کنترل علف‌ های هرز به ‌وسیله مایکروویو

دفع آفات به ‌وسیله مایکروویو

در سال‌های اخیر علاقه‌مندی به کنترل علف‌ های هرز با مایکروویو افزایش یافته است. دلیل آن افزایش نگرانی در مورد مقاومت علف‌ها نسبت به علف‌کش‌ها وباقی ماندن اثرات شیمیایی در محیط زیست است.

 

 

انرژی مایکروویو به‌طور موثری علف‌های هرز و دانه‌های آن را ازبین می‌برد. اما بیشتر مطالعات بر روی استفاده از انرژی مایکروویوی در یک حوزه قابل ملاحظه متمرکز شده است که به 10 برابر انرژی بیشتر نسبت به کنترل شیمیایی علف‌های هرز(شکل1) احتیاج دارد.

 

چالش‌های کنترل علف‌ های هرز با مایکروویو

با وجود این‌که مطالعات در مورد استفاده از امواج مایکروویوی در کنترل علف‌های هرز از 70 سال پیش آغاز شده است. به خاطر مشکلات تکنیکی و بازار به ندرت از این روش در سطح تجاری استفاده می‌شود.

حداقل شش مشکل چالش برانگیز بر سر راه پیاده‌سازی دفع آفات به ‌وسیله مایکروویو وجود دارد. که این مشکلات عبارت‌اند از: توان الکترومغناطیس بالا، احتمال تأثیر روی سلامتی انسان، احتمال تاثیرات بیولوژیکی روی محیط، قیمت تمام شده، تخصیص فرکانس و پیچیدگی طراحی سیستم.

 

 

منابع توان بالا

منابع توان بالا در فرکانس‌های کمتر از چند گیگا هرتز موجود می‌باشند. لذا مشکل توان بالا در کنترل علف‌ های هرز با مایکروویو قابل حل است. در بیشتر کشورها تخصیص فرکانس کار بسیار دشواری است. البته می‌توان از باندهای صنعتی، علمی و پزشکی استفاده کرد. به‌این‌ترتیب مشکل تخصیص فرکانس در دفع آفات به ‌وسیله مایکروویو نیز قابل حل است.

قیمت تمام شده

در ایران به دلیل ارزان بودن انرژی و همچنین وجود منابع ارزان قیمت مایکروویو مانند لامپ مگنترون (شکل 2) موجود در اجاق‌های مایکروویو در فرکانس 2.45 گیگاهرتز باند پزشکی، صنعتی،علمی راه حل‌ دفع علف ‌های هرز مقرون به صرفه به نظر می‌رسند.

احتمال تاثیرات بیولوژیکی روی محیط و انسان 

امروزه موج الکترومغناطیس خطری بالقوه برای سلامتی انسان و موجودات دیگر محسوب می‌شود. لذا هنگام کنترل علف‌ های هرز به ‌وسیله مایکروویو، می‌بایست سیستم مورد نظر طوری طراحی شود که فضای خارج از محیط تحت تابش، از تابش موج الکترومغناطیس محفوظ بماند. همچنین هنگام استفاده از امواج پر توان الکترومغناطیس در فضای آزاد می‌بایست محیط خالی از انسان باشد.

کاربردهای امواج الکترومغناطیس در صنعت کشاورزی

در بسیاری از کاربردهای امواج الکترومغناطیس در صنعت کشاورزی، از موج الکترومغناطیس به‌عنوان عامل گرم کننده استفاده شده است. البته در مواردی مانند سنجش از راه دور و عکس برداری‌های ماهواره‌ای این امواج نقش گرم‌کنندگی ندارند. در این بخش کاربردهای امواج الکترومغناطیس به‌عنوان عامل گرمایش در سیستم کشاورزی بررسی می‌شود.

تاریخچه

علاقه به اثرات امواج الکترومغناطیسی فرکانس بالا در مواد بیولوژیکی به اواخر قرن 19 برمی‌گردد. در حالیکه علاقه به اثر امواج فرکانس بالا در مواد گیاهی در سال 1920 آغاز شده است. بیشتر آزمایش‌های قبلی بر اثر فرکانس رادیویی بر بذر تمرکز داشت.

دربسیاری از موارد، در معرض قرارگرفتن کوتاه‌مدت منجر به افزایش جوانه‌زنی و افزایش قدرت رشد جوانه‌های در حال ظهور شد. در حالیکه در معرض قرار گرفتن  بلندمدت به‌وسیله  اشعه RF  باعث مرگ و میر و از بین رفتن بذر شد.

