Бесплатный фрагмент - Электромагнитные технологии в растениеводстве

Введение

В середине 20 века в мировой сельскохозяйственной практике окончательно сформировались технологии интенсивного индустриального возделывания растений как сырья для пищевой индустрии и животноводства.

Применение широкого спектра минеральных удобрений, химических средств защиты растений, органических удобрений и технологий обработки почвы практически достигли своего совершенства, определяющего урожайность на уровне 70—80% от генетического потенциала сорта. Однако, одновременно с этим выявились негативные тренды в природопользовании сельскохозяйственных угодьями, связанными с неуклонным снижением качества почв.

Объективно появилась потребность в повышении урожайности методами, независимыми от внесения в почву минеральных и органических удобрений, использования химических средств защиты растений.

Методы генетической модификаций растений, несмотря на явные успехи в повышении урожайности, повышении резистентности к неблагоприятным факторам окружающей среды, включая инвазионные биологические, встретили жесткое сопротивление социума. В основном из-за не изученности отдаленных последствий на человека изменений генетического кода растений, употребляемых в пищу.

Внимание исследователей и практиков сх-производства привлекли методы стимуляции урожайности, не связанные с генетической модификацией растений, способные реализовать генетический и физиологический потенциал уже заложенный в существующие сорта сельскохозяйственных растений, полученные методами классической селекционной работы.

Наибольший интерес с точки зрения получения экологически чистой продукции имеют физические факторы воздействия на растения, а точнее на их семена, клубни, луковицы, проростки или взрослые растения на разных фазах развития.

В качестве таких факторов исследовались электромагнитные поля различного диапазона: жесткое гамма-излучение, рентгеновское, ультрафиолетовое, видимое оптическое, инфракрасное, СВЧ-излучение, радиочастотное, магнитное и электрическое поле, облучение заряженными элементарными частицами и ионами различных элементов, гравитационным воздействием и т. д.

Каждый из выше перечисленных физических факторов воздействия обеспечивается своим специализированным оборудованием, часто весьма сложно устроенным и дорогим.

Например, гамма и рентгеновское излучение небезопасно для здоровья и жизни человека и потому мало пригодно для эксплуатации в реальных условиях сельскохозяйственного производства.

Это же частично относится к ультрафиолетовому излучению, оптическому видимому лазерному излучению, бетта-излучению, СВЧ-излучению, радиочастотному облучению. Проблемы эксплуатации и безопасности примерно те же самые.

Остается совсем немного безопасных физических факторов, которые смогут достаточно безболезненно прижиться в реальном сельскохозяйственном производстве. Это магнитные и электрические поля, объектом воздействия которых являются семена, клубни, луковицы, черенки и проростки растений. Итогом воздействия этих физических факторов в оптимальных дозах является более полная реализация генетического и физиологического потенциала растений, выражающееся в повышении урожая и его качества.

Активные исследования влияния магнитного и электрического поля на семена растений, урожайность и качество урожая начались с СССР, США, Канаде, Франции в середине 50-х годов 20-го века. Первыми стали на практике в больших промышленных масштабах использовать электромагнитные установки для обработки семян сельхозпроизводители Канады.

Так в 1970 г в провинции Альберта, одном из основных зерновых регионов Канады электромагнитной обработке подвергались семена для площади более 20.000 га. Затем в различных регионах СССР в период 1980—1992 гг. на десятках тысяч гектаров проводились испытания и практическое использование электромагнитной обработки семян. Зафиксированы многочисленные положительные результаты при крайне низких эксплуатационных затратах (менее 1$ на тонну обработанных семян).

Средняя величина повышения урожайности зерновых культур (пшеница, рожь, ячмень, овес, кукуруза) составила 10—12%. Но, были и более высокие результаты: повышение урожайности зерновых культур на 18—22%, овощных культур на 22—30%.

Повышается также и качество урожая. Например, содержание клейковины в зерне, масла в семенах подсолнечника, сахара в корнеплодах кормовой и сахарной свёклы, каротина в моркови.

Для такой важной и массовой культуры как картофель среднее повышение урожайности составляет 18—20%. Увеличивается лёжкость картофеля в период осенне-зимнего хранения, за счет увеличения толщины защитной кожуры клубней именно в период уборки, а не в период хранения. Это приводит к снижению потерь при хранении до 4—5%.

