Механические и физические методы борьбы с сорняками

Современное сельскохозяйственное производство обоснованно выдвигает требования повышения рентабельности и экологической безопасности получаемой продукции. В этом плане большие возможности имеет эффективное использование механических и физических методов борьбы с сорной растительностью вместо проблемных вариантов применения гербицидов.

Роль различных приемов обработки почвы постоянно возрастает, что связано с повышением интенсивности использования земель и необходимостью воспроизводства плодородия. Они остаются эффективными и экологически наименее опасными способами снижения засоренности посевов, пораженности культур болезнями и вредителями при ограниченном применении пестицидов. Механическую обработку необходимо рассматривать как важнейшее средство регулирования агрофизических условий плодородия почвы, почвенных режимов, интенсивности биологических процессов, а также фитосанитарного состояния почвы.

Совершенствование систем обработки почвы в плане экологизации земледелия связано, прежде всего, с их адаптацией к разнообразным почвенно-климатическим условиям и углубленной дифференциацией в соответствии с агроэкологическими требованиями культур. Оптимально выбранная система обработки почвы поддерживает благоприятное для растений фитосанитарное состояние почвы.

Проектируют систему обработки почвы в такой последовательности:

1. Выясняют тип почвы, ее свойства, плодородие, а также крутизну, форму и экспозицию склонов. Анализируют агрофизические свойства почвы: гранулометрический состав, мощность пахотного слоя, содержание водопрочной структуры, степень увлажнения, уровень грунтовых вод и другие гидрологические показатели.
2. Определяют место глубоких обработок под культуры в севообороте и их периодичность с учетом биологических особенностей растений и их требований к мощности пахотного слоя и параметрам агрофизических показателей плодородия почвы.
3. Планируют приемы минимизации основной и предпосевной обработок под культуры севооборота с учетом поддержания оптимальной для роста и развития растений плотности почвы.
4. Определяют последовательность и сроки приемов основной, предпосевной обработок с учетом предшественников, способов внесения удобрений и пестицидов. Подбирают состав почвообрабатывающих агрегатов, которые не вызывают переуплотнения почвы и обеспечивают оптимальное качество ее обработки.
5. Определяют площади, на которых будет выполняться каждый прием обработки (вспашка, лущение, культивация, боронование и др.) в агротехнически оптимальные сроки. Рассчитывают потребность хозяйства в почвообрабатывающих и посевных агрегатах с учетом продолжительности выполнения агротехнических операций и интенсивности использования сельскохозяйственной техники.

При построении системы обработки почвы в севообороте необходимо учитывать тип агроландшафта, его особенности, предшественники, способы воспроизводства и окультуривания земель, поддержания благоприятного для культур фитосанитарного состояния почвы. При разработке почвозащитных технологий принимается во внимание совокупность свойств и показателей физического состояния, технологических параметров почвы, которые определяют уровень плодородия и продуктивность растений. К числу важнейших нормативно-технологических показателей относятся агрофизические и технологические.

Борона хорошо справляется с сорняками, пока они находятся в нитевидном состоянии. Эффективно ранневесеннее боронование, когда обеспечивается не только борьба с сорняками, но и сохранение почвенной влаги. После посадки картофеля поле боронуют уже на 5-6-й день, а если за это время прошёл дождь — сразу после образования корки. Бороновать лучше всего днём, чтобы выдернутые с корнем сорняки высохли на солнце. Такую обработку проводят каждые 7-10 дней вплоть до появления всходов картофеля. Выбор бороны зависит от типа и состояния почвы. Единственное исключение: из зубовых борон применяются лёгкие модели, в случае глинистых почв – бороны среднего класса с удельной нагрузкой около 1 кг веса в расчете на 1 зуб, секция бороны обычно имеет 20 зубьев (рис. 1).

Боронование посадок картофеля наиболее эффективно, когда земля немного влажная. Если же почва высохла, то с сорняками ротационная борона справляется лучше, чем зубовая. Чтобы зубовая борона хорошо рыхлила землю и выдёргивала сорняки, трактор или мотоблок по сухому грунту ведут на большей скорости, чем по влажному.

Ротационные игольчатые бороны можно применять для борьбы с сорняками и уничтожения почвенной корки, в том числе после появления всходов (рис. 2).

Игольчатые бороны незаменимы для разрушения почвенной корки, особенно на посевах зернобобовых культур, в том числе и при затруднениях с появлением всходов.

