Лазерный мир

В современных интенсивных технологиях растениеводства большое внимание уделяется химическим способам предпосевной обработки семян. При этом игнорируется отрицательное влияние такой обработки на энергию прорастания и всхожесть семян. Альтернативным методом решения в данном случае является применение когерентного оптического (лазерного) излучения.

Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения. Суть явления состоит в том, что возбужденный атом или другая квантовая система способны излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излученный фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение, то есть является его «точной копией». Таким образом, происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу. А. Эйнштейн предсказывал существование явления вынужденного излучения — физической основы работы любого лазера — в 1916 году.

Несколько позже, в 1940 году, В. Фабрикантом и Ф. Бутаевой была предсказана возможность использования вынужденного излучения среды с инверсией населенностей для усиления электромагнитного излучения. Одновременно установили, что на практике в обычных условиях фотон не выбьет из атома электрон, а будет им поглощен и просто-напросто исчезнет. Появилась необходимость создания специальной среды, в которой наработки Эйнштейна сработают.

ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ

Первый прототип такой среды предложил советский физик Валентин Фабрикант. Первые свои опыты он начал проводить еще в 1930-х годах, однако патент на изобретение нового метода усиления электромагнитного излучения — способа, способного создать среду, в которой лазер сможет работать — он получил только после войны, в 1951 году.

Уже в 1952 году другому советскому ученому, Александру Прохорову, пришла новая гениальная идея. Вдохновившись трудами Эйнштейна и изобретением Фабриканта, он придумал, как можно собрать эффективное лазерное устройство. Позже вместе с Прохоровым над разработкой изобретения стал корпеть его аспирант и ближайший коллега Николай Басов. В 1954 году на двух противоположных полушариях ученые независимо друг от друга представили устройство, которое позже назвали «мазером». В СССР «мазер» создали Прохоров с Басовым, а в США — ученые из Колумбийского университета под руководством Чарльза Таунса. Такое необычное название сложилось из слов Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление микроволн с помощью вынужденного излучения).

Физики понимали, что квантовые генераторы должны перейти на оптический диапазон, то есть от усиления микроволн к усилению света, или другими словами — от мазера к лазеру (от английского Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — усиление света посредством вынужденного излучения). В 1960 году американский физик Теодор Майман создает первый лазер. Это был импульсный рубиновый лазер, который состоял из кристалла рубина сантиметром в диаметре и около двух в длину, с посеребренными торцами, а также лампы-вспышки.

Примерно через год первый лазер был запущен в СССР. Это произошло 2 июня 1961 года в АО «НПО Государственный оптический институт им. С. И. Вавилова» (ГОИ), осуществил запуск старший научный сотрудник Л. Д. Хазов при участии И. М. Белоусовой. Все элементы лазера — рубин, покрытие на его торцах, лампы накачки — были созданы там. После запуска лазера на рубине в институте началась интенсивная работа по созданию твердотельных и газовых лазеров.

Вслед за этими разработками началось использование лазеров в экономике, в том числе в сельском хозяйстве. Разрабатываются и начинают выпускаться промышленностью установка передвижного типа КЛ-11, лазерная установка для зернотоков КЛ-13, установка «Львов-1 Электроника», предназначенные для лазерной предпосевной обработки семян. Массовое производство их было организовано в 70–80-е годы прошлого века. Несколько позже разработана установка ЛОС — лазерный облучатель сельскохозяйственный. Использование установок лазерной предпосевной обработки семян позволяло увеличить урожай в среднем на 11–12%, а в ряде случаев отмечался прирост урожайности до 30%. Часть выпущенных установок передавалась и активно там эксплуатировалась в страны соцлагеря — Польшу, Чехословакию, Венгрию и другие.

Одновременно были изданы рекомендации казахских ученых В. М. Инюшина, Г. У. Ильясова, Н. Н. Федорова «Лазер — стимулятор развития сельскохозяйственных растений» (1973 г.) и «Луч лазера и урожай» (1971 г.), посвященные лазерной предпосевной обработке. При этом рекомендовалось использовать низкоинтенсивное красное лазерное излучение с длиной волны 630–670 нм. Отмечалось, что в основе такой обработки лежит фотоэнергетическое или оптическое воздействие на семена растений.

