Содержание к диссертации
Введение
1. Корнеотпрысковые сорные растения нижнего поволжья и способы борьбы с ними. цель и задачи исследования 16
1.1. Морфологические и биологические параметры и особенности корнеотпрысковых сорняков 16
1.2. Засорённость корн еотпры сковы ми сорняками сельскохозяйственных угодий Волгоградской области 23
1.3. Способы борьбы с корнеотпрысковыми сорняками 25
1.4. Сущность и технические средства электрического уничтожения корнеотпрысковых сорных растений 32
1.5. Электрическое воздействие на агрофитоценоз почвы 41
1.6. Цель и задачи исследования 43
2. Теоретическое обоснование параметров электроимпульсного воздействия на корнеотпрысковые сорные растения 46
2.1. Технология электроимпульсного воздействия на корнеотпрысковые сорные растения и обоснование объекта исследования 46
2.2. Теоретическое обоснование вариантов подведения энергии к корнеотпрысковым сорным растениям 49
2.3. Аналитические описание сопротивления цепи при уничтожении корнеотпрысковых сорняков электрическим током 53
2.4. Электропроводные свойства и параметры ткани корнеотпрысковых сорных растений 58
2.5. Определение параметров эквивалентной электрической схемы замещения тканей корнеотпрысковых сорняков как элемента разрядной цепи 62
2.6 Математическое описание процесса электроимпульсного воздействия на ткани корнеотпрысковых сорных растений 69
Выводы 78
3. Методика и результаты экспериментальных исследований 80
3.1. Экспериментальные установки высоких импульсных напряжений 80
3.1.1 Стационарная установка импульсного напряжения 81
3.1.2 Передвижная установка импульсного напряжения 86
3.2. Методика исследования электрофизических параметров сорных растений 90
3.2.1. Методика определения элементов эквивалентной электрической схемы замещения растительной ткани 90
3.2.2. Методика измерения сопротивления растительной ткани корнеотпрысковых сорняков по частоте 92
3.2.3 Методика определения степени повреждения растительной ткани корнеотпрысковых сорняков 97
3.2.4 Методика исследования сопротивления участков корнеотпрысковых сорных растений 98
3.3. Методика исследования сопротивления пути протекания тока повреждения корнеотпрысковых сорняков в полевых условиях 100
3.4. Методика исследования зависимостей степени повреждения растительной ткани корнеотпрысковых сорняков от параметров разрядного контура 101
3.5. Методика исследований в полевых условиях 103
3.6. Результаты исследований сопротивления неповреждённых тканей корнеотпрысковых сорняков 104
3.7. Результаты исследований изменения сопротивления тканей корнеотпрысковых сорняков при электрическом повреждении 112
3.8. Электрическое сопротивление цепи протекания тока обработки корнеотпрысковых сорняков 117
3.9. Чувствительность тканей корнеотпрысковых сорных растений к электроимпульсному воздействию 120
3.10. Исследование процесса электроимпульсного повреждения корнеотпрысковых сорняков 133
3.11. Оптимальные параметры электроимпульсного уничтожения трудноискоренимых сорных растений 142
3.12. Обработка результатов экспериментальных исследований 149
3.12.1. Число опытов и повторность измерений 149
3.12.2. Обработка опытных данных 150
Выводы 152
4. Технико-экономические показатели и энергетическая оценка электроимпульсного уничтожения корнеотпрысковых сорных растений 154
4.1. Перспектива применения электроимпульсной прополки в растениеводстве для уничтожения корнеотпрысковых сорняков 154
4.2. Функциональное построение, основные элементы и возможные электрические схемы установок для электроимпульсного уничтожения корнеотпрысковых сорных растений 156
4.3. Технико-экономические показатели электроимпульсного уничтожения корнеотпрысковых сорных растений 166
4.4. Энергетическая оценка электроимпульсного уничтожения корнеотпрысковых сорняков 174
Общие выводы 181
Список используемой литературы 184
Приложения 219
- Засорённость корн еотпры сковы ми сорняками сельскохозяйственных угодий Волгоградской области
- Теоретическое обоснование вариантов подведения энергии к корнеотпрысковым сорным растениям
- Методика исследования электрофизических параметров сорных растений
- Функциональное построение, основные элементы и возможные электрические схемы установок для электроимпульсного уничтожения корнеотпрысковых сорных растений
Введение к работе
Перевод сельскохозяйственного производства на различные формы хозяйствования с учетом биологических и экологических аспектов выполняемых в растениеводстве операций является важнейшим направлением современного земледелия. Такого рода мероприятия обеспечивают улучшение плодородия почв, дают возможность применять энергосберегающие, почвозащитные и интенсивные технологии возделывания сельскохозяйственных культур в различных почвенно-климатических зонах страны и особенно в регионах с рискованным земледелием, что в итоге сказывается как на повышении урожайности культур, так и производительности труда [29].
Большая засорённость сельскохозяйственных угодий серьёзно сдерживает проведение агротехнических мероприятий, направленных на повышение эффективности земледелия. Одним из наиболее важных элементов современной системы ведения хозяйства на земле является успешная борьба с сорняками.