В системе органического земледелия наилучший результат даёт довсходовое боронование картофеля ротационными боронами: их зубья «впиваются» в землю и выдергивают сорняки (рис. 3).

Если клубни посажены в гребни, то грядки удобнее всего бороновать такими «ежами». Однако можно использовать и лёгкие зубовые или сетчатые бороны. После появления всходов допускается провести ещё 1-2 боронования, пока ростки картофеля не достигнут высоты 15 см. Но зубовую или сетчатую борону можно применять, только когда первые всходы лишь пробиваются и их высота не более 1-2 см.

После окучивания картофель обрабатывают ротационными боронами-ежами: так меньше опасность повредить кусты.

Уничтожить сорняк можно, не только вырвав его из земли с корнем, его можно втоптать или забить назад в землю. И с такой работой могут справиться не только люди, но и роботы. Агроробот компании Amazon может в автоматическом режиме обнаруживать сорняки и уничтожать ударами металлического стержня, тратя на один сорняк около 1/10 доли секунды (рис. 4).

Ударный инструмент робота BoniRob имеет диаметр в 1 см, и он может загнать сорняк назад в землю на глубину 3 см. Основной мишенью робота являются всходы сорняков, которые он при помощи камеры с высоким разрешением определяет по форме листа. Но робот может справиться и со взрослыми растениями при помощи серии ударов с частотой 1 раз в 100 миллисекунд.

Во время испытаний BoniRob работал на поле с морковью, где каждый корнеплод рос на расстоянии 2 см от соседнего, а плотность сорняков составляла около 20 растений/м². В таких достаточно сложных условиях робот не испытал никаких затруднений. Максимальная скорость работы робота составляет 1,75 сорняка в секунду при движении со скоростью 3,7 см/с и при плотности сорняков из расчета 43 растения на квадратный метр. При меньшей плотности сорняков робот может двигаться с максимальной скоростью в 9 см/с.

Итальянская фирма Caffini разработала новый, названный революционным, способ борьбы с сорняками без гербицидов. Машина Grasskiller способна уничтожать сорняки струей простой воды в междурядьях виноградника и плодовых культур. Благодаря насосу создается давление в 1000 бар (100 МПа). Сорняки разрушаются ударом водяной струи не только над землей, но и на глубине до нескольких сантиметров, где располагаются их корни (рис. 5).

В 2017 году компания Caffini представила версию Grasskiller Twin с двумя головками, смонтированными на передней навеске трактора. Две головки работают одновременно на двух сторонах ряда, сокращая вдвое рабочее время. Ширина установки рабочих органов Grasskiller Twin может гидравлически регулироваться из кабины. Обе головки имеют независимую гидравлическую подвеску, чувствительность которой можно настроить для работы даже со всходами сорняков (рис. 6).

Инновационный контактный ротор с лопастным профилем предотвращает скольжение головки по растению, копируя его профиль. Данное оборудование позволяет бороться с сорняками в ягодных и плодовых насажденияхх, когда другие решения оказались неэффективными и даже вредными для растений и окружающей среды.

Компания Garford (Великобритания) специализируется на оборудовании для пропашных культур и известна созданием культиваторных лап точного наведения Robocrop (Robocrop Precision Guided Hoes) и прополочных борон для культивации вдоль рядков Robocrop (Robocrop InRow Weeders). Оборудование Robocrop включает в себя видеокамеру и бортовой компьютер для анализа изображения, позволяющие установить положение культуры и направлять движение лапы культиватора быстро и с большой степенью точности. Междурядные культиваторы Garford изготавливаются с учетом конкретных требований и используются для всех видов пропашных культур (рис. 7).

Выпускается широкий ассортимент рабочих органов, включая традиционные стрельчатые культиваторные лапы, плоскорежущие культиваторные лапы, L-образные ножи и специально разработанный компанией режущий клинок, гарантирующий отсутствие «соскальзывания» и эффективное удаление листвы. Выпускаются модели культиваторов с рабочей шириной до 12 метров с гидравлическим складыванием. Специальные культиваторы для обработки гряд оснащены корпусами для окучивания краев по дорожкам колес и набором специальных культиваторных лап для обработки почвы между рядами.

