Опыт применения лазеров в аграрной сфере довольно широк, начиная от использования лазеров при проектировании и производстве сельскохозяйственной техники и заканчивая лазерным облучением непосредственно биологических организмов [1].

Одним из практических применений лазерных технологий в сельском хозяйстве является предпосевная обработка семян. Обработка семян в инфракрасном излучении позволяет интенсифицировать биохимические процессы зародыша, в результате чего увеличивается энергия прорастания и всхожесть. Ультрафиолетовая обработка позволяет снизить фитопатогенную нагрузку. На сегодняшний день имеется много исследований, доказывающих, что воздействие низкоинтенсивного когерентного света повышает энергию прорастания семян, увеличивает устойчивость к неблагоприятным биотическим и абиотическим факторам [2-5]. Это позволяет снизить объём применения токсичных защитных препаратов − фунгицидов. Последние научные приоритеты в сфере аграрной политики предусматривают ограничение применения химических средств, гормональных препаратов и пестицидов при возделывании сельскохозяйственных культур. Методы лазерной предпосевной обработки способствуют реализации этой политики.

В лаборатории Агробиофотоники Пермского НИИСХ филиала ПФИЦ УрО РАН ведутся исследования по разработке экспериментальной установки для предпосевной обработки семян и технологии ее использования для разных сельскохозяйственных структур. Научная новизна разрабатываемой технологии состоит в комплексном воздействии разных оптических источников. Стимулирующее действие лазерного и инфракрасного излучения на всхожесть семян должно быть совмещено с ультрафиолетовым облучением для воздействия на фитопатогены. Обработку семян возможно будет проводить одновременно с протравлением семян химическими реактивами.

На данный момент проведены испытания лабораторной осветительной установки, включающей в себя иттербиевый лазер с длиной волны 1080 нм (с возможностью варьировать оптическую мощность в диапазоне от 0.05 до 18 Вт), набор линз для формирования пучка, блок питания, ПК с ПО для управления лазерным диодом.

В работе исследованы девять различных сельскохозяйственных культур: 1 − ячмень яровой Родник Прикамья (некондиционные семена), 2 − овес голозерный Першерон, 3 – пшеница мягкая яровая Ирень, 4 − овес яровой Стайер, 5 − клевер луговой Лобановский, 6 − лен масличный Уральский, 7 – горчица белая Рапсодия, 8 − ячмень яровой Родник Прикамья (кондиционные семена), 9 - Горох посевной Ульяновец. Семенной материал для исследований был предоставлен лабораторией агротехнологий Пермского научно-исследовательского института сельского хозяйства ПФИЦ УрО РАН.

В ходе исследований подтверждено различие во влиянии лазерного излучения на различные сельскохозяйственные культуры. Вне зависимости от мощности излучения наибольший прирост проросших семян показал голозерный овес Першерон; лазерная обработка в течение 1 минуты и плотностью мощности 113,23 Вт/м2 способствовала увеличению прорастания на 11% по сравнению с контрольной группой. Зафиксировано негативное влияние: для семян ячменя Родник Прикамья наблюдалось уменьшение прорастания до 19% при облучении в течении 1 минуты и плотностью мощности 113,23 Вт/м2. Для семян льна продемонстрировано повышение процента всхожести семян на 10%, а также существенное увеличение длины их ростков. При облучении пшеницы наблюдалось увеличение прорастание на 7 % при 3 минутах облучения плотностью мощности 113,23 Вт/м2. В случае облучения овса Стайлер наблюдалось увеличение прорастания на 6 % при 1 минуте облучения плотность мощности 509,55 Вт/м2. При облучении клевера Луговской Лобановский прорастание увеличивалось на 9 % при 5 минутах облучения плотностью мощности 113,23 Вт/м2 и уменьшении прорастания на 9 % при 3 минуте облучения плотностью мощности 509,55 Вт/м2. Облучение семян горчицы привело к увеличению всхожести на 10% при 1 минуте облучения и плотности мощности 509,55 Вт/м2. Семена гороха после облучения в течение 3х минут демонстрируют достоверное увеличение длины ростков, однако, процент всхожести не изменяется.

После лабораторного этапа планируется проведение исследований в условиях защищенного грунта для оценки возможного отложенного во времени эффекта влияния лазерной обработки на развитие семени, на последующие стадии развития растений.

Работа выполняется в рамках государственного задания, номер государственной регистрации НИОКТР 122031100058-3.

Список литературы

1. Попов А. Ю., Попова Н. А., Тюрин А. В. Физическая модель воздействия низкоинтенсивного лазерного излучения на биологические объекты //Оптика и спектроскопия. – 2007. – Т. 103. – №. 4. – С. 690-697.

2. Ю. Н. Кульчин. Агробиофотоника – влияние света на развитие растений. – Фотон-Экспресс, 2019, 6(158), с. 64.

3. А. В. Будаговский. Дистанционное межклеточное взаимодействие. – М.: НПЛЦ «Техника», 2004. – 104 с.