 

 

اثر کشنده گرمایش مایکروویو بردانه های علف‌های هرز

دیویس و همکاران در سالهای (1971-1973) از اولین مطالعه کنندگان اثر کشنده گرمایش مایکروویو بردانه های علف‌های هرز بودند. آن‌ها دانه‌ها را بدون خاک و در حضور خاک در یک اجاق مایکروویو مورد عمل قرار دادند و نشان دادند که عمدتاً رطوبت بذر و انرژی جذب شده به‌وسیله هر بذر باعث خسارت به دانه‌ها می‌شود.

رابطه بین حجم دانه و استعداد به گرمایش مایکروویو

یافته‌های دیگر نشان می‌دهد که هر دو خصوصیت حجم و جرم دانه به‌شدت با میزان خسارت توسط مایکروویو مرتبط است. ممکن است رابطه بین حجم دانه و استعداد به گرمایش مایکروویو با سطح مقطع راداری که بوسیله پراکندگی امواج توسط دانه‌ها ایجاد می‌شود پیوند بخورد. سطح مقطع راداری بزرگ اجازه رهگیری دانه‌ها و در نتیجه جذب بیشتر انرژی مایکروویو را می‌دهد.

گرمایش مایکروویو در خاک‌های مرطوب

بارکر و کراکر در سال 1991 کاربرد گرمایش مایکروویو در خاک‌های مرطوب با رطوبت‌های متفاوت (10-280 گرم در یک کیلوگرم خاک) را در از بین بردن یولاف و تعدادی از دانه‌های نامشخص موجود دراین خاک را تحقیق کردند.

نتایج آن‌ها نشان داد که به‌طور کامل استعداد یک دانه به درمان مایکروویو به دما وابسته است. زمانی که دمای خاک گل رز به 75 درجه سانتیگراد می‌رسد بذر یولاف و به تبعیت آن جوانه‌زنی بذر کاهش میابد. زمانی که دمای خاک به بالای 80 درجه برسد جوانه‌زنی همه گونه‌ها کاملاً مهار می‌شود.

شناخت علف‌های هرز

تعریف علف هرز:

جدیدترین تعریفی که از علف «علف‌هرز به گیاهی گفته می‌شود که، به اهداف مدیریتی در یک مزرعه، برای تولید محصول خاصی، درفصل زراعی معینی لطمه وارد سازد». برطبق این تعریف، یک گیاه فقط در زمان، مکان و شرایط خاصی می‌تواند یک علف‌هرز تلقی شود و با تغییر شرایط ممکن است به‌عنوان یک گیاه مفید و یا زراعی و مرتعی مطرح باشد. بنابراین، یک گیاه جو در مزرعه گندم یک علف‌هرز است همین‌طور هم یک گیاه ذرت در مزرعه بادام زمینی.

 

 

اهمیت دفع علف‌های هرز

از کل خساراتی که به محصولات کشاورزی می‌رسد 45% آن ناشی از علف‌های هرز، 30% ناشی از آفات، 20% ناشی از بیماری‌ها و 5% ناشی از سایر عوامل است. بنابراین خسارت ناشی از علف‌های هرز از آفات و بیماری‌ها بیشتر است.

 

مقایسه خسارات در مناطق مختلف

 در کشورهای توسعه‌یافته و مناطق معتدل میزان این خسارت بین 10 تا 15 درصد کل محصول تخمین زده می‌شود. این درصد در کشورهای در حال توسعه و مناطق استوایی بیشتر است. درصد خسارت علف‌های هرز به‌صورت جهانی حدود 5% برای کشورهای بسیار توسعه یافته و حدود 10 تا 25% مربوط به کشورهای درحال توسعه است. طبق گزارش‌های معتبر در سطح جهانی در صورت کنترل نشدن علف‌های هرز خسارت وارد شده به محصولات کشاورزی می‌تواند به 100 درصد نیز برسد.

 

چرایی کنترل علف ‌های هرز به ‌وسیله مایکروویو 

مقدمه:

از سال 1946 گرمایش به‌وسیله مایکروویو به‌طور گسترده در صنایع غذایی، دارویی و مهندسی شیمی مورد استفاده قرار می‌گرفت. همچنین بعدها از این روش در خشک‌کردن چوب و تنباکو، سرعت بخشیدن به واکنش‌های شیمیایی، پخت سرامیک، از بین بردن سلول‌های سرطانی و … استفاده گردید.

امواج مایکروویو

مایکروویو‌ها موج‌های الکترومغناطیسی هستند که محدوده فرکانس آن‌ها بین 3 تا 300 گیگاهرتز است. در اثر تابش مایکروویو، مولکول‌های قطبی مواد دچار چرخش می‌شوند. نتیجه این چرخش مولکول‌ها، تبدیل‌شدن انرژی مایکروویو به انرژی گرمایی در ماده تحت تابش است.