Повышение урожайности и качества урожая происходит только при определенных параметрах электромагнитных полей, таких как длительность воздействия, частотный диапазон, плотность мощности, пространственные характеристики электромагнитного поля.

Каждая сельскохозяйственная культура имеет свой оптимум этих параметров. Более того, даже семена растений одного и того же вида и сорта, произраставшие на разных полях, убранные в разные сроки, высушенные при различавшихся режимах сушки, хранившиеся в разных температурно-влажностных условиях имеют разные оптимумы.

Нами был разработан и испытан простой алгоритм обработки семян, а также соответствующее оборудование, абсолютно безопасное для человека при любых условиях эксплуатации и квалификации обслуживающего сельскохозяйственного персонала.

При этом особое внимание уделялось именно нетребовательности в эксплуатации и квалифицированности обслуживающего персонала. Ставилась задача обучения пользованию оборудованием в течение 1—2 часов. С учетом этих требований была разработана практическая технология и электромагнитное оборудование.

В 1986—89 гг в Горьковской области была выпущена первая пилотная партия электромагнитных установок производительностью 20 тонн в час для колхозов и совхозов. Эта партия была приобретена колхозами и совхозами Горьковской, Кировской областей, Краснодарья, Ставрополья, Казахстана. Рекламаций на выпущенное оборудование не поступало.

Разработанное нами электромагнитное оборудование было специально адаптировано к существующим технологическим процессам. В частности, электромагнитная обработка семян совмещена с процессом предпосевного протравливания семян зерновых культур.

Нашими исследованиями установлено, что применение электромагнитной обработки семян зерновых приводит не только к повышению урожайности в среднем на 10—12%, но также и к повышению резистентности к грибковым и бактериальным заболеваниям зерна.

В ряде случаев возможно снижение на 30% количества веществ протравителей семян, что в конечном счете, способствует получению более экологически чистой продукции.

Эти факторы: простота эксплуатации, стабильный результат стимуляции, низкие затраты на обработку 1 тонны семян, отсутствие химической компоненты в стимуляции урожая, в конечном итоге являются очень привлекательными для реальной практики растениеводства. Существуют, однако, и мешающие факторы, которые также необходимо упомянуть.

Самым важным мешающим фактором является отсутствие в курсе обучения специалистов сельского хозяйства (агрономов, инженеров-механиков), дисциплины «Физические методы управления урожайностью сельхозкультур». В настоящее время специалисты агрономического профиля все еще ориентированы на традиционные методы повышения урожайности: применение удобрений и культура агротехники обработки почвы, семян, посевов химическими агентами.

Существует стойкий тренд увеличения потребления экологически безопасной продукции. Постепенно возрастающая потребительская культура населения приводит к пониманию неразрывности пищевых цепей, увеличению востребованности высоко качественной пищи.

Безусловно, тот, кто ответит на реальные запросы социума в получении им экологически безопасной продукции, будет по достоинству вознагражден экономически. Наиболее прогрессивные руководители сельскохозяйственного производства уже сейчас это понимают и принимают активные действия. Более того, можно отметить, что в силу социально-исторических обстоятельств, страны экс-СССР теперь оказалась в плане получения экологически безопасной продукции в более выгодном положении, чем основные Западные страны, именно в силу того, что сельхозугодия, и в первую очередь пашня оказались в целом более экологически чистые.

Западные продовольственные компании это отчетливо понимают и их деловые намерения уже направлены к странам экс-СССР. Активные руководители сельскохозяйственных предприятий уже сейчас занялись созданием деловых коммуникаций с западными компаниями по производству экологически безопасной продукции.

Именно эти предприятия из стран экс-СССР в первую очередь получат долговременную экономическую выгоду от переориентации на производство экологически безопасного сырья для пищевой промышленности. Закупочные стоимости такого сырья в Европе как правило в 2—3 раза выше обычных. Именно в этих, новых социально-экономических условиях происходит развитие электромагнитных методов повышения урожайности.

Поэтому, повышение урожайности на 10—20% за счет электромагнитной стимуляции (без необходимости применения химических веществ) является крайне позитивным элементом в технологии получения экологически безопасной продукции.

Электромагнитная установка для предпосевной обработки семян последнего поколения имеет массу 8 кГ, размещается в существующей технологической цепочке: на выходе нории, питающего шнека, транспортера, протравителя ПС-10, Мобитокс и т. п.