4. С.Х. Ким, С. З. Цой, С. Ч. Ким. Обработка рисовых семян лазерным светом. – Международный научно-исследовательский журнал. - №4-6 (46), 2016, с. 43-46.

5. Dolgovyh O.G., Krasil'nikov V.V., Gaztdinov R.R. Inženernyj vestnik Dona (Rus). 2012. №4. URL: ivdon.ru/ magazine/archive/n4p2y2012/1422.

The experience of applying lasers in the agrarian sphere is quite broad, starting with the use of lasers in the design and production of agricultural machinery and ending with laser irradiation directly to biological organisms [1].

One of the practical applications of laser technologies in agriculture is seed pre-sowing treatment. Seed treatment with infrared radiation allows intensifying germination biochemical processes, resulting in increased germination energy and germinating ability. Ultraviolet treatment reduces the phytopathogenic load. To date, there are many studies proving that exposure to low-intensity coherent light increases seed germination energy, increases resistance to adverse biotic and abiotic factors [2-5]. This reduces the use of toxic protective drugs - fungicides. Recent scientific priorities in the field of agricultural policy provide for limiting the use of chemicals, hormones and pesticides in the cultivation of crops. Methods of laser pre-sowing treatment contribute to realization of this policy.

In the laboratory of Agrobiophotonics of Perm Research Institute of Agricultural Sciences, the branch of Perm Branch of Ural Branch of Russian Academy of Sciences the research on the development of experimental unit for seed pre-sowing treatment and technology of its use for different agricultural structures is being carried out. Scientific novelty of the developed technology consists in the complex effect of different optical sources. Stimulating effect of laser and infrared radiation on seed germination should be combined with ultraviolet irradiation for influence on phytopathogens. Seed treatment can be carried out simultaneously with seed dressing with chemical reagents.

For the moment, tests were carried out with the laboratory illuminating unit that includes an ytterbium laser with a wavelength of 1080 nm (with the possibility of varying the optical power in the range from 0.05 to 18 W), a set of lenses for beam forming, a power unit, a PC with software to control the laser diode.

Nine different agricultural crops were investigated: 1 - spring barley Rodnik Prikam'ya (substandard seeds), 2 - spring oats Persheron, 3 - spring soft wheat Irren, 4 - spring oats Stayer, 5 - meadow clover Lobanovsky, 6 - oilseed flax Uralsky, 7 - white mustard Rhapsody, 8 - spring barley Rodnik Prikam'ya (conditioned seeds), 9 - Peas sown Ulyanovets. The seed material for the study was provided by the laboratory of agricultural technology of the Perm Research Institute of Agriculture PFIC Ural Branch of RAS.

The research confirmed the difference in the effect of laser radiation on different crops. Regardless of the radiation power, the highest increase in germinated seeds showed holo-grain oats Persheron; laser treatment for 1 minute and a power density of 113.23 W/m2 contributed to an increase in germination by 11% compared with the control group. Negative effects were recorded: for barley seeds Rodnik Prikam'ya there was a decrease in germination up to 19% when irradiated for 1 minute and power density 113.23 W/m2. For flax seeds, an increase in the percentage of seed germination by 10% was demonstrated, as well as a significant increase in their sprout length. When wheat was irradiated, a 7 % increase in germination was observed for 3 minutes of irradiation at a power density of 113.23 W/m2. In the case of irradiation of oat Styler there was an increase in germination by 6% at 1 minute of irradiation power density 509.55 W/m2. When clover Lugovskii Lobanovskii was irradiated, germination increased by 9% at 5 minutes of irradiation at a power density of 113.23 W/m2 and germination decreased by 9% at 3 minutes of irradiation at a power density of 509.55 W/m2. Irradiation of mustard seeds led to an increase in germination by 10% at 1 minute of irradiation and a power density of 509.55 W/m2. Pea seeds after irradiation for 3 minutes showed a significant increase in sprout length, however, the percentage of germination does not change.

After the laboratory stage, it is planned to carry out studies in the protected ground to assess the possible time-delayed effect of laser treatment on seed development, on the subsequent stages of plant development.

The work is carried out within the state assignment, state registration number of R&D 122031100058-3.

References

1. Popov A. Yu., Popova N. A., Tyurin A. V. Physical model of low-intensity laser radiation effect on biological objects // Optics and Spectroscopy. - 2007. - Т. 103. - №. 4. - P. 690-697.

2. n. Kulchin. Agrobiophotonics - the influence of light on plant development. - Foton-Express, 2019, 6(158), p. 64.

3. A. V. Budagovsky. Remote intercellular interaction. - Moscow: Technique, 2004. - 104 p.

4. S.H. Kim, S.Z. Choi, S.C. Kim. Treatment of rice seeds by laser light. - International research journal. - №4-6 (46), 2016, p. 43-46.

5. Dolgovyh O.G., Krasil'nikov V.V., Gaztdinov R.R. Inženernyj vestnik Dona (Rus). 2012. №4. URL: ivdon.ru/ magazine/archive/n4p2y2012/1422.