Основной целью борьбы с сорняками является регулирование численности сорных растений в посевах и посадках, что приводит к снижению их количества до безопасного уровня экономического порога вредоносности. Реализовать поставленные задачи можно, если все методы и способы борьбы с сорными травами внедрять не отдельными приемами, а в совокупности, как комплексную систему, с учетом сохранения экологии окружающей среды.
Волгоградская область - одна из крупнейших областей Поволжского региона. Территория её составляет 11,3 млн. га, из них 8,8 занимают сельскохозяйственные угодья и 6,1 - обрабатываемые земли. В условиях области наибольший ущерб наносят корнеотпрысковые сорняки - осот
жёлтый, осот розовый (бодяк полевой), вьюнок полевой (берёзка), а также малолетники: щирица, марь, щетинник и овсюг [146].
Наиболее вредоносными и трудноискоренимыми сорными растениями являются корнеотпрысковые сорняки, основным ореолом распространения которых считаются земли центральных и южных областей России. Они обладают высокой экологической пластичностью, быстрым ритмом размножения и устойчивостью к неблагоприятным условиям. Это самые злостные и трудноискоренимые сорняки, их корни проникают в почву до 5...10 м, отпрыски прорастают с глубины более 1 м. В течение вегетационного периода корнеотпрысковые сорные растения образуют из почек, заложенных на корневой системе, молодую поросль (отпрыски). Новые растения могут образовываться от небольших отрезков и обломков корневой системы. От одного такого сорняка распространяются и укореняются во все стороны новые растения, в результате чего на полях возникают куртины этих сорных трав.
Развиваясь на сельскохозяйственных угодьях, корнеотпрысковые сорняки заглушают и угнетают посевы и посадки возделываемых культур. Корневые выделения этих сорных трав снижают всхожесть и рост культурных растений, одновременно с этим происходит интенсивное потребление питательных веществ из почвы. Так, один из наиболее злостных и наиболее распространенных корнеотпрысковых сорняков -осот розовый, образующий на 1 га порядка 4 т надземной и более 2 т подземной массы, поглощает из почвы 13 8 кг азота, 31 кг фосфора и 117 кг калия, Между тем для формирования только 1 т зерна расходуется 25 кг азота, 15 кг фосфора, 15 кг калия, то есть осот при средней засорённости полей потребляет из почвы такое количество питательных веществ, которого хватило бы для получения на каждом гектаре 31,8 ц зерна озимой пшеницы (или 200 ц корнеплодов сахарной свеклы) [29, 80].
Для борьбы с корнеотпрысковыми сорняками современное земледелие предусматривает применение интенсивных технологий, высокую степень механизации всех работ по их истреблению, комплексное использование достижений научно-технического прогресса, четкость и точность выполнения операций в определенные агротехникой сроки.
Возможности борьбы с сорняками в последнее время расширились за счет применения новых физических методов уничтожения сорной и нежелательной растительности, к которым относят применение высоковольтных импульсных воздействий, электрической энергии переменного тока высокого напряжения и т.д.
Для получения наилучших экономических показателей использования электроимпульсного уничтожения корнеотпрысковых сорняков необходимо, чтобы предлагаемая электротехнологическая операция была технологически эффективной, энергетически экономичной и выполнялась бы простыми и дешёвыми техническими средствами. Технологическая эффективность истребления сорных растений в первую очередь определяется надёжным, глубоким повреждением растительной ткани их корневой системы. Энергетические показатели зависят от минимального количества электрической энергии, которые необходимо затратить, для того чтобы величина повреждения обрабатываемых тканей сорняков достигла своего предельного значения. Сложность конструкции электротехнологического устройства и его стоимость в значительной мере определяется напряжением обработки: чем ниже напряжение, тем проще, дешевле и безопаснее проектируемые установки.
На основе изложенного поставлена цель исследования: повышение эффективности электропрогюлки за счёт расширения существующих технологических параметров и обоснования технических условий электроимпульсного уничтожения корнеотпрысковых сорняков.
В теоретических и экспериментальных исследованиях, направленных на достижение этой цели, решены следующие задачи:
- на основании литературных данных и патентного поиска изучить
возможность использования электрических импульсов высокого
напряжения для уничтожения корнеотпрысковых сорняков Нижнего
Поволжья и способы реализации предлагаемого метода;
обосновать сопротивления возможных цепей протекания тока обработки трудноискоренимых сорняков, выявить и исследовать наиболее эффективные из них;
исследовать электропроводные свойства растительных тканей участков корнеотпрысковых сорняков до и после их электроимпульсного повреждения;
- исследовать чувствительность тканей корнеотпрысковых сорняков
к электроимпульсному воздействию;
- исследовать технологические параметры и энергетические
характеристики электроимпульсного уничтожения сорняков;
обосновать, разработать и сформулировать технологические и технические условия на электроимпульсное устройство для уничтожения сорной растительности, навешиваемое на стандартный колёсный трактор;
выполнить лабораторные, полевые исследования и показать энергетическую и экономическую эффективность электроимпульсного уничтожения корнеотпрысковых сорняков.