Установка несложная и занимает 1—2 часа реального времени. Затем протравленные и обработанные в электромагнитном поле семена 3—4 дня «отлеживаются» для оптимизации биохимических процессов в них и высеваются стандартными высевающими агрегатами в поле. Обязательно оставляется контрольный участок и идентичным агрофоном.

В настоящее время предлагаются два основных типа электромагнитного оборудования с действующим фактором — градиентное магнитное поле:

Установка «Циклон-7», адаптированная для совместной работы с протравителем семян ПС-10 (20), «Мобитокс», производительностью до 10 тонн в час.

Универсальная установка «Циклон-30» на 30 тонн в час для ленточного транспортера шириной 500 мм (типа ТЗК), предназначенная для предпосадочной обработке клубней семенного картофеля, луковиц на выгонку пера, лука-севка, чеснока, луковиц гладиолусов, тюльпанов, лилии, маточников свеклы, черенков плодово-ягодных культур и другого посадочного биоматериала.

За 45 лет использования технологии предпосевной электромагнитной стимуляции семян имеется позитивный опыт применения практически во всех значимых регионах экс-СССР, странах Европы и Южной Америки.

Рассмотрению этого вопроса и применения разработанной нами техники — установок «Циклон» для предпосевной обработки семян в градиентном магнитном поле посвящен данный материал.

Связь электромагнитных технологий
с космическим растениеводством

Наши работы по использованию слабых физических факторов для стимуляции урожайности сельскохозяйственных растений и повышения качества урожая имеют более чем 35-ти летнюю историю и непосредственно связаны с развитием советской (ныне российской) космонавтики.

И в частности, с использованием растений в качестве биологического звена системы жизнеобеспечения — биологического поставщика кислорода для дыхания космонавтов, растительной пищи, а также для переработки твердых и жидких отходов жизнедеятельности космонавтов. Поэтому, будет уместно сообщить Вам некоторые исторические факты, касающиеся нашей работы и как она связана с настоящими событиями сегодняшней жизни в области сельскохозяйственной магнитобиологии.

Наши работы проводились в период 1978—1986 годов в Специальной научно-исследовательской лаборатории по усвоению атмосферного азота живыми организмами (СНИЛУА при Горьковском, ныне Нижегородском государственном Университете). Руководитель лаборатории — профессор Михаил Иванович Волский, один из главных экспертов по составу атмосферы космических кораблей академика Сергея Королева — главного конструктора советской ракетно-космической техники.

На фото 1979 г. сотрудников СНИЛУА при ГГУ профессор М.И.Волский в первом ряду третий справа, авторы материала во втором ряду (крайний справа С.Д.Кутис) и третьем ряду (крайняя слева Т.Л.Кутис).

Благодаря работам лаборатории профессора Михаила Волского, научно установившей факт необходимости молекулярного азота для нормальной жизнедеятельности человека и растений, атмосфера советских пилотируемых космических кораблей состоит из азота и кислорода. Позже американские ученые и конструкторы NASA также признали этот факт и сменили атмосферу своих пилотируемых космических аппаратов с гелий-кислородной на азотно-кислородную. Это позволило им догнать советские космические корабли по длительности пилотируемых полетов.

В средствах массовой информации широко освещался масштабный российский эксперимент по имитации полета на Марс длительностью 500 дней с международным экипажем в замкнутом «космическом корабле» на Земле. Его цель — имитировать поведение и самочувствие экипажа космического корабля в условиях полной изоляции от внешнего мира.

При этом основное внимание журналистов направлено на психологические аспекты поведения космонавтов в условиях длительной изоляции от всего мира. Однако, еще большую значимость имеет то, что остается за кадром и фокусом журналистского внимания: как реагирует на условия жизни в полностью замкнутом объеме космического корабля организм человека как биологического существа. Как он дышит, как питается, как перерабатываются отходы его жизнедеятельности, как в дальнейшем они используются в замкнутом объеме? Это имеет не менее важное значение, чем психологическое самочувствие космонавтов.

Нужно сказать, что этот масштабный проект 500-дней имитации полета на Марс, далеко не первый эксперимент такого рода в российской космонавтике Подобный эксперимент, длительностью 365 дней, проведенный в СССР более 40 лет назад описали в своей книге Божко А., Городинская В. «Год в звездолете». Москва, Издательство «Молодая Гвардия», 1975 г. Эта книга рассказывает о первом эксперименте, когда трое испытателей провели год в помещении, имитирующем кабину космического корабля.