Как итог, в 1975 году в условиях сильнейшей засухи в степях Казахстана семенами после лазерной обработки было засеяно пробное поле площадью более 20 тыс. га, в 1980–1981 годах опытные поля составляли уже 300 тыс. га. По результатам опытов всхожесть семян возрастала на 15%, урожайность зерна оказалась на 25% выше среднестатистической для этой местности и на 50% превышала урожайность того лета на полях, засеянных обычными, не обработанными лазером семенами. Однако с развалом Союза работы в этом направлении в Казахстане были прекращены. Основных причин две: низкая стабильность получаемых на тогдашнем оборудовании результатов и физический износ оборудования с невозможностью его восстановления.

В начале девяностых годов специалисты краснодарского НПФ «Биолазер» продолжили начатые много лет назад исследования. В результате были разработаны новые технологии и регламенты лазерной обработки семян и растений, изучены процессы аккумулирования ими лазерной энергии, переизлучения ее другим слоям семян и растущим рядом растениям, разработаны и запатентованы стационарные и переносные лазерные устройства.

Несколько позже коллективом ученых Ижевской ГСХА (ныне Удмуртский ГАУ) по заказу АО «ТК «Завьяловский»» для обработки малых партий семян на основе полупроводниковых лазерных диодов разработана установка «Луч-2», реализующая фотоэнергетическое воздействие на семена растений когерентным оптическим излучением. Конструкция ее позволяет менять такие параметры, как оптическая мощность диодов, время обработки семян, число одновременно включенных излучателей, что позволяет в значительной степени подбирать режимы обработки, добиваясь требуемой эффективности для каждых из культур и сортов сельскохозяйственных растений.

В течение 2023–2024 годов аналогичные работы, но уже с использованием установки «Луч-Зерно» производительностью до 10 т/час, выполнены этим же коллективом на полях ООО «Северная Нива Татарстан» с использование озимой пшеницы Московская 56.

ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ

В основе технологии лежит реакция семян и растений на свет. Доказано, что растения хорошо реагируют на красный свет, испускаемый лазерами, поэтому в описанных выше конструкциях используется лазер красного спектра с длиной волны 630–680 нм. Рецепторы на листовой пластине поглощают кванты света, их энергия передается внутрь растительной клетки и запускает синтез АТФ (аденозинтрифосфата) — вещества, играющего основную роль в обмене энергии в клетках живых организмов. АТФ — это универсальный источник энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых системах.

При этом лазеры представляют собой уникальные устройства, генерирующие оптическое излучение, обладающее высокой монохроматичностью, малым угловым расхождением луча света, когерентностью и поляризованностью. Малая угловая расходимость позволяет фокусировать излучение линзами и вогнутыми зеркалами вплоть до 1 мм и создавать значительные плотности мощности на облученных участках. Подобная концентрация мощности лежит в основе метода предпосевного активирования семян — эффекта фотоактивации фитохрома роста, возникающего в результате полифотонного поглощения семенами лазерного излучения.

Эффективность использования излучения лазера для интенсификации роста растительных тканей обусловлена тем, что лазерный луч активирует процессы фотосинтеза. Росторегулирующий эффект связан с высокой восприимчивостью фитохрома семян и хлорофилла вегетирующих растений к лазерному свету красной области спектра. Как следствие, растение начинает поглощать больше элементов питания и синтезировать больше биологически активных молекул в белке, которые являются природными катализаторами всех обменных процессов. Ускорились обменные процессы, значит, ускорились рост и созревание, выросла урожайность, снизилось количество свободной воды, повысилось содержание сухого вещества. Одновременно лазерная стимуляция оказывает иммуномодулирующее воздействие. Мембраны клеток становятся более устойчивыми к проникновению различных патогенов, как следствие, снижается количество гнили.

Обработку можно начинать прямо с семян — в них тоже важно активировать обменные процессы. Перед посевом семена должны немного полежать, чтобы запущенные в них процессы позволили семени окрепнуть.

Под воздействием лазерного излучения живые ткани становятся источником вторичного излучения, стимулирующего клеточное деление, ускоряющее обменные и окислительные процессы, и активирующее соседние ткани, не испытавшие прямого воздействия лазерного луча.

АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ОБРАБОТКА

Предпосевную обработку семян условно можно поделить на несколько видов: физиологическая — замачивание, проращивание, барботирование; термическая — прогревание, закалка, стратификация, снегование; механическая — скарификация; химическая — протравливание, обработка микроэлементами и стимуляторами роста, физическая — обработка физическими полями и излучениями различной природы, в том числе оптическими. При этом в практике сельскохозяйственных предприятий наибольшее распространение имеют химические методы предпосевной обработки. Основная причина — наличие большого количества специализированного оборудования с достаточной производительностью. Физиологические, термические и механические методы обработки не могут иметь необходимый уровень производительности, а потому используются лишь в малых хозяйствах с небольшими посевными площадями.

Развитие органического сельского хозяйства обусловило появление ряда законодательных актов, ужесточающих нормы поступления химических веществ в агросистемы, что стало причиной поиска физических способов обработки семян как альтернативы химическим. Физические методы отличаются экологической чистотой, технологичностью, что немаловажно в современных условиях высокой антропогенной нагрузки на окружающую среду. Физическими методами воздействия на семена можно увеличить их всхожесть, силу роста побегов, рост корней, тем самым сократив расход посевного материала. Результаты многочисленных исследований свидетельствуют о том, что у различных излучений механизм биологического воздействия в основном одинаковый, начиная от исходных актов поглощения и переноса энергии излучения и заканчивая физиологическими и морфологическими изменениями в организме, поэтому сходны и ответные реакции обрабатываемых семян сельскохозяйственных культур.

При этом повышение урожайности и качества зерна происходит только при определенных параметрах электромагнитных полей, таких, как длительность воздействия, частотный диапазон, плотность мощности, пространственные характеристики электромагнитного поля. Каждая сельскохозяйственная культура и даже сорт имеют свой оптимум этих параметров. Среди физических способов предпосевной обработки семян В. Савельев и В. Куликов одним из основных называют использование лазерного излучения, о характеристиках и эффективности которого выше уже было сказано.

Метод воздействия лазером, то есть метод лазерной фотоактивации, концентрирует в себе достаточное количество преимуществ по сравнению с иными существующими физическими и химическими способами предпосевной подготовки семян. Обработка семян может производиться как перед посевом, так и за 2–3 недели до начала посевной, в любой климатической зоне, и дает возможность получать устойчивую прибавку урожая зерновых за счет фотонной накачки семян сельхозкультур на фоне различных почвенно-климатических условий. Это также дает возможность повышения качества с/х продукции — увеличение сахаров, витаминов, содержания белка и клейковины, возможность снизить норму высева на 10–30% за счет повышения энергии прорастания и полевой всхожести. При такой обработке семян можно увеличить вегетативную массу корня растения, а также количество и массу зерновок, снизить поражаемость болезнями — фузариозом, пирикуляриозом, фитофторой, корневыми гнилями и прочим, сократить сроки созревания, обеспечить безопасность обработки для семян и обслуживающего персонала.

К числу преимуществ лазерной обработки семян следует отнести также экологическую безопасность. При лазерной обработке в природу не вносятся чужеродные элементы. Плюс дешевизна обработки — лазерная технология дешевле химических обработок в четыре и более раз. Высокая экономическая эффективность. При снижении стоимости предпосевной обработки прирост урожайности яровых зерновых достигает 20–25%, озимых — 50–55%. Аналогичная ситуация сохраняется и для других сельскохозяйственных культур.

Авторами разработан ряд установок лазерной фотоактивации семян растений. С использованием установки «Луч-2» проведены лабораторные и полевые исследования влияния лазерной предпосевной обработки семян пшеницы сорта Иргина. Полевые исследования проводились на опытном поле учхоза Удмуртского ГАУ. Получено как существенное увеличение полевой всхожести семян до 50%, так и урожайности до 30% пшеницы сорта Иргина.

В течение лета–осени 2017 года на полях ЗАО «Птицефабрика «Чайковская»» аналогичные работы выполнялись с яровой пшеницей Экада 70. Исследования проводили по 14 режимам (вариантам) обработки семян в шестикратной повторности. Каждый вариант отличался своим набором таких параметров установки, как оптическая мощность диодов, время обработки семян, число одновременно включенных излучателей. В контрольном варианте урожайность яровой пшеницы составила 34,1 ц/га, что достаточно близко к сортовым показателям. Обработка семян на установке «Луч-2» позволила в зависимости от выбранного режима получить 43–45 ц/га, или на 9–11 ц/га (25–31%) больше. Прибавка урожайности подтверждена структурой урожая, а именно увеличением количества продуктивных растений на 21–34%, количества продуктивных стеблей на 31–37% и массы 1000 зерен на 5–10% по отношению к контрольному варианту.