Объектом исследования является совокупность корнеотпрысковых сорных растений, технических средств и технологических параметров электроимпульсного воздействия для выявления режимов, обеспечивающих повреждение и надёжное уничтожение сорняков при минимальном расходовании энергии и минимальном отрицательном влиянии на окружающую среду
Предметом исследования являлся процесс электроимпульсного уничтожения корнеотпрысковых сорных растений с целью обоснования его оптимальных технологических параметров.
Представленные в работе материалы являются итогом исследований автора, выполненных индивидуально и совместно с другими исследователями по всероссийским и региональным программам и планам: «Система ведения агропромышленного производства Волгоградской области» на 1996...2010 гг.; координационная программа научно-исследовательских работ на 1998...2003 г.г. по выполнению задания РАСХН «Разработать агроэкологические основы интегрированной системы мер борьбы с сорными растениями в адаптивно-ландшафтных системах земледелия».
Методики исследования. Для достижения поставленной цели и решения сформулированных задач использован методологический приём академика В.П. Горячкина, в соответствии с которым все электро- и биофизические процессы, а так же технические вопросы и решения исследовались экспериментально и теоретически как взаимосвязанные составляющие одного целого, как единая система взаимодействия трёх основных элементов электроимпульсного воздействия: источника импульсного напряжения, элементов подведения электрической энергии к объекту воздействия и самого объекта обработки - сорного растения. Работа содержит последовательное логичное сочетание теоретических и экспериментальных исследований. Сначала рассматривались известные представления о процессе или явлении, на их основе разрабатывались теоретические положения, гипотезы и решения для исследуемой электротехнологической операции, которые затем проверялись экспериментально. В соответствии с полученными результатами экспериментов выполнялась корректировка ранее предложенных
1]
теоретических представлений, после чего проводились уточняющие экспериментальные исследования.
При теоретической разработке математических моделей процессов электроимпульсной обработки сорных растительных объектов использован классический математический анализ и численные методы решения задач на ПЭВМ с использованием математической программы MathCAD 2001 Pro.
Экспериментальные исследования электрофизических свойств и параметров живых и повреждённых растительных тканей корнеотпрысковых сорняков проведены с использованием электроизмерительной аппаратуры и приборов. Процессы электрического воздействия на растительные объекты исследовались с использованием как специально, так и промышленно изготовленных высоковольтных установок, измерительных приспособлений, устройств, приборов, которые соответствовали требованиям техники высоких напряжений.
Результаты экспериментальных исследований подвергались статистической обработке, в том числе и с использованием ПЭВМ с прикладными программами MathCAD 2001 Pro, EXCEL 7.0, SPSS v.10.07.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- выявлено, что наиболее эффективным является использование
навесной системы электродов, а в некоторых случаях уничтожения
корнеотпрысковых сорняков необходимо применение комбинированной
системы, состоящей из навесных и заглубленных в почву электродов;
- установлено, что сопротивление цепи протекания тока обработки в
зависимости от влажности почвы убывает по степенной зависимости, а
при увеличении высоты подвеса электродов - возрастает по степенной
зависимости;
- выявлено, что ткани корневой системы корнеотпрысковых
сорняков обладают наибольшим электрическим сопротивлением, и что в
процессе их развития удельное электрическое сопротивление этих тканей возрастает;
- исследованы энергетические и технологические характеристики
электроимпульсного воздействия на трудноискоренимые сорные растения
и определены оптимальные параметры способа их уничтожения.
Реализация результатов исследований. Результаты исследований процесса электроимпульсного уничтожения корнеотпрысковой сорной растительности представляют собой технологическую основу для формулировки технических условий и последующей разработки конструкторской документации на изготовление специальных электроимпульсных установок.
В областное ОАО «Волгоградский завод оросительной техники» переданы разработанные материалы на изготовление опытной установки для электроимпульсного уничтожения трудноискоренимых сорняков.
Результаты исследований и экспериментальные установки включены в лабораторно-практический цикл занятий со студентами факультета электрификации с. х. по дисциплине «Светотехника и электротехнология в с.х,».
Совместно с коллективом авторов написана монография по теме научных исследований «Свойства и параметры сорных растений как объектов электрической прополки; биологические особенности и электрофизические свойства»,
Практическую ценность работы составляют:
- выявленные наиболее эффективные способы подведения энергии к
трудноискоренимым сорнякам, это: «навесной электрод- стебель растения
- корень растения - почва - заглубленный электрод» и «первый навесной
электрод - стебель одного растения - корень растения - почва - корень
другого растения - стебель этого растения - второй навесной электрод» и
определённые экспериментальным путём значения сопротивления этих цепей в зависимости от высоты подвеса электродов и влажности почвы;
предлагаемая система навесных электродов должна быть секционированной, так как в общем массиве сорняков наблюдается большой разброс сопротивлений отдельных сорных растений;
численные значения напряжённости электрического поля в растительной ткани корнеотпрысковых сорняков;
- удельные значения расхода энергии на повреждение
трудноискоренимой сорной растительности;
- оптимальные технологические параметры способа уничтожения
корнеотпрысковых сорных трав и технические условия на устройство для
электро прополки.
