Способ обработки почвы и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2439868:
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Челябинская государственная агроинженерная академия" (RU)
Способ включает обработку почвы импульсной электромагнитной волной с правосторонней эллиптической поляризацией при плотности потока энергии 1-1500 Дж/м2. В почву до обработки вносят органические остатки и удобрения, преимущественно навоз. Устройство содержит модулятор, подключенный к генератору высокочастотных колебаний, блок задания режимов работы и антенный тракт с излучателем. Соответствующий выход блока задания режимов работы связан с входом модулятора. Излучатель содержит излучающие элементы. Устройство дополнительно содержит переключатель с одним высокочастотным входом и высокочастотными выходами и блок управления переключателем. Выход блока задания режимов соединен с входом блока управления переключателем. Выход блока управления переключателем соединен с управляющим входом переключателя, соответствующие выходы которого соединены с излучающими элементами. Такие технология и конструкция позволят повысить содержание в почве доступных для растений питательных веществ и гумуса. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.
Изобретения относятся к области сельского хозяйства, преимущественно к земледелию, и используются для повышения урожая за счет обогащения почвы азотом и другими питательными веществами, а также для создания установки для обработки почвы.
Известен способ обработки почвы путем воздействия на нее электрическим разрядом, в котором с целью повышения эффективности за счет увеличения количества усвояемых форм азота в почве и увеличения объема обрабатываемой почвы обработку осуществляют кистевым электрическим разрядом, создаваемым непосредственно в пахотном слое почвы [Авт. свид. СССР №740173, М. Кл.2 А01В 47/00, 1980].
Недостатками этого способа являются трудности создания электрического разряда в пахотном слое почвы при движении установки по полю и обеспечения надежной работы устройства; значительные энергозатраты (8,5 Дж/кг почвы); малая производительность.
Наиболее близким к заявленному способу по совокупности признаков является взятый за прототип способ повышения урожая культуры за счет обработки почвы импульсным потоком электромагнитной энергии с плотностью потока энергии, достаточной для гибели или ослабления сорной растительности [Заявка Великобритании №1419429, МКИ А01М 21/04, 1975].
По сравнению с вышеописанным аналогом данный способ обеспечивает бесконтактный подвод электромагнитной энергии в обрабатываемый слой почвы.
Недостатками данного способа являются:
- значительные энергозатраты на реализацию способа 1,0-1,5 МДж/м2 [Шустов В.И. Эффективность применения СВЧ-установок для борьбы с сорной растительностью. // Использование СВЧ-энергии в с.-х. производстве: Сб. науч. тр. / ВНИПТИМЭСХ. Зерноград. С.86-101], что не позволяет создать высокопроизводительные установки и делает данный способ неэффективным как с энергетической, так и с экономической точек зрения;
- отрицательное воздействие на почвенные микроорганизмы, вследствие нагрева поверхностного слоя почвы до температуры гибели растений. Так, например, обработка снижает активность нитрификаторов.
Известно устройство для обработки почвы потоком электромагнитного излучения [Заявка Великобритании №1419429, МКИ А01М 21/04, 1975], которое включает источник питания, СВЧ-генератор, антенный тракт, устройство излучения (излучатель) и устройство контроля проходящей СВЧ-мощности, установленные на мобильную платформу.
Недостатком данного устройства является невозможность получения при работе в импульсном режиме высокой импульсной плотности потока мощности (ППМ) на поверхности почвы при большой эффективной площади излучателей. Импульсная ППМ ограничивается мощностью импульсных генераторов электромагнитной энергии (ЭМЭ), что не позволяет увеличивать площадь одновременно обрабатываемого участка почвы без ее снижения. Несоответствие характеристик импульсного СВЧ-генератора по оптимальному соотношению средней и импульсной мощностей требованиям технологического процесса обработки почвы приводит к снижению эффективности использования СВЧ-генератора и энергетической эффективности технологии.