Прополочная борона Robocrop Inrow для междурядной и вдольрядной обработки осуществляет механическую обработку почвы между растениями для удаления сорняков в рядах высаженного зеленого салата и листовых овощей. В основе работы Robocrop Inrow лежит принцип действия успешной и хорошо зарекомендовавшей себя системы междурядного наведения Robocrop. В систему Robocrop Inrow включена видеокамера, фиксирующая изображения посадок перед используемым оборудованием. Изображения анализируются для фиксирования положения отдельных растений по мере прохождения агрегата. Информация используется для бокового перемещения пропашных лап и индивидуальной синхронизации дисков прополочной бороны InRow. Установленный в системе Robocrop компьютер непрерывно корректирует скорость вращения дисков в зависимости от расстояний между растениями. При междурядной и вдольрядной обработке движение по ряду ведется непрерывно с точностью до 1 см. Рабочая глубина хода диска регулируется колесным блоком с параллельным подсоединением.

В конструкцию системы прополочной бороны для уничтожения сорняков в рядке InRow Weeder System входит диск особой формы, вращающийся вокруг оси и настроенный для обработки грунта на малой глубине (обычно 1-2 см) внутри ряда. Форма диска в виде полумесяца позволяет огибать растения и прорезать почву между растениями в процессе вращения диска вокруг оси. Диск вращается одновременно с продвижением вперед и синхронизируется с данными, получаемыми с передающей изображение камеры (рис. 8).

Возможная скорость работы — до 3 растений в секунду в каждом ряду. Машина шириной захвата 6 м с расстоянием между растениями 5 см может работать со скоростью 5,4 км/ч, при этом обрабатываемая поверхность составит свыше 3,2 га/ч при высоком качестве процесса (рис. 9). Отношение обработанной поверхности к необработанной может составлять свыше 98%.

История растениеводства связана с тем, что земледельцы воздействовали в основном на факторы среды возделывания (севообороты, удобрения, мелиорация и ирригация, борьба с сорняками и болезнями и т.д.). В условиях интенсификации сельского хозяйства встает задача воздействия не только на среду, но и на объект возделывания с целью мобилизации потенциальных возможностей растений в конкретных условиях. Исследователи изучают реакцию растений на действие самых разнообразных факторов. К факторам физической природы относят:

• электромагнитные излучения (гамма- и рентгеновые лучи, ультрафиолетовое излучение и др.);
• ионизирующие излучения корпускулярной природы (нейтроны, протоны, электроны);
• электрополя (постоянные, переменные, высокочастотные, коронные разряды);
• токи высокой частоты;
• магнитные поля;
• ультразвук.

Все эти факторы, кроме магнитных полей, оставляют определенное количество энергии в объектах воздействия. Объекты в магнитном поле дополнительной энергии не получают, возможно лишь перераспределение внутренней энергии самого объекта.

Физические методы защиты растений от сорняков основаны на таких физических явлениях, как тепловое излучения, свет и ультразвук. Среди инновационных методов, использующих электрическую энергию, в последнее время актуальны разработки, где сорные культуры уничтожаются с помощью инфракрасного излучения, горячей воды или пара, огня, микроволнового излучения, горячей пены, ультрафиолетового излучения, лазеров (рис. 10).

Воздействие ультрафиолетовым или лазерным излучением в течение примерно 1 секунды может повреждать только верхнюю часть растений. Эффективность действия горячих потоков воздуха или воды примерно одинаковы и пока широкого распространения не получили.

По эффективности действия распространенные химические методы и электрическое воздействие могут обеспечить самые высокие результаты. Образным подтверждением влияния электромагнитных факторов на развитие сельскохозяйственных растений могут служить результаты опытов, проведенных в 2009 году Полуниным В.Н., Жидченко Т.В., Бельтюковым Л.П. и Купровым А.В. в Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград, Ростовская область).

Ученые наблюдали за посевами озимой пшеницы сортов Зерноградка 9 и Ермак под высоковольтными линиями с напряжением от 6 до 300 кВ и на расстоянии более 300 м от них (контроль), где присутствовало напряжение электрического поля Земли 150-200 В/м. Воздействие электромагнитных полей высоковольтных линий повышало как посевные качества (возрастание полевой всхожести, глубины залегания узла кущения), так и ростовые показатели: длины стебля, среднего количества листьев, числа и длины корешков.

В итоге было установлено, что воздействие электромагнитного поля увеличивает среднюю длину растения и колоса, количество продуктивных стеблей, колосков, зерен в колосе. Все это в целом приводит к увеличению урожайности на 10-15%.