На защиту выносятся следующие основные положения работы:
Теоретическое обоснование вариантов подведения электрической энергии к корнеотпрысковым сорнякам и результаты исследования сопротивления выявленных цепей протекания тока обработки;
Теоретические зависимости степени повреждения от параметров разрядной цепи и энергии повреждения ткани корнеотпрысковых сорных растений различной чувствительности к электрическому воздействию;
Методика и результаты исследования электрофизических свойств и параметров растительных тканей корнеотпрысковых сорняков, как объектов электроимпульсного воздействия и как элемента разрядной цепи;
Результаты исследования удельных энергетических показателей надёжного, необратимого повреждения трудноискореиимых сорняков;
5. Технологические параметры процесса электрического
уничтожения корнеотпрысковых сорных растений и технические условия
на устройство для его осуществления.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований по теме работы доложены, обсуждены и одобрены на:
ежегодных научных и научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГСХА по итогам научно-исследовательской работы за 2001...2006 г.г.; Международной научно-практической конференции «Проблемы научного обеспечения и экономической эффективности орошаемого земледелия в рыночных условиях», ВГСХА, г. Волгоград, 2001г.; Научно-практической конференции «Агроинженерная наука - сельскохозяйственному производству», МГАУ, г. Москва, 2001 г; 2-ой Российской научно-практической конференции «Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе», СГАУ, г. Ставрополь, 2003г.; Международной научно-практической конференции «Основы достижения устойчивого развития сельского хозяйства» посвященной 60-ю ВГСХА, г. Волгоград, 2004г.; 55-й и 57-й международных научно-практических конференциях «Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе», КГСХА, г. Кострома, 2004г. и 2006 г.; Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития АПК» посвященной 60-ю Победы в Великой Отечественной войне, ВГСХА, г, Волгоград, 2005г.; Международной научно-практической конференции «Ульяновские чтения 2005» посвященной 100-летию со дня рождения профессора Алексея Фёдоровича Ульянова, СГАУ, г. Саратов, 2005г.; Международной научно-технической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству», ЧГАУ, г. Челябинск, 2006 г.
Научно-методическими основами настоящего исследования послужили труды ведущих учёных по фундаментальным и прикладным вопросам электрификации с.х. производства, земледелию, защите растений и другим отраслям знаний Артемьева Н.А., Баєва В.И., Басова A.M., Бородина И.Ф., Владимирова Ю.А., Вяземского Т.П., Евреинова М.Г., Ерошенко Г.П., Живописцева Е.Н., Казакевича Л.И., Климова А.А., Котта С.А., Кудрявцева И.Ф,, Ларионова В.П., Листова П.Н., Лялина О.О.,
Ляпина В.Г., Мальцева А.И., Мартыненко И.И., Маслоброда С.Н., Мешкова А.А., Мичурина И.В., Прищепа Л.Г., Рубина А.Б., Савчука В.Н., Свнталки П.И., Спирина А.А,, Тарусова Б.Н., Тарушкина В.И., Трофимовой Н.Б., Усаковского В.М., Чизмаджева Ю.А., Червякова Д.М. и других.
Место выполнения. Работа выполнена в Волгоградской государственной сельскохозяйственной академии в период с 2001 по 2006 гг. Лабораторные экспериментальные исследования проводились на кафедре «Электроснабжение с,х. и ТОЭ» ВГСХА. Полевые исследования были выполнены на полях ОПХ «Орошаемое».
Публикации. Основное содержание работы отражено в 15 публикациях, в том числе в монографии, в сборниках трудов, в материалах конференций и в трёх изданиях, указанных в «Перечне.,.» ВАК,
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Она содержит 183 страницы основного текста, 37 рисунков, 10 таблиц и список литературы из 322 наименований, в том числе 43 на иностранных языках.