Наиболее близким к заявленному в группе изобретению по совокупности признаков является устройство для стимуляции и/или коррекции функционального состояния биологического объекта [RU 2033210 С1, МПК 7 А61N 5/02], содержащее модулятор, подключенный к генератору СВЧ, антенный тракт, выполненный в виде направленного ответвителя с выходами, с каждым из которых связаны соответствующие последовательно включенные фазовращатель и излучатель, блок управления фазовращателями и блок задания режимов работы. Излучатели выполнены в виде фазированной антенной решетки, что позволяет создать случайно изменяющуюся диаграмму направленности излучателей и повысить эффективность работы.
Недостатком данного устройства является невозможность получения при работе в импульсном режиме высокой импульсной плотности потока мощности (ППМ) на поверхности почвы при большой эффективной площади излучателей и ограниченной мощности генератора ЭМЭ. Кроме того, при использовании данного устройства для обработки почвы и других объектов, находящихся в непосредственной близости от раскрыва фазированной антенны (расстояние меньше длины волны), диаграмма направленности не может быть сформирована, а каждый излучатель антенны работает независимо от других. Это не позволяет сконцентрировать излучаемую антенной решеткой энергию на отдельном участке почвы.
Целью изобретений является повышение эффективности обработки почвы за счет увеличения количества усвояемых форм азота и других питательных веществ в почве при снижении энергозатрат, а также создание высокопроизводительной установки для обработки почвы импульсным потоком ЭМЭ.
Поставленная цель достигается способом обработки почвы путем воздействия на нее импульсным потоком электромагнитной энергии, в котором в отличие от прототипа обработку осуществляют электромагнитными волнами с правосторонней эллиптической поляризацией при плотности потока энергии 1-1500 Дж/м2.
Эффективность способа обработки почвы может быть повышена за счет внесения в почву до ее обработки органических остатков и удобрений, преимущественно навоза.
Устройство для обработки почвы содержит модулятор, подключенный к генератору высокочастотных колебаний, блок задания режимов работы, соответствующий выход которого связан с входом модулятора и антенный тракт с излучателем, содержащим излучающие элементы, и в отличии от прототипа дополнительно содержит переключатель с одним высокочастотным входом и высокочастотными выходами, блок управления переключателем, при этом выход блока задания режимов соединен с входом блока управления переключателем, а выход блока управления переключателем соединен с управляющим входом переключателя, соответствующие выходы которого соединены с излучающими элементами.
Технической результат, достигаемый группой изобретений, заключается в ускорении процессов образования необходимых растениям питательных веществ из минеральных и органических резервов почвы и закреплении части их в гумусовых запасах почвы вследствие стимулирующего эффекта воздействия импульсного электромагнитного излучения на почвенные микроорганизмы, при снижении энергозатрат на обработку почвы.
Проведенные авторами исследования выявили новые биотропные параметры ЭМИ, характеризующие его поляризационную пространственную структуру, которые в значительной степени определяют эффект воздействия ЭМИ на почвенные микроорганизмы (МО). Установлено, что наибольший стимулирующий эффект воздействия на почвенные МО при наименьшей плотности потока ЭМЭ оказывает правополяризованное ЭМИ. Полученные результаты можно интерпретировать как следствие молекулярной диссимметрии ключевых биополимерных структур.
Авторами впервые установлено, что снижение энергозатрат и повышение эффективности стимуляции почвенных МО возможно за счет увеличения импульсной плотности потока мощности и обеспечения оптимальной пространственно-временной структуры ЭМИ, которые и определяют пороговое значение плотности потока энергии, начиная с которого проявляется устойчивый эффект стимуляции почвенных МО.
Реализация новых энергоинформационных путей управления жизнедеятельностью почвенных микроорганизмов позволила значительно увеличить стабильность и эффективность технологических приемов их стимуляции электромагнитным излучением и снизить энергозатраты по сравнению с технологиями, в основу которых положен диэлектрический нагрев. При этом становится экономически и энергетически обоснованной электромагнитная обработка больших объемов сельскохозяйственной продукции и почвы.