Использование электричества для уничтожения сорных растений практиковалось уже в начале 1890-х годов, когда в США были зарегистрированы несколько патентов в этой области. С 1970-х годов электрическая энергия применяется для дезинфекции почвы и очистки земельных угодий путем воздействия на семена сорняков, как не проросшие, так и проросшие.

Системы, которые применяются для обработки растений электрическим током, разделяются на два типа:

1. Принцип работы первых основан на действии искрового разряда. Уничтожение сорняков, прореживание посевов, ускорение созревания достигается с помощью кратковременных (1-3 мкс) высоковольтных (25-60 кВ) импульсов.
2. Устройства второй группы работают за счет непосредственного контакта с растениями электрода (15 кВ), подключенного к источнику высокого напряжения (54 кВт). Их применяют для высушивания ботвы корнеплодов, удаления сорняков и прореживания посадок культур.

Устройства обеих групп повреждают растительную ткань силой тока: ударной волной разряда в импульсных системах и быстрым нагревом электрода в системах непрерывного контакта.

Наряду с бесспорными преимуществами в отношении сохранения экологии, практическое применение электрического метода для удаления сорняков ограничено рядом факторов:

1. Непосредственный контакт электрического зонда с любым растением приводит к его повреждению или гибели, независимо от того, является ли оно культурным или сорным. Поэтому дальнейшее совершенствование метода направлено на создание таких условий, при которых разрушающее действие электрического тока не будет распространяться на культурные растения.
2. Эффективность приема сильно зависит от степени выравнивания поверхности обрабатываемой площади, отсутствия посторонних предметов, мусора и т. п. Чем лучше подготовлены поля, тем выше результативность удаления сорняков электрическим методом.
3. Применение электрического способа результативно лишь при контакте зонда с растениями, т.е. они должны достичь определенной высоты. На начальных этапах развития сорняков, а также для низкорослых растений использование электричества в борьбе с ними не приведет к нужному результату.
4. Ограниченные сроки применения электрического оборудования, а именно возможность удаления сорных растений только по достижении ими определенной высоты. Это делает невозможным контроль за сорняками на ранних этапах развития культур, в период значительной конкуренции.
5. При сильном засорении полей сорными культурами применение электрического метода не представляется возможным, поскольку оборудование не способно справиться с большими объемами, и такая ненормированная нагрузка приведет в результате к короткому замыканию.
6. Для уничтожения различных сорняков требуется и разная сила электрического воздействия, что на данном этапе существующая модификация установки регулировать не может.
7. Наиболее важной остается проблема обеспечения безопасности работников при управлении высоковольтным электрическим оборудованием, так как существует, пусть и в небольшой степени, угроза поражения электрическим током.
8. На значительных территориях метод нецелесообразен из-за низкой рентабельности.

Заслуживает внимания предложение компании RootWave (Великобритания), занимающейся разработкой электрооборудования для борьбы с сорняками. Её последний проект — устройство для уничтожения злостных сорняков на зерновых культурах. Он перемещается и управляется с помощью трактора, что позволяет обрабатывать значительные площади сельхозугодий. Главным приоритетом в разработке устройства является безопасность оператора.

Компания Case IH AgXtend (CNH Industrial) разработала устройство XРower для борьбы с сорняками в экологическом земледелии (рис. 11). Система XPower использует электрический ток для борьбы с сорняками (табл. 2). Система может управляться с помощью тракторов, совместимых с ISOBUS Class 3. Контактные модули системы, генерирующие высокое напряжение, устанавливаются на трактор или сельскохозяйственное орудие при рабочей ширине от 1,2 до 3 метров (рис. 12).

Через системы наведения, используя датчики и/или камеру, напряжение передается на контактный элемент при его соприкосновении с листьями сорняков, которые возвышаются над культурой или землей, после чего электрический ток доходит до корней.

Другой контактный элемент, касающийся другого сорняка, замыкает электрическую цепь. В результате хлорофилл, содержащийся в сорняке, моментально повреждается.

Эта технология имеет такой же эффект, как и химические гербициды. При этом она более экономична, практична и безопасна, чем механическая обработка, так как не нарушает почву и не способствует дальнейшему росту сорняков. Затраты энергии определяются скоростью движения и используемым напряжением (табл. 3).

Требуемая электрическая мощность для наилучших результатов зависит от влажности на поверхности листа, а возможность передвижения по полю зависит от влажности почвы.