Засорённость корн еотпры сковы ми сорняками сельскохозяйственных угодий Волгоградской области
В последние годы в Волгоградской области, как и в других регионах Российской Федерации, наблюдается устойчивая тенденция к увеличению засорённости посадок и посевов сельскохозяйственных культур. Ухудшение экономического положения хозяйств области, характеризующееся сокращением профилактических и защитных противосорняковых мероприятий, только способствует этому. Анализ засорённости сельскохозяйственных угодий рассматриваемыми корнеотпрысковыми сорными растениями сделан на основании результатов летних обследований земель Волгоградской области в 1998,..2005 г., проведённых станцией защиты растений. Данные представлены в таблице № 1.2. Анализ показывает, что за семь лет существенного сокращения засорённости корнеотпрысковыми сорными травами земель в области не наблюдается. Более того, основной бич полей - осот, не уменьшая ореола своего распространения, ежегодно образовывает куртины хронически засорённых земель, тем самым, усложняя последующую обработку почвы и сокращая урожаи. Анализируя распространение корнеотпрысковых сорняков в посадках и посевах можно отметить, что осоты и вьюнок устойчиво засоряют со средней степенью тяжести посевы зерновых в области, кормовых трав, овощных и бахчевых культур. Это можно проследить, анализируя данные таблицы № 1,3. В 2005 году посевная площадь составляла 4535,7 тыс. га в 33 районах области, где обследовано было 1308,8 тыс. га сельскохозяйственных угодий, что соответствует 28,9% от посевной площади. Площади под посевы и посадки соответственно составили: пшеница озимая - 893,0 тыс. га; рожь озимая - 126,4 тыс. га; пшеница яровая - 240,5 тыс. га; ячмень - 521,8 тыс. га; кукуруза - 38,3 тыс. га; подсолнечник - 661,0 тыс. га; горчица - 35,2 тыс. га; кормовые травы -129,0 тыс. га; овощи - 4,1 тыс. га; картофель - 1,1 тыс. га; бахчи - 44,2 тыс. га; пары - 1650,0 тыс. га. Анализ вышеприведённых таблиц позволяет подтвердить заключение о том, что основными засорителями сельскохозяйственных земель Волгоградской области являются вьюнок полевой и осоты (розовый и полевой), но на отдельных культурах и парах серьёзную опасность представляют растения молокана татарского и молочая лозного. Цифры, отражающие степень распространения корнеотпрысковых сорняков, свидетельствуют о том, что действенных мероприятий по снижению этих трудноискоренимых сорных трав пока не применяется или же используются способы борьбы с привлечением неэффективных препаратов и агрегатов.
Разработку действенного способа борьбы с корнеотпрысковыми сорными растениями следует рассматривать лишь серьёзно изучив уже существующие мероприятия по уничтожению этих злостных сорняков.
В общей системе мер борьбы с сорняками различных биологических видов главную роль играет механическая обработка почвы, второе место отводится гербицидам и третье - промежуточным культурам. Их соотношение определяется следующими цифрами 1:0,75:0,5 [29],
Чтобы истребить сорные растения корнеотпрыскового типа применяют систему мероприятий, совокупность реализации которых препятствует процессу фотосинтеза в тканях этих сорняков в весеннее и летне-осеннее время. Это достигается максимально возможным механическим дроблением или полным уничтожением их подземных органов на возможно большую глубину, как с использованием традиционно применяемых механических устройств, так и при помощи химических средств, и тем самым создаются условия для окончательного подавления названных сорных трав посевами или естественными травостоями [188].
Вьюнок полевой. К числу механических мер борьбы с вьюнком следует отнести глубокое подрезание корневой системы, после чего отпрыски появляются медленно и в меньшем количестве. Мелкие обработки, наоборот, способствуют усилению засоренности. Подавление и ослабление сорняка достигается в густых посевах многолетних трав, озимых, кормовых сплошного сева. Хорошие результаты дает паровая обработка в сочетании с гербицидами группы 2,4-Д, лонтрелом, банвелом и др. [29,39, 167, 188].
Молокан татарский (латук). Способность молокана татарского к неоднократной регенерации надземных побегов требует тщательного выполнения агротехнических мероприятий по борьбе с ним. После уборки предшественника проводят лущение лемешными лущильниками на глубину 8...10 см, затем повторное лущение на глубину 12...14 см и глубокую зяблевую вспашку на 25...27 см. В борьбе с латуком важная роль принадлежит черным парам, где глубокие обработки сочетают с разноглубинной обработкой культиваторами (до 8 раз). Из-за сильного распыления почвы в последние годы находит широкое применение сочетание обработок с опрыскиванием гербицидами. Определенных успехов в подавлении молокана можно добиться при высеве высококонкурентных культур сплошного сева (озимых, кормовых) в сочетании с обработкой гербицидами. Эффективны препараты: банвел, тордон, лонтрел в смеси с 2,4-Д [29, 39, 167, 188].
Молочай Вальдштейна, лозный. Основные меры борьбы с молочаями - это тщательное соблюдение систем основной и предпосевной, обработок, особенно против молочаев-многолетников, проведение предупредительных мероприятий: нельзя допускать обсеменения не только на полях, но и на участках несельскохозяйственного пользования. К большинству гербицидов молочаи устойчивы [29, 39, 167, 188].
Осот полевой, желтый. Основа борьбы с осотом желтым -постоянное истощение корневой системы и предупреждение нового образования корней. Особенно эффективна глубокая обработка с культивациями и лущением отвальными лущильниками. Это достигается в чистых и занятых парах с последующим посевом озимых, особенно озимой ржи, которая сильно подавляет осот. Для борьбы с этим сорняком применяют гербициды 2,4-Д в сочетании с лоитрелом [29,39, 167, 188].