По предложенному авторами способу поверхностный слой почвы облучается импульсным потоком ЭМИ с правосторонней эллиптической поляризацией при плотности потока энергии от 1 до 1500 Дж/м2. Заявляемый минимальный уровень плотности потока электромагнитной энергии, 1 Дж/м2, необходимый для стимуляции микробиологической активности почвы, был установлен по результатам опытов. При этом минимизировалась продолжительность обработки и импульсная плотность потока мощности. Обработка почвы с ППЭ менее 1 Дж/м2 не обеспечивала стабильного и достоверного повышения микробиологической активности почвы. Установление верхнего порога ППЭ в 1500 Дж/м2 связано с тем, что при дальнейшем увеличении ППЭ начинают проявляться тепловые эффекты и снижается энергетическая эффективность способа. Кроме того, при ППЭ выше 1500 Дж/м2 наблюдаются стимулирующие эффекты при немодулированных потоках микроволновой ЭМЭ [А.С. №891026, М. Кл.3 А01G 7/04, (СССР). Способ борьбы с нежелательной растительностью. Ф.Я.Изаков и др. Опубл. 23.12.81. БИ 1981, №47. С.7]. В заявленном диапазоне ППЭ от 1 до 1500 Дж/м2 немодулированный линейно поляризованный поток ЭМИ не оказывает существенного влияния на микробиологическую активность почвы.
Эффективность способа обработки почвы возрастает, если предварительно, до обработки, в почву вносят органические остатки и удобрения, преимущественно навоз. Навоз, торф, тепличный грунт являются богатой питательной средой для грибов, фосфоразотофиксирующих и других бактерий и в сравнении с обычной почвой, бедной органическими веществами (выщелоченный чернозем, серозем и др.), эффекты активации их микробиологической активности значительно превосходят эффекты при обработке бедных почв.
Для осуществления описанного выше способа обработки почвы разработано устройство, которое представляет собой мобильную установку для обработки почвы, содержащую излучатели ЭМЭ, выполненные в виде антенной решетки, состоящей из излучающих элементов, представляющих собой антенны с правосторонней эллиптической поляризацией электромагнитной волны.
Указанный единый результат при осуществлении группы изобретений по объекту - устройству достигается тем, что, также как прототип, заявляемое устройство содержит модулятор, подключенный к генератору высокочастотных колебаний, блок задания режимов работы, соответствующий выход которого связан с входом модулятора и антенный тракт с излучателем, содержащим излучающие элементы.
В результате проведенного авторами патентного поиска по научно-технической и патентной литературе установлено, что новая совокупность признаков как способа, так и устройства с достижением нового положительного эффекта - увеличение количества усвояемых форм азота и других питательных веществ в почве при снижении энергозатрат, а также создание высокопроизводительной установки для обработки почвы за счет увеличения импульсной плотности потока мощности на поверхности обрабатываемого участка почвы при ограниченной импульсной мощности генератора ЭМЭ и большой площади одновременно обрабатываемого участка, не известна и не следует явным образом из уровня техники, что подтверждает соответствие изобретений критерию «новизна» и «изобретательский уровень».
На фиг.1 приведена блок-схема устройства для обработки почвы. Устройство включает модулятор 1, генератор ЭМЭ 2, переключатель на несколько направлений 3, излучатель энергии 4, состоящий из излучающих элементов (1, 2…N), блок управления переключателем 5 и блок задания режимов работы 6. Выходы блока задания режимов работы 6 связаны с модулятором 1 и блоком управления переключателем 5, который соединен с управляющим входом переключателя, соответствующие выходы которого соединены с излучающими элементами. Модулятор 1 подключен к генератору 2, выход которого подключен к высокочастотному входу переключателя 3.