На полях ООО «Северная Нива Татарстан» аналогичные работы были проведены с использованием озимой пшеницы Московская 56. При этом в структуре урожая отмечен рост практически всех показателей — биологической урожайности на 52,8%, общего количества растений на 50,6%, количества продуктивных растений на 57,1%, массы чистого зерна со снопа на 61,5%, продуктивности одного колоса на 9,8%, массы тысячи зерен на 15,1%. Аналогичные результаты получены и после комбайновой уборки урожая.

Говоря об обработке озимых культур, стоит отметить, что эффект лазерной обработки семян сохраняется в течение всего периода вегетации. Так, в 2018–2019 и 2020–2021 годах были проведены испытания технологии в ООО «Старозятцинское» и КФХ А. В. Снегирев с озимой рожью сорта Фаленская 4. Годы, как известно, выдались очень неблагоприятными для данной культуры. 2018 и 2019 годы были отмечены осенней засухой и весенне-летними дождями, а 2020 и 2021 годы обильными осадками осенью и засухой в мае и июне. Тем не менее, прирост урожайности в ООО «Старозятцинское» составил 63,1%, в КФХ А. В. Снегирев — 162,1%. При этом прирост урожайности в обоих случаях подтверждался полученной структурой урожая.

РОССИЙСКИЙ ОПЫТ

Эффективность разработанных лазерных технологий подтверждена их многолетними исследованиями, а также результатами успешных испытаний в течение последних 15 лет более чем в 40 хозяйствах Краснодарского края и Ростовской области.

Многолетние результаты внедрения лазерной активации семян и растений в хозяйствах Краснодарского края на площади свыше 80 тыс. га за период 1990–2005 годов выявили устойчивое повышение урожайности культур в среднем до 10 ц/га за счет роста полевой всхожести и энергии прорастания на 10–15%, увеличения количества продуктивных колосьев и массы 1000 зерен. Особенно следует подчеркнуть актуальность применения лазера для защиты сельскохозяйственных растений от болезней. Полевые опыты, которые проводили ученые ВНИИБЗР по изучению стимулирующих и фунгицидных свойств лазерного луча на озимой пшенице, дали хорошие результаты. Так, предпосевная обработка семян озимой пшеницы сорта Победа 50 гелий-неоновым лазером низкой интенсивности с последующей обработкой вегетирующих растений (полевой опыт 2000–2001 годов) позволила повысить урожайность и защиту озимой пшеницы сорта Победа 50 от стеблевой ржавчины.

Итак, анализ полученных результатов подтверждает правильность разработанной технологии предпосевной обработки семян и вегетирующих растений лазерным лучом низкой интенсивности, которая приводит к повышению урожайности и эффективному ингибированию комплекса грибных патогенов у озимой пшеницы.

В 2020 году на базе Кубанского государственного аграрного университета проводились исследования по применению лазерной обработки семян пшеницы. Результаты показали увеличение урожайности на 15–25%. Исследования также продемонстрировали улучшение качества зерна, включая повышение содержания белка и клейковины.

Многочисленные испытания в хозяйствах показали, что повышение урожайности сои, кукурузы составило от 3 до 7 ц/га, овощных культур — от 0,7 до 3,2 кг/кв. м, сахарной свеклы — от 20 до 40 ц/га. Отмечено также, что при этом на 3–5 дней сокращались сроки созревания.

В исследовании, проведенном в 2019 году в Китае, в Хайнаньском университете, было установлено, что урожайность риса увеличилась на 20–30% при использовании лазерной обработки семян. Было доказано, что обработанные лазером семена прорастают быстрее и имеют более сильную корневую систему. Кроме того, растения демонстрировали лучшую устойчивость к болезням и неблагоприятным погодным условиям.

Лазерная обработка семян выглядит сегодня перспективным и эффективным методом повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Благодаря этому методу можно получить более высокие и качественные урожаи, сократить использование химических препаратов и улучшить экономическую эффективность своего хозяйства. Внедрение технологии в практику позволяет не только повысить производительность, но и способствует устойчивому развитию сельскохозяйственных предприятий.

Источник: https://agbz.ru/articles/obrabotka-semyan-lazerom/