Была сделала и сейчас делается работа колоссальной важности для длительных пилотируемых межпланетных полетов. Однако, что хорошо на Земле и околоземной орбите, совсем не так хорошо в дальнем космосе, где обитаемый космический корабль не защищен мощным магнитным полем Земли от действия космической радиации.

Всё усложняется еще и тем, что в атмосфере космического корабля, состоящей из азота и кислорода придется бороться с радиоактивным углеродом С14, который хоть и в малых дозах, но постоянно образуется при бомбардировке молекулярного азота атмосферы космического корабля солнечной радиацией из межпланетного пространства.

Опасность радиоактивного изотопа С14 обусловлена тем, что он встраивается во все биологические молекулы вместо стабильного изотопа С12, включая самые главные — молекулы ДНК, ответственные за хранение, использование и перенос в поколениях генетической информации.

Атмосфера из гелия и кислорода не имеет таких недостатков и не создает радиоактивный изотоп С14. Однако, как выяснилось исследованиями как американских, так и советских ученых гелий-кислородная атмосфера слабо пригодна для длительных космических полетов. При длительности свыше 14 суток в такой атмосфере космонавты испытывали серьезные отклонения в жизнедеятельности основных систем организма, вплоть до обмороков, что совершенно недопустимо для здоровья космонавтов и самого принципа пилотируемых полетов. Это была одна из причин, почему специалисты NASA пришли к выводу о замене гелий-кислородной атмосферы на азотно-кислородную, как в космических кораблях русских.

Кроме исследований влияния искусственных атмосфер с инертными газами (в основном с гелием и частично аргоном) на человека, также проводились эксперименты на животных, растениях и микроорганизмах.

Наша научная группа проводила именно эти исследования. В итоге выяснилось, что гелий-кислородная и гелий-аргон-кислородная атмосфера, эквивалентная по теплопроводности азотно-кислородной атмосфере действуют угнетающе на организм, системы органов, ткани и клетки животных и растений. Эти исследования также подтвердили, что молекулярный азот необходим для нормальной жизнедеятельности. Однако, детальные молекулярные механизмы этого явления неизвестны до сих пор, даже спустя 45 лет после проведения этих исследований.

Мы выяснили, что искусственные газовые атмосферы с инертными газами, имитирующие атмосферу космических кораблей для межпланетных (а в будущем и межзвездных полетов) угнетающе действуют на важное звено системы жизнеобеспечения космического корабля — высшие растения.

Посмотрите, например, как выглядят молодые проростки тыквы Cucurbito pepo, выросшие из семян в 20 л проточной камере с воздухом (контроль) и в 20 л проточной камере с гелий-аргоно-кислородной смесью, заменяющей по теплопроводности обычный воздух (опыт) после 138 часов эксперимента (декабрь 1981 г). Даже визуально отчетливо видно, что опытные растения имеют меньшую массу.

История создания установок серии «Циклон» для предпосевной обработки семян

Мы сразу отказались от применения химических стимуляторов роста и развития растений, хотя их реальное действие было доказано в земных условиях в азотно-кислородной атмосфере. Действие химических стимуляторов прямо или косвенно затрагивает молекулярно-генетические механизмы жизнедеятельности растений.

Было принято решение искать физические факторы, способные стимулировать процессы роста и развития растений. По научной литературе мы знали, что в СССР в интересах сельского хозяйства такие исследования проводятся с середины 1950-х годов.

Среди физических факторов, влияющих на скорость роста и развития высших растений, к моменту начала наших исследований в 1978 г были известны: гравитационное поле, электромагнитное поле различных диапазонов от гамма-излучения до радиочастотного дециметрового диапазона (гамма-радиация, рентгеновское излучение, ультрафиолетовое излучение, видимое оптическое излучение, особенно лазерное красное излучение с длиной волны 632,8 нм, концентрированное солнечное излучение полного спектра, инфракрасное излучение, радио-излучение от долей миллиметра до десятков сантиметров), электрическое поле коронного разряда, градиентное магнитное поле.

Оказалось, что в независимости от действующего физического фактора стимуляция роста и развития высших растений находилась в диапазоне +10%…+30% по отношению к контрольным растениям без обработки физическими факторами. То есть, наблюдается неспецифическая биологическая реакция стимуляции роста и развития высших растений на действие слабых физических факторов.