Осот розовый (бодяк полевой). В борьбе с осотом розовым широко практикуют агротехнические мероприятия. Лущение следом за уборкой культур обеспечивает ликвидацию сравнительно слабых молодых растений, выросших из семян. Против хорошо развитых растений используют метод истощения, который включает многократные поверхностные обработки с глубокой подрезкой корневой системы. Подрезание корневой системы ускоряет пробуждение почек возобновления, ослабевает и истощает жизнеспособность растений. Наибольший успех в уничтожении этого сорняка достигается при сочетании механических и химических приемов. В посевах культур осот хорошо подавляется гербицидами 2,4-Д, 2М-4ХП, а также их смесями [29, 39,167, 188].
Теоретическое обоснование вариантов подведения энергии к корнеотпрысковым сорным растениям
При электроимпульсном уничтожении корнеотпрысковых сорных растений обязательно необходимо учитывать способ подведения электрической энергии к объекту обработки и пути протекания тока по тканям сорняков и почве. На наш взгляд именно эти факторы определят технологическую эффективность как предполагаемого способа борьбы с сорняками, так и установки, с помощью которой он будет реал изо вываться.
В работах ряда авторов рассматривался вопрос о контактировании электродных систем с объектом обработки [121, 155, 156], а проведённый анализ позволял выбрать вариант контактирования, классифицировать уже применяемые электродные системы и выделить среди них удобную форму используемых электродов. Серьёзный же синтез новых, конструктивно простых и высокоэффективных электродных систем пока ещё не осуществлялся.
При уничтожении корнеотпрысковых сорняков интерес представляет возможность анализа цепей протекания тока обработки в зависимости от способа подведения электрической энергии, и от того, какой вариант контактирования электродной системы с этими сорными растениями будет более технологически эффективным и энергетически менее затратным.
Вариант с обработкой только корневой системы корнеотпрысковых сорняков кажется наиболее эффективным, так как при таком электрическом воздействии максимально повреждается основной эпицентр размножения сорного растения (рис. 2.1, а). Цепь протекания тока обработки включает в себя корни сорняков и почву, которые обладают большим суммарным сопротивлением. Техническая реализация этого варианта будет достаточно сложной, так как придётся использовать только электроды заглубленные в почву, что увеличит в несколько раз суммарные затраты энергии на перемещение агрегата. Следует так же учитывать и то, что обработка может проводиться только при значениях влажности почвы существенно меньше влажности корней, так как в противном случае возможно протекание тока только по увлажнённому почвенному слою минуя обрабатываемые участки корневой системы. Кроме того, при борьбе с корнеотпрысковыми сорными растениями необходимо использовать варианты заглубленных электродов, которые не очень сильно дробят корневую систему сорняков на отдельные фрагменты и не приводят к оборачиванию почвенного пласта. Это важно учитывать, так как на части корней расположенных на глубине, где проходит граница электрической обработки, будет оказываться не угнетающее, а стимулирующее воздействие импульсного тока. Оказавшись в результате перемещения ближе к поверхности, эти фрагменты дадут обильную корневую поросль. Повреждённые же участки корневой системы, которые остались в земле, загнивают и служат основой для образования органических удобрений.
При следующем способе обработки в цепь протекания тока уже оказывается включенным всё растение (рис. 2.1 ,б). Реализуется этот вариант путём контактирования навесного электрода с надземной частью сорняка, а заглубленного в почву электрода - с корневой системой. Доза электрической энергии должна выбираться такой, чтобы в первую очередь добиться угнетения и гибели подземных органов размножения сорных растений. Такое воздействие обязательно повредит и листостебельную массу растений, так как нами установлено и в дальнейшем будет показано, что значение энергии обработки корневой системы больше летальной дозы необходимой для уничтожения надземной части. Данный вариант подведения электрической энергии также как и ранее рассмотренный характеризуется дополнительными затратами энергии на перемещение заглубленного электрода.
Избежать затрат энергии на перемещение электрода находящегося в почве и одновременно, с этим добиться угнетения и гибели корневой системы обрабатываемых сорняков можно если использовать навесные электроды, которые контактируют одновременно с несколькими растениями (рис. 2.І, в). При таком варианте взаимодействия электродов и объектов обработки организуется следующая цепь протекания тока: первый навесной электрод - листостебельная часть одного растения -корневая система этого же растения - почва - корневая система другого растения - листостебельная часть другого растения - второй навесной электрод. Этот способ подведения электрической энергии к растению требует её повышенного расхода, так как суммарное сопротивление цепи обработки увеличивается вдвое по сравнению с последним рассмотренным вариантом. Такая обработка почвы с целью уничтожения корнеотпрысковых сорных растений представляет собой вариант использования «безпахотной» системы земледелия, что должно сказаться положительно на улучшении структуры почвы и на качественном очищении сельскохозяйственных угодий от сорняков. Рассмотренный вариант обработки может использоваться для борьбы с корнеотпрысковыми сорняками, как в посевах культурных растений, так и для сплошной обработки засорённых земельных площадей.