Помимо борьбы с высокорослыми сорняками в полевых культурах и обработки сорняков со сложными корневыми системами (пырей и др.), где нарушение почвы может усугубить проблему, данная система также может помочь в борьбе с сорняками в междурядьях в садах без риска повреждения деревьев/кустарников и без перемещения почвы, что снижает риск эрозии почвы. Система не требует ручного труда, соответствует принципам органического земледелия и может использоваться в системах точного земледелия.

Применение огневых культиваторов — один из практически реализуемых вариантов физико-механического способа. Для огневого метода борьбы с сорняками в 1960-70 гг. выпускался культиватор КО-2,4 захватом 2,4 м, который имел два бака емкостью 372 л и ряд горелок. Культиватор работал на природном газе бутан-пропан. Полной зарядки баков хватало на 5-7,5 часов работы для обработки 5-6 га при расходовании 40-60 л газа на 1 га. Рабочая температура воздействия на сорную растительность составляла 50-70 °С, а скорость движения агрегата не превышала 2,5 км/ч. На 3-4-й день после скашивания люцерны, засоренной повиликой, от обработки стерни огневым культиватором погибало 90-95% повилики тонкостебельной и 95-100% повилики полевой. При огневом культиваторе КО-2,4 имелись ручные горелки, которыми можно было уничтожать повилику в очагах.

Значение огневого способа возрастает в связи с развитием органического сельского хозяйства, когда огневой культиватор является универсальным средством для борьбы с сорняками в посевах полевых и овощных культур, среди многолетних насаждений и на пустырях. При работе такое воздействие повреждает сорные растения, но практически не влияет на физические, химические и микробиологические характеристики поверхностного слоя почвы. Некоторые культуры достаточно устойчивы к кратковременному нагреву, поэтому существуют технологии, при которых огневой культиватор выжигает сорняки не только в междурядьях, но и в рядках культуры.

Украинскими инженерами был разработан огневой культиватор, который предназначался для сплошной довсходовой обработки овощных культур на рассаду. Культиватор имел 2 симметричные газовые инжекционные горелки с 26 газо-воздушными соплами, два баллона, соединительные шланги высокого давления, смонтированные на специальной разъединяющейся на две составные части тележке. Топливом являлся сжиженный газ пропан-бутан. Расход газа составлял около 3,2 м³/ч при давлении 100 кПа. Горелки огневого культиватора располагались под углом 30-45° к поверхности почвы и выжигали сорняки на полосе шириной до 1,5 м. Огневая культивация полностью уничтожала всходы однолетних сорняков, возбудителей болезней и вредителей на поверхности почвы, стимулировала прорастание культурных растений, на 85-90% сокращала засоренность в последующий вегетационный период. Это позволяло исключить применение гербицидов в теплицах.

Огневой культиватор может использоваться до посева, после посева, но до появления всходов, в междурядьях вегетирующей культуры, перед и после уборки. Однако термическая прополка обходится дороже, чем альтернативные механические способы контроля сорняков. Затраты топлива (сжиженного природного газа) составляют от 20 до 80 л/га, а производительность агрегатов обычно не превышает 2-3 га/час (рис. 13).

Пламя газовых горелок воздействует на сорняки доли секунды и этого оказывается вполне достаточно, чтобы температура клеточного сока оказалась выше критических 60-70 °С, что приводит к необратимым повреждениям (коагуляции) белков, а нагрев до 100 °С повреждает все структуры клетки (Ascard, 1995). Этого можно достичь, воздействуя на растение пламенем с температурой 800-900 °C (Thomas, 1964). Сорняки наиболее чувствительны в фазу семядолей, либо тогда, когда их высота не превышает 3-5 см. Двудольные сорняки менее устойчивы, чем злаки. Всходы злаковых сорняков высотой 3-4 см остаются «живыми» при нагреве, уничтожающем двудольные сорняки того же размера. Поэтому для уничтожения развитых злаковых сорняков и гибели (истощения) многолетних двудольных растений требуется повторная обработка.

Традиционные механические и физико-механические способы борьбы с сорной растительностью продолжают развиваться и совершенствоваться. Они позволяют снижать пестицидную нагрузку в технологиях возделывания сельскохозяйственных культур, особенно пропашных и овощных. При правильном и продуманном использовании разработанные машины и орудия обеспечивают агротехнический эффект при снижении затрат и повышении качества продукции.

Подготовлено по материалам, опубликованным в журнале «Наше сельское хозяйство» (2020 г., № 15/17).