Этот уровень стимулирующего действия нас удовлетворял, ибо угнетающее воздействие атмосфер с инертными газами, которое мы зафиксировали в 14-ти экспериментах длительностью до 6—14 суток каждый выявили статистически достоверное угнетающее воздействие в диапазоне -10%…12%.

Для уточняющих исследований по причинам прикладной пригодности и относительной безопасности для персонала, отсутствию влияния на генетический код растений, мы выбрали лазерное излучение с длиной волны 632,8 нм, поле электрокоронного разряда с напряженностью 1—5 киловольт на сантиметр и градиентное магнитное поле с магнитной индукцией 2—20 миллитесл на сантиметр.

Проведенные нами лабораторные исследования выявили, что применение этих физических факторов полностью устраняет негативное влияние атмосфер с инертными газами на рост и развитие высших растений. Таким образом, наша прикладная задача была успешно выполнена. В ходе исследований мы приобрели значительный опыт конструирования и испытания техники для стимулирующего воздействия на сельскохозяйственные растения. Оказалось, что наши образцы техники по эффективности превышали все существующие на тот момент.

Производственные испытания установок «Циклон»

По согласованию с руководителем лаборатории профессором Михаилом Волским и его заместителем Евгением Волским (его сын) было принято решение испытать сконструированную нами технику в условиях реального сельскохозяйственного производства в средней полосе России — в Горьковской (ныне Нижегородской) области. Для проведения этих работ была изготовлена первая опытно-экспериментальная установка, схема которой приведена на (рис.1), которая позволяла проводить полевые исследования при действии на семена растений перед посевом: магнитным полем, электрокоронным полем, красным поляризованным и лазерным излучением как отдельно каждым физическим фактором, так и в комбинации друг с другом.

Вот фотография нашей самой первой комплексной установки, весьма неказистой на внешний вид, которую мы сделали непосредственно в совхозе «Краснобаковский», Краснобаковского района Горьковской области в апреле 1986 года, привезя из лаборатории необходимые комплектующие узлы и детали. В это время мы сами были сварщиками металлоконструкции установки, слесарями-сборщиками, электриками и операторами по обслуживанию этой установки. Всего весной 1986 г мы обработали на этой установке в разных режимах практически 150 тонн семян зерновых культур — ячменя, ржи и овса.

Оказалось, что наиболее эффективными и в тоже время недорогими являются магнитное поле и электрическое поле коронного разряда. На рис.2 и 3 Вы можете видеть изменение структуры урожая ячменя сорта Абава, под действием магнитного поля и электрокоронного разряда.

Рис.2 — при действии магнитного поля урожайность увеличилась на +33%, за счет увеличения количества продуктивных стеблей, несущих колос с наполненными зернами (+15%). Также увеличилась масса 1000 зерен (+7%), количество наполненных зерен в колосе (+9%).

Рис. 3 — при действии электрического поля коронного разряда урожайность увеличилась на +28%, в основном за счет увеличения количества продуктивных стеблей, несущих колос с наполненными зернами (+24%). Также увеличилась масса 1000 зерен (+6%), а количество наполненных зерен в колосе несколько уменьшилось (-2%), что однако не является статистически достоверным.

Экономическая эффективность электромагнитной обработки семян

Всего в первый год испытаний в 1986 г нами были обработаны перед посевом семена на площади 654 га, получено дополнительно 462,9 т зерна на сумму 63,6 тыс руб (в то время официальный курс рубля к доллару США был 1 руб=0,75 USD, то есть экономическая эффективность составила 63.600х0,75= 47.700 USD/654 га=73 USD/га

В следующем 1987 г мы повторили производственный эксперимент на усовершенствованной технике и провели электромагнитную обработку семян для площади 694 га. Было получено дополнительно 293,2 тонны зерна озимой ржи, ячменя и овса. Экономическая эффективность за вычетом затрат на проведение промышленного эксперимента составила 39.620 руб. В это время официальный курс рубля к доллару США был 1 руб=0,77 USD, то есть экономическая эффективность составила 39.620х0,77= 30.500 USD/694 га=44 USD/га. Ниже приведена Справка совхоза «Краснобаковский» по результатам этого производственного эксперимента.