СПОСОБ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
METHOD FOR PRESOWING TREATMENT OF SEEDS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к растениеводству и семеноводству сельскохозяйственных культур, а именно к способам и устройствам для предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур.
Известны способы предпосевной обработки семян и посадочного материала сельскохозяйственных культур, в частности с помощью электрофизических факторов. Например, известен способ предпосевной обработки семян и устройство для его осуществления (RU №2299542 С2, 16.03.2004), в котором семена подают на скатные поверхности, а обработку выполняют токами коронного разряда в течение 2 с. К недостаткам способа следует отнести необходимость дозированной обработки семенного материала, что существенно снижает производительность обработки. Кроме того, влияние мощных электрофизических полей на живую ткань в полной мере не изучено и в ряде случаев может приводить к гибели организма.
Вместе с тем, устройство по патенту (RU №2299542 С2, 16.03.2004) предполагает необходимость одновременного использования нескольких источников высокого напряжения, что существенно усложняет конструкцию устройства и снижает уровень безопасности при эксплуатации устройства. Одновременно в установке через разрядную камеру поток семян идет в один слой и со скоростью, не превышающей скорость транспортерной ленты, что ограничивает производительность самой установки.
2
Более высокий уровень безопасности имеют способы, основанные на использовании оптических излучений, в частности способ обработки посадочного материала картофеля (RU №2076553 С1, 08.10.1993), в котором обработку ведут некогерентным оптическим излучением в диапазоне 360…700 нм с плотностью потока излучения 650…1100 Вт/м. Способ предполагает четырехкратную обработку с предварительным подогревом семенного материала, при этом на каждой стадии обработки используется свое распределение плотности потока излучения по частотному диапазону. Продолжительность обработки до 5 минут.
К недостаткам способа можно отнести, прежде всего, его высокую энергоемкость. При этом расход энергии возрастает пропорционально производительности, поскольку семенной материал выкладывается под облучательными лампами в один слой. Способ крайне затруднительно использовать в ходе предпосевной обработки больших объемов посадочного материала и семян, например зерновых культур.
К недостаткам устройства, реализующего способ по патенту RU №2076553, следует отнести сложность конструкции самих источников излучения, а также высокую сложность электросхемы управления источниками из-за необходимости поддержания заданной мощности потока излучения в различных частотных диапазонах.
Известен также способ промышленного возделывания сельскохозяйственных культур с использованием лазерного облучения (RU №2240663, 03.11.2003), который позволяет обрабатывать большие объемы семян в буртах непосредственно в условиях зернохранилищ. Обработка производится лазерным лучом, сканирующим внешнюю поверхность бурта в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Недостатком способа является невозможность активации семян, лежащих в глубинных слоях бурта, что существенно снижает эффективность обработки и требует дополнительного перелопачивания (перемешивания) семян в буртах. К недостаткам способа следует также отнести значительную общую продолжительность предпосевной обработки семян данным способом, достигающую 15…25 суток.
Для реализации описанного выше способа промышленного возделывания сельскохозяйственных культур (RU №2240663, 03.11.2003) предлагается использовать устройство для лазерной обработки семян и растений (RU 2202869 С2, 21.05.2001). Устройство содержит блок управления, лазерный генератор в корпусе и сканирующее устройство, включающее зеркало с двумя электроприводами, обеспечивающими сканирование лазерного луча в двух взаимно перпендикулярных направлениях. К недостаткам данного устройства следует отнести высокую сложность кинематической схемы привода сканирующего зеркала, а также низкую надежность при эксплуатации подобного привода в запыленных условиях зернохранилищ.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ предпосевной обработки семян (RU №2286037 С2, 10.08.2004), принятый за прототип, при котором семена подвергают непрерывной одноцикловой обработке с эффективной дозой излучения лазером с длиной волны 632,8 нм и высевают без отлежек перед посевом. Эффективная доза в данном случае достигается многократным (6…20 раз) облучением семян. Недостатком способа является сложность получения всеми обрабатываемыми семенами заданной эффективной дозы обработки, что существенно снижает качество и эффективность собственно самой обработки. Так, способ реализуется с помощью сканирующего устройства управления лучом лазера (RU №2321032 С2, 10.08.2004), разворачивающего луч лазера в двух взаимно перпендикулярных плоскостях с помощью вертикальной призмы и набора призм на горизонтальном валу. Однако в каждый данный момент времени развернутый луч лазера может падать только в одну точку транспортера с семенами, обрабатывая лишь одно семя из всех, находящихся в данный момент времени на транспортере. Для обработки всех точек транспортерной ленты (и следовательно, всех семян, находящихся на ней) необходимое число раз с учетом действительных размеров светового пятна лазера, размеров собственно семян и конструктивных размеров самого сканирующего устройства требуется сложная система синхронизации трех одновременных движений - продольного движения ленты транспортера, вращательного движения вертикальной призмы и вращательного движения горизонтального вала. При отсутствии такой системы синхронизации получение всеми семенами заданной эффективной дозы может оказаться невозможным.
Задачей настоящего изобретения является увеличение урожайности и устойчивости к вредителям сельскохозяйственных культур за счет существенного улучшения эффективности оптической предпосевной обработки семян, а также упрощение конструкции установки для такой обработки.
Поставленная задача достигается предлагаемым способом предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур когерентным излучением, при котором семена подают на скатную поверхность, выполняют обработку и выгрузку семян, при этом в процессе собственно обработки ориентируют семена длинной стороной вдоль скатной поверхности, а эффективную дозу излучения устанавливают одновременным изменением оптической мощности излучателя и угла наклона скатной поверхности к горизонту. Кратность обработки семян обеспечивается одним, двумя или более излучателями, установленными вдоль скатной поверхности. Время же отлежки перед посевом выбирают в интервале 0…24 ч.
Предлагаемый способ предпосевной обработки реализуется с помощью устройства, содержащего раму со скатной поверхностью и, по меньшей мере, один лазерный излучатель (фиг.1). На скатной поверхности рамы выполнены желоба с углом раствора и радиусом округления вершины желоба, выбираемыми в зависимости от механических характеристик обрабатываемых семян, например, угол раствора α=100…130°, и радиус скругления вершины желоба R=(1.0…1.2)×h (h - статистическое значение ширины обрабатываемых семян, мм). Лазерные излучатели закреплены на скатной поверхности и расположены так, что оптическая ось излучателя перпендикулярна скатной поверхности и пересекает геометрическую ось желоба.
ск
ск
ск
ск
ск
i
ii
iii
ii
Подача семян производится на скатную поверхность, выполненную в виде желоба с заданными размерами и однозначно определяющую траекторию движения семян в процессе обработки, а значит, и положение на скатной поверхности каждого из семян в любой момент времени. На поверхности траекторией движения семян является продольная ось желоба, поскольку при смещении центра тяжести семени от оси желоба возникает боковое усилие , возвращающее центр тяжести семени к оси желоба (фиг.2). Для увеличения значения бокового усилия  угол раствора желоба α выбран так, чтобы ∠γ (угол между векторами  и ) не превышал значения (90°-λ), где λ - угол естественного откоса семян. Так, для зерновых культур λ=34…37° [, ], для семян огурцов λ=29…32° [], для семян других сельскохозяйственных культур λ может иметь значения в пределах 25…40° []. Поскольку α=2γ (фиг.2), то значение угла раствора желоба выбирается в пределах α=100…130°. Выбор других значений угла α приводит к нестабильному положению центра масс