 

 

در این فرایند ضریب گذردهی یا ثابت دی‌الکتریک نقشی اساسی در جذب انرژی مایکروویو ایفا می‌کند. ضریب گذردهی معمولاً یک عدد مختلط است که انرژی ذخیره‌شده مایکروویو در ماده با بخش حقیقی و انرژی تلف‌شده در ماده با بخش موهومی آن متناسب است. همچنین ضریب گذردهی هر ماده تابعی از دما و فرکانس است.

مزایای گرمایش به روش مایکروویو در کنترل علف ‌های هرز به ‌وسیله مایکروویو 

در مقایسه با شیوه‌های متداول گرم کردن، گرمایش به‌وسیله مایکروویو دارای مزایایی همچون گرم کردن همزمان کل حجم ماده موردنظر، کنترل دمایی بیشتر در ماده، گرمایش انتخابی و زمان گرم کردن کوتاه‌تر است. البته پدیده فرار حرارتی و پدیده نقاط داغ دو مشکل این روش هستند.

 

فرار حرارتی

در حین گرمایش مایکروویو ممکن است دما جسم تحت تابش مایکروویو به‌صورت ناگهانی در مدت‌زمان اندکی، افزایش شدیدی پیدا کند. به این پدیده فرار حرارتی گفته می‌شود. در کل این پدیده نامطلوب است زیرا دما غیرقابل‌کنترل خواهد شد اما در مواردی که دمای بالا نیاز باشد می‌توان از این پدیده بهره برد.

برای مثال برای دریل کردن شیشه یا سرامیک از دریل مایکروویوی استفاده می‌شود. این دستگاه با گرم کردن شدید شیشه یا سرامیک به بهره‌گیری از  فرار حرارتی ناشی از گرمایش مایکروویو به‌راحتی و بدون آن‌که جسم موردنظر بشکند آن را سوراخ می‌کند.

 

 

همچنین با بهره‌گیری از فرار حرارتی می‌توان الوارهای سبز را در مدت‌زمان اندکی خشک کرد. با این روش خشک‌کردن کیفیت الوارها کاهش نمی‌یابد. 

پدیده نقاط داغ در کنترل علف‌ های هرز به ‌وسیله مایکروویو

پدیده نقاط داغ زمانی رخ می‌دهد که دما ناحیه کوچکی از جسم در اثر توزیع غیریکنواخت حرارت بسیار زیاد شود. این پدیده نیز اثرات مخربی همچون سوختگی نقطه‌ای در ماده ایجاد می‌کند.

مطالعات در مورد تابش موج الکترومغناطیس فرکانس بالا به مواد بیولوژیکی از ابتدای قرن بیستم میلادی آغاز شد. در مطالعات و آزمایش‌های اولیه، به تأثیر فرکانس‌های رادیویی روی بذر پرداخته شد. در بسیاری از موارد تابش کوتاه‌مدت موج الکترومغناطیس منجر به افزایش جوانه‌زنی گیاه می‌شود. اما تابش بلندمدت موج الکترومغناطیس معمولاً باعث عقیم شدن و مرگ بذر علف‌های هرز می‌شود.(شکل4)

 

اولین مطالعات در مورد کنترل علف‌ های هرز با مایکروویو

اولین مطالعات در مورد از بین بردن قدرت جوانه‌زنی بذر با استفاده از گرمایش توسط مایکروویو، توسط آقای دیویس انجام شده است. ایشان بذرها را با خاک و بدون خاک تحت تابش مایکروویو قراردادند و مشخص شد که ترکیب رطوبت و انرژی جذب‌شده در هر بذر دو عامل تأثیرگذار در صدمه دیدن بذر هستند.

 همچنین آزمایش‌های آقای دیویس نشان داد که حجم و جرم هر بذر روی میزان صدمه دیدن آن توسط موج الکترومغناطیس تأثیرگذار است. رابطه بین حجم بذر و میزان صدمه دیدن آن را می‌توان با سطح مقطع راداری توجیه کرد. سطح مقطع راداری بزرگ‌تر منجر به جذب انرژی بیشتر در بذر و درنتیجه بیشتر گرم شدن آن می‌شود. 

 

روش‌های کنترل علف ‌های هرز

دو روش برای کنترل علف ‌های هرز وجود دارد. در روش اول بعد از جوانه‌زنی اقدام به از بین بردن گیاه چه علف هرز می‌شود. و در روش دوم با استفاده از انرژی مایکروویو دمای بذرهای درون خاک افزایش پیدا می‌کند و منجر به عقیم شدن(از بین رفتن قدرت جوانه‌زنی) بذر می‌شود.

 

 

مزایای فن‌آوری کنترل علف‌ های هرز با مایکروویو

کنترل علف‌ های هرز با مایکروویو برخی مزیت‌های عمده واصلی نسبت به دیگر سیستم‌های کنترلی دارد.