Из изложенного следует, что наиболее эффективным будет вариант обработки только корневой системы, которую в большинстве случаев нельзя осуществить без использования хотя бы одного заглубленного в почву электрода. Это определяется тем, что элементы корневой системы должны подвергаться продольному воздействию протекающего по ним тока. Но одновременно с этим перемещение заглубленного в почву электрода создаст дополнительное тяговое сопротивление. С точки зрения снижения потерь на перемещение агрегата по засорённому массиву электродные системы, на наш взгляд, должны быть именно надземного исполнения.
Методика исследования электрофизических параметров сорных растений
При исследовании эквивалентной электрической схемы замещения растительной ткани и дальнейшем определении значений составляющих её элементов, использовалась известная из биофизики методика изучения нервных клеток животных, которая основана на анализе реакции клеток после подачи на неё прямоугольного импульса напряжения через введённый внутрь микроэлектрод [36, 101, 238]. Возможность применения этого метода исследования для изучения свойств и параметров растительных объектов обоснована и доказана в работах целого ряда авторов [18, 97, 189,246].
В лабораторных экспериментах использовались фрагменты стеблевой части и корневой системы корнеотпрысковых сорняков, которые вырезались при помощи хирургического скальпеля из целого растения и помещались в измерительную камеру между неполяризующимися иммерсионными электродами. Прямоугольные
импульсы напряжения амплитудой от 1 до З В с выхода генератора типа Г5-54 подавались через шунт Кш на закреплённый в межэлектродном промежутке исследуемый образец растительной ткани. Начальное значение амплитуды измерительных импульсов напряжения прикладываемых к живой растительной ткани выбиралось таким, чтобы плотность тока протекающего по биологическому объекту не повреждала и не травмировала его. Величина измерительного напряжения ранее уже была обоснована исследователями и в зависимости от геометрических размеров растительного образца принималась равной U= 1...10 В [18, 36, 97, 101, 133, 189, 190, 239, 241]. Формы кривых тока, протекающего по фрагменту стебля или корня сорного растения, и напряжения, прикладываемого к образцам, регистрировались осциллографом типа С1-81. Схема опыта показана на рис. 3.6.
Для удобства последующей математической обработки кривые тока и напряжения фотографировались при помощи аппарата «Зенит Е», Формулы для расчёта элементов электрической схемы замещения с использованием полученных осциллограмм рассмотрены в главе 2. Данный способ позволяет определить параметры схемы замещения, как неповреждённой растительной ткани сорняков, так и ткани растений которые подвергаются обработке электрической энергией.
Для осциллографирования использовался шунт величиной Кш= 10 кОм изготовленный по коаксиальному типу. В медную трубку диаметром 10 мм и длиной 50 мм помещалось малоиндуктивное сопротивление типа УЛИ, величина которого определялась при помощи моста постоянного тока типа Р-33 (с классом точности 0,2). Для качественного соединения с коаксиальным кабелем типа РК-50 с одной из сторон трубки была нарезана внутренняя резьба с диаметром равным диаметру резьбы коаксиального разъёма. В качестве неполяризующихся иммерсионных электродов использовались бронзовые электроды в виде стержней с фетровыми накладками, которые периодически смачивались 5% раствором NaCl.
Экспериментальные исследования по снятию зависимости сопротивления растительной ткани от частоты измерительного тока проводились по стандартной методике, описанной в работах [] 8, 76, 97, 98, 102, 103, 108, 131, 133, 148, 169, 239, 261]. Измерительный комплекс, схема которого представлена на рисунке 3.6, состоял из низкочастотного генератора сигналов типа ГЗ-102 с выходным напряжением 5 В и регулируемой частотой; мостовой схемы, в плечи сравнения которой включены малоиндуктивные сопротивления типа УЛИ, а в измерительное плечо при помощи электродов - сопротивление участка сорного растения; выпрямительной схемы на диодах ДЮ4 и прибора М24 в качестве нуль-индикатора. Погрешность измерения сопротивления оценивалось по измерению образцовых сопротивлений и не превышала 10%.
Одним из главных элементов такого рода экспериментальных установок является система электродов, при помощи которых к растительной ткани подводится измерительное напряжение.
Как известно неидеальные проводники, проводники второго рода, к которым можно отнести и биологические ткани, под действием электрического поля поляризуются. Это особенно проявляется в местах контактирования исследуемых объектов с измерительными электродами. При таком контакте образуется дополнительная поляризационная ёмкость или э.д.с., которые вносят искажения в получаемую информацию. Для того чтобы избежать такого влияния на результаты исследования обычно либо выбирается соответствующая частота переменного измерительного тока достаточная для исчезновения поляризации, либо применяются неполяризующиеся электродные системы.
Одним из вариантов снижения влияния поляризационных явлений на результаты измерений является правильный выбор материала измерительных электродов и их конструкции. Материал электродов оказывает влияние на величину поляризационного сопротивления. Для таких металлов как Zn, Cd, Pb, Au, Sn, Mo, Co, W и Cr оно очень велико и эти металлы для измерительных электродов малопригодны. Такие металлы как Fe, Си, Ni, Al, Ag обладают поляризационным сопротивлением порядка 2 Ом. Тантал имеет поляризационное сопротивление около 0,28 Ом, гладкие металлы: платина, палладий и родий - 0,19 Ом, монель-металл - 0,15 Ом, а титан - 0,13 Ом. Часто используют, предложенные Кольраушем платиновые электроды, покрытые платиновой чернью с практически нулевым поляризационным сопротивлением.