Способ осуществляется с помощью устройства следующим образом: промодулированный модулятором 1 (фиг.1) поток ЭМЭ, представляющий собой уплотненную импульсную последовательность Ру (фиг.2), количество импульсов в которой в N раз больше, чем исходная, требуемая технологией обработки последовательность, генерируемый высокочастотным генератором 2, поступает на вход многоканального переключателя 3, в котором коммутируется (переключается) на N выходов, с которых электромагнитная энергия поочередно поступает на излучающие элементы излучателя 4 и излучается в почву. Блок задания режимов работы 6 синхронизирует работу модулятора 1 и переключателя 3, посредством блока управления переключателем 5, и обеспечивает требуемую последовательность импульсов ЭМЭ Р (фиг.2) на выходе каждого излучающего элемента (Р1…РN фиг.2).
Почва обрабатывается с помощью перемещаемого над ее поверхностью излучателя ЭМЭ, представляющего собой антенную решетку, состоящую из излучающих элементов, формирующих в почве электромагнитную волну с правосторонней эллиптической поляризацией.
Предлагаемый способ обработки почвы может применяться как до, так и после посадки культуры и для обработки паров.
Пример конкретного выполнения
Для обработки почвы во всех экспериментах использовался импульсный генератор, выполненный на магнетроне МИ - 119, обеспечивающий на частоте 890 МГц регулируемый уровень импульсной мощности от 20 до 200 кВт.
Оценка влияния характера эллиптической поляризации ЭМВ на микробиологическую активность почвы проводилась в лабораторных опытах. Для обработки образцов почвы в лабораторных условиях в качестве излучателя использовался рупорный излучатель с перестраиваемой поляризацией излучаемой ЭМВ. Обрабатывались образцы почвы массой 0,25 кг. Тип почвы - выщелоченный чернозем. Исходная влажность - 20%. Число повторностей в вариантах опыта составляло 3. Микробиологический анализ почвы проводился по общепринятой методике после отлежки ее после обработки в течение 20 дней.
| Влияние характера эллиптической поляризации ЭМВ на численность микроорганизмов КАА. | ||||||
| Параметры | Режим обработки | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| Плотность потока энергии, Дж/м2 | ||||||
| 900 | 900 | 440 | 440 | 260 | 260 | |
| Характер эллиптической поляризации ЭМВ: | ||||||
| левосторонняя | + | + | + | |||
| правосторонняя | + | + | + | |||
| Среднее количество, млн/г | ||||||
| 7,85 | 10,3 | 7,0 | 11,6 | 7,8 | 9,0 | |
| Количество микроорганизмов в % по отношению к контролю (6,2 млн/г) | ||||||
| 127 | 166∗ | 112 | 187∗ | 128 | 147∗ | |
| Примечание: 1.∗ - Отличие данных от контроля по t - критерию Стьюдента Р<0,05. |
2. Коэффициенты эллиптичности поляризационных характеристик ЭМВ для левосторонней и правосторонней поляризаций были равны и составляли 0,8.
Оценка эффективности обработки почвы в заявленном диапазоне плотности потока электромагнитной энергии проводилась в лабораторных опытах по обработке образцов торфа импульсным потоком электромагнитного излучения с правосторонней эллиптической поляризацией ЭМВ. Обрабатывались образцы массой 0,2 кг, влажностью 20% в трехкратной повторности. Плотность потока мощности на выходе излучателя и время обработки выбирались таким образом, чтобы плотность потока энергии, прошедшей через образцы почвы, составляла 1…1500 Дж/м2.