• هیچ‌گونه اثر باقی‌مانده‌ای وجود ندارد- در شرایط خشک‌سالی‌های اخیر، کشاورزان از اینکه حیوانات خود را با علوفه برخی محصولات تغذیه کنند بی‌میل بودند و دلیل آن نگرانی در مورد اثر غلظت مواد شیمیایی محصولاتی است که به‌اندازه کافی رشد نکرده‌اند تا آبدار شوند و سموم را رقیق کنند و محصول بی‌خطری باشند.
• کنترل بانک بذر ها- در کنترل علف‌های هرز ماهیت پروتئین‌ها را عوض و سلول‌های گیاهی را پاره می‌کند و هم دانه و هم گیاه را در خاک از بین می‌برد.
• در این روش باید انرژی بیشتری نسبت به بخار خاک دارا باشد. زیرا مایکروویو در خود خاک بخار ایجاد می کندو از انتقال ناکارآمد بخارآب از یک مخزن به خاک می‌تواند دوری کند.

 

نمونه اولیه‌ی کنترل علف‌ های هرز با مایکروویو

همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است، در سال 2007 نمونه اولیه‌ایبرای کنترل علف‌ های هرز با مایکروویو ساخته شد. در این نمونه اولیه از لامپ مگنترون یک اجاق مایکروویو متصل شده به موج‌بر مستطیلی و آنتن شیپوری برای تولید انرژی مایکروویو استفاده شد. شکل دستگاه در زیر آمده است.

با استفاده از این نمونه اولیه، آزمایش‌هایی روی چند نوع گیاه انجام شد. در این آزمایش‌ها برگ گیاهان پلاسیده و بی‌آب شدند. البته احتمال از بین رفتن ساختار داخلی آن‌ها نیز وجود دارد.

 

 

تأثیر گرمایش مایکروویو 

تأثیر گرمایش مایکروویو بر کلونی‌های باکتری و نیترات:

آزمایش‌ها نشان می‌دهد گرمایش خاک توسط مایکروویو در دفع علف‌های هرز هیچ تأثیری روی PH، فسفر، پتاسیم و سولفات خاک ندارد. البته تابش طولانی‌مدت مایکروویو به خاک باعث کاهش کلونی‌های باکتری و نیترات شده و روی رشد گیاهان بعد از اعمال مایکروویو تأثیر می‌گذارد.

اثر گرمایش بر میکرو ارگانیزم‌های خاک

بررسی‌ها و مطالعات روی میکرو ارگانیزم‌های خاک نشان می‌دهد که با طولانی شدن زمان تابش مایکروویو جمعیت میکرو ارگانیزم‌های خاک کاهش می‌یابد. البته با افزایش رطوبت خاک بین 16% تا 37% و مقدار خاک، می‌توان از کاهش جمعیت میکرو ارگانیزم‌ها تا حدی جلوگیری کرد.

 

 

اثر گرمایش بر باکتری‌ها

آزمایش‌ها نشان داده است که با تابش 16 دقیقه‌ای مایکروویو به خاک، 78% باکتری‌ها و میکرو ارگانیزم‌هایی که در عمق 2 سانتی‌متری از خاک قرار داشتند نابود شدند. اما جمعیت باکتری‌ها و میکرو ارگانیزم‌هایی که در عمق 10 سانتی‌متری از سطح خاک قرار داشتند تغییر چندانی نکرد. به همین خاطر خاک کاملاً استریل نمی‌شود و باکتری‌ها می‌توانند خود را دوباره بازسازی کنند.

جمع‌بندی 

بر اساس اطلاعات موجود پدیده‌هایی همانند فرار حرارتی و روابط و معادله‌های غیرخطی دما با قدرت میدان الکتریکی بحث درباره افزایش با نسبت ثابت مشکل است.

اگر فرار حرارتی بتواند در بافت گیاه کاهش پیدا کند،زمان درمان و انرژی درمان وابسته به آن ممکن است به‌طورجدی برای افزایش کم میدان مایکروویو کاهش پیدا کند.

این ممکن منجر به سیستمی شود که با روش‌های مرسوم کنترل شیمیایی هم در مقدار انرژی به‌کاربرده شده و هم در هزینه قابل‌مقایسه باشد.

همچنین وجود زیست گونه‌های مقاوم به علف‌کش، مضرات مواد شیمیایی مانند متیل بروماید و مزایای کنترل علف‌ های هرز با مایکروویو این روش کنترل علف‌های هرز را جذاب ساخته است. اما انرژی بالای موردنیاز مانعی برای تجاری شدن این روش است. در کشورهایی مانند ایران که قیمت انرژی الکتریکی و سوخت ارزان است این روش می‌تواند جایگزین خوبی برای روش‌های متداول دفع علف‌های هرز باشد.