Функциональное построение, основные элементы и возможные электрические схемы установок для электроимпульсного уничтожения корнеотпрысковых сорных растений
Результаты проведённых исследований, анализ существующих и предлагаемых другими исследователями моделей электрических прополыциков [25, 121, 155, 156, 207, 208, 209] позволяют определить их основные элементы и объяснить структурное построение рациональной конструкции и схемы агрегата для уничтожения сорняков электрическими импульсами высокого напряжения [25, 269], Разрабатываемая установка должна быть мобильной, простой и дешёвой в эксплуатации, надёжной и безопасной в работе. Принципиально устройство состоит из трёх основных структурных блоков: силовой установіш перемещения, источника электроэнергии и устройства подведения электроэнергии к объекту обработки.
Силовая установка для обеспечения мобильности устройства может быть выполнена по двум вариантам: специальная самостоятельная силовая установка или трактор промышленного производства. Первый вариант может быть предпочтительнее из-за более точного соответствия её параметров требованиям технологического процесса. Ио из-за очень низкого коэффициента использования установки по времени эксплуатации этот вариант неприемлем. Второй вариант такого недостатка лишён, и поэтому он предпочтительнее. При этом возможно использование как гусеничного, так и колёсного трактора. Поскольку уничтожение сорняков может производиться на участках без посевов, например, паровые поля, и в междурядьях культурных растений, то для обеспечения маневренности и мобильности агрегата в качестве силовой установки перемещения следует брать колёсный трактор.
В качестве первичного источника электрической энергии на агрегате принципиально могут быть: аккумуляторная батарея большой ёмкости, генератор постоянного тока или синхронный генератор. Дороговизна и сложность эксплуатации аккумуляторной батареи делают первый вариант практически неприемлемым. Генератор постоянного тока из-за его сравнительно высокой стоимости и сложности преобразования низкого напряжения постоянного тока в высокое также использовать не целесообразно. Наилучшим же является вариант с синхронным генератором, имеющим относительно малую стоимость, позволяющий с помощью обычного повышающего трансформатора получить любое высокое напряжение, необходимое для технологического процесса.
Для привода синхронного генератора возможно использование или специального первичного двигателя внутреннего сгорания, или вала отбора мощности самого колёсного трактора. В первом варианте на агрегате будет две самостоятельных энергетических установки (двигатель трактора и двигатель привода синхронного генератора), что усложнит и конструкцию агрегата, и его эксплуатацию. При использовании же вала отбора мощности трактора эти недостатки существенно уменьшатся и поэтому такой вариант предпочтительней.
Исследованиями различных авторов установлено, что для уничтожения сорняков необходимо напряжение до 20...30 кВ [11, 12, 155, 261]. Поэтому нагрузкой синхронного генератора, вырабатывающего переменное напряжение 220/380 В, должен быть преобразователь, основным элементом которого является повышающий трансформатор. При импульсной же обработке сорных растений кроме трансформатора необходимо использование выпрямителя, умножителя напряжения и формирователя импульсов или импульсного трансформатора с электронным блоком управления.
Чрезвычайно важным является третий блок агрегата - устройство подведения электроэнергии к растениям. Принципиально такой блок представляет собой систему электродов для одного из следующих возможных вариантов обработки корнеотпрысковых сорняков: 1) один навесной электрод - сорное растение - корневая система этого растения -почва - корневая система другого сорного растения - другое сорное растение - второй навесной электрод; 2) один навесной электрод - сорное растение - корневая система растения - почва - заглубленный электрод.
Выбор варианта подвода электрической энергии к сорным растениям обосновывается в соответствии с технологией возделываемых культурных растений, местных почвенных условий, видов и периодов развития произрастающих сорняков. Для навесных электродов следует использовать токопроводящие штанги, бруски, металлические стержни или сложные конструкции, позволяющие копировать рельеф местности и более эффективно воздействовать на скопления сорняков [121, 156, 209]. В качестве заглубленных электродов требуется использовать конструкции, позволяющие осуществлять хороший электрический контакт с землёй или с корнями растений, но при этом они должны создавать как меньшее дополнительное сопротивление перемещению агрегата. Для этого следует использовать культиваторные лапы, ножи, щелеватели или электроды специальной конструкции [121, 209].
При выборе способа подведения энергии следует иметь ввиду, что при первом варианте для эффективного уничтожения сорняков потребуется более высокое рабочее напряжение, чем в остальных случаях, что усложнит и удорожит блок питания агрегата. Во втором варианте необходимо напряжение несколько меньше, но подпочвенное перемещение электрода потребует больших (на 10...15%) суммарных энергетических затрат. Поэтому предпочтение следует отдать надземному варианту подведения энергии к сорным растениям, хотя более надёжное уничтожение корневой системы возможно при наличии заглубленного в почву электрода.