| Содержание гумуса в торфе на 20 день после его обработки | ||
| Плотность потока энергии (Дж/м2) | Среднее содержание гумуса (%) | По отношению к контролю (%) |
| 0,5 | 21,5 | 114 |
| 1 | 26,5 | 141∗ |
| 10 | 42,0 | 223∗ |
| 150 | 29,7 | 158∗ |
| 500 | 40,9 | 216,4∗ |
| 1500 | 27,8 | 147,8∗ |
| Контроль | 18,8 | 100 |
| Примечание: 1. ∗ - Отличие данных от контроля по t - критерию Стьюдента Р<0,05. |
Обработка опытных делянок в полевых опытах проводилась макетом мобильной установки, имеющей суммарную площадь раскрыва шести излучателей, равную 3,5 м2. В качестве излучателя использовалась антенная решетка, состоящая из восьми излучающих элементов, представляющих собой волноводные излучатели с правосторонней эллиптической поляризацией.
За счет реализации заявляемого устройства при общей площади одновременно обрабатываемого участка почвы 4 м2 и импульсной мощности на выходе генератора 200 кВт на поверхности почвы была получена импульсная плотность потока мощности равная 400 кВт/м2.
Пример 1. В течение двух лет проводилась однократная обработка чистого пара макетом мобильной установки при плотности импульсного потока электромагнитной энергии 20 Дж/м2. Почва - выщелоченный чернозем. Размер делянок 200 м2. Повторность двухкратная. В первый год обработка проводилась 16.05, а пробы почвы брались дважды 11.06 и 18.06. Во второй год почва обрабатывалась 09.06, пробы брались 19.08. Полевые опыты и анализ образцов почвы проводились по общепринятым методикам. В образцах определялось содержание общего гумуса, азота (N-NO3) и фосфора (Р2O5).
Результаты экспериментов показали, что однократная обработка почвы импульсным потоком электромагнитной энергии при плотности 20 Дж/м2 и правосторонней эллиптической поляризацией ЭМВ достоверно увеличивает в почве содержание основных питательных веществ: общего гумуса на 16%, азота на 27% и фосфора на 25%.
Пример 2. Для оценки влияния импульсной электромагнитной обработки почвы на урожай культуры проводилась однократная обработка почвы (в режиме примера 1) перед посевом пшеницы. Определялся урожай зерна пшеницы на чистом участке (урожай, который мог быть получен при отсутствии на делянках сорной растительности), содержание основных питательных веществ в почве после уборки урожая, а также биологическая активности почвы.
Результаты экспериментов показали, что однократная обработка почвы достоверно увеличивает: урожай зерна на чистом участке на 40%;
численность микроорганизмов, усваивающих минеральные формы азота (КАА) в 2,5 раза, содержания азота от 1,2 раз (слой почвы 0-20 см) до 2,2 раз (слой почвы 20-40 см).
Аналогичные результаты получены и в других сериях экспериментов, проведенных при различной плотности потока энергии и разных температурно-влажностных условиях.
Использование предлагаемого способа и устройства для его осуществления обеспечивает увеличение основных питательных веществ в почве: общего гумуса, азота и фосфора, что приводит к увеличению урожая культуры и позволит уменьшить или полностью исключить внесение минеральных удобрений в почву.
1. Способ обработки почвы импульсным потоком электромагнитной энергии, отличающийся тем, что обработку осуществляют электромагнитной волной с правосторонней эллиптической поляризацией при плотности потока энергии 1-1500 Дж/м2.
2. Способ обработки почвы по п.1, отличающийся тем, что в почву до обработки вносят органические остатки и удобрения, преимущественно навоз.
3. Устройство для обработки почвы, содержащее модулятор, подключенный к генератору высокочастотных колебаний, блок задания режимов работы, соответствующий выход которого связан с входом модулятора, и антенный тракт с излучателем, содержащим излучающие элементы, отличающееся тем, что дополнительно содержит переключатель с одним высокочастотным входом и высокочастотными выходами, блок управления переключателем, при этом выход блока задания режимов соединен с входом блока управления переключателем, а выход блока управления переключателем соединен с управляющим входом переключателя, соответствующие выходы которого соединены с излучающими элементами.
