, приводящих их к гибели. Так, для региона Нижнего Поволжья экспериментально установлено, что затраты электрической энергии на уничтожение некоторых видов сорных трав, находящихся в фазе развития «начало созревания» (при воздействии импульсами с амплитудой напряжения 18...20 кВ и частотой следования до 10 Гц) равны: для осота розового (Cirsium arvense L.) - 102... 134 Дж; осота полевого (Sonchus arvensis L.) -134... 186 Дж; молочая лозного (Euphorbia waldsteinii L.) - 570.. .740 Дж; молокана татарского (Lactuca tatarica L.) - 64... 104 Дж; вьюнка полевого (Convolvulus arvensis L.) - 172... 212 Дж; щирицы
запрокинутой (Amaranthus retroflexus L.) - 34... 106 Дж; дурнишника обыкновенного (Xanthium strumarium L. ) - 106.. .212 Дж [3, 5, 6].
Одним из основополагающих вопросов реализации электроимпульсной прополки - экологическая безопасность для окружающей природной среды и особенно населяющих почву полезных организмов и микрофлоры. Анализ результатов исследований других авторов по воздействию электрических полей и в частности электрических разрядов на микрофлору почвы, а также живущих в ней организмов, позволяет заключить, что явное негативное влияние на агрофитоценоз почвы не наблюдается. Такое заключение позволяет характеризовать электроимпульсную прополку как экологически чистую технологию в растениеводстве, которая не только не загрязняет окружающую среду, но и минимально воздействует на микрофлору почвы [1,2].
Результаты проведённых нами многолетних исследований по изучению электрофизических характеристик сорных растений как
объектов электрического воздействия, а также и анализ моделей электропрополыциков позволяют определить основные элементы и обосновать построение рациональной структуры агрегата для уничтожения сорняков электрическими импульсами высокого напряжения. Принципиально устройство состоит из (рис. 1): силовой установки перемещения, источника электроэнергии и устройства подведения электроэнергии к сорнякам.
В качестве силовой установки для обеспечения мобильности и маневренности устройства следует брать колёсный трактор, и поскольку уничтожение сорняков может производиться на участках без посевов, например, паровые поля, а также в междурядьях культурных растений.
Рисунок 1 - Электроимпульсный прополыцик, навешиваемый на колёсный трактор
В качестве первичного источника электрической энергии целесообразно использовать синхронный генератор, имеющий относительно малую стоимость и позволяющий с помощью обычного повышающего трансформатора получить любое значение высокого напряжения, необходимого для работы агрегата. Для привода генератора следует использовать вал отбора мощности (ВОМ) колёсного трактора.
Исследованиями установлено, что для уничтожения сорняков необходимо напряжение до 20...25 кВ. Поэтому нагрузкой синхронного генератора 220/380 В, служит преобразователь, основной элемент которого - повышающий трансформатор, с масляной или сухой изоляцией. Кроме того, необходимо использование выпрямителя, умножителя напряжения и формирователя импульсов или импульсного трансформатора с электронным блоком управления.
Исключительно важным является устройство подведения электроэнергии к растениям. Принципиально оно представляет
электродную систему, состоящую только из навесных электродов или дополненную хотя бы одним заглубленным в почву.
Выбор варианта подвода электрической энергии к сорным растениям производится в соответствии с технологией возделываемых культурных растений, местных почвенных условий, видов и периодов развития произрастающих сорняков. Для навесных электродов используют токопроводящие гладкие электроды (штанги, бруски, металлические стержни) или электроды со сложным профилем поверхности контактирования. При применении заглубленных электродов необходимо осуществлять хороший электрический контакт с почвой или с корнями растений, и при этом они не должны создавать большого дополнительного сопротивления перемещению агрегата. Для этого можно использовать рабочие органы сельскохозяйственных машин (культиваторные лапы, ножи, щелеватели) или простые электроды (диски, ножи). Также следует иметь в виду, что при использовании только навесных электродов для эффективного уничтожения сорняков потребуется более высокое рабочее напряжение, что в некоторой мере усложняет блок питания агрегата. Во втором варианте необходимо напряжение несколько меньше, но подпочвенное перемещение электрода потребует больших (на 10... 15 %) суммарных энергетических затрат.
Уничтожение сорняков производится или между рядами культурных растений, или при отсутствии посевов и посадок по всему полю сплошной обработкой. В любом случае подведение энергии к растениям выполняется контактированием хотя бы одного электрода с их стеблями. Поэтому до обработки они не должны быть смяты колесами и, следовательно, электродная система располагается в передней части трактора перед радиатором. Поскольку рабочее напряжение для электродной системы по техническим условиям составляет не менее 20 кВ, то с целью сокращения длины высоковольтных проводников повышающий трансформатор и генератор импульсов высокого напряжения должны размещаться вблизи электродов.
Для оценки возможности использования электроимпульсной прополки сорняков выполнен расчёт совокупных энергетических затрат при возделывании озимой пшеницы «Мироновская Юбилейная» по чёрному пару на угодьях Волгоградской области. Для сравнения затрат вариантов борьбы с сорными растениями выполнен расчёт и сравнение энергоёмкости электрокультивации с опрыскиванием гербицидами, а также с культивацией и боронованием почвы. Полученные результаты свидетельствуют, что использование электропрополки во всех случаях позволяет снизить энергоёмкость операции борьбы с сорной растительностью. При засорённости почвы однолетними сорняками эти показатели снижаются по сравнению с культивацией на 75,9 %, а по сравнению с химической прополкой - на 87,0 %, а в случае засорённости почвы многолетними сорными растениями - на 16,7 %, и 54,9 %. Применение электрической прополки паров позволит, по сравнению с химической, полные совокупные энергозатраты за весь
технологический цикл выращивания озимой пшеницы снизить на 2,6 %, а по сравнению с культивацией - на 1,2 %.
Библиографический список
1. Боженков, А.В. Действие электрокультивации на агрофитоценоз почвы [Текст] / А.В. Боженков // Агрономическая наука - достижения и перспективы. -Киров, 1994. - С. 73.
2. Плеханов, Г.Ф. Изучение влияния электрического поля высоковольтных установок на некоторые компоненты биогеоценоза (почва, растения, животные) [Текст] / Г.Ф. Плеханов, В.М. Орлов, А.Г. Карташев // Экология. - 1988. - №2. - С. 78-80.
3. Сорные растения как объект электрической прополки: биологические особенности и электрофизические свойства [Текст]: монография / В.И. Баев, Т.П. Бренина, Д.С. Елисеев, И.В. Юдаев - Волгоград: Станица - 2, 2004. - 128 с.
4. Тверитин, А.В. Состояние и тенденции развития электрических способов и оборудования для борьбы с сорняками [Текст] / А.В. Тверитин, Н.Б. Трофимова, Л.И. Исаева [и др.] // Обзорная информация. - М.: ВНИИТЭИСХ, 1984 - 65с.
5. Юдаев, И.В. Обоснование технологических параметров электроимпульсного уничтожения сорной растительности [Текст]: автореф. канд. техн. наук / И.В. Юдаев. - Волгоград, ВГСХА, 2002. - 24 с.
6. Judajev, I.V. The definition of electro impulses used in weed control [Текст] / I.V. Judajev, T.P. Brenina // Journal of agricultural sciences. Published by University of Belgrade. Republic of Serbia. Faculty of Agriculture. - Belgrade 2008. Vol. 53. №1. - P.37-44.
E-mail: [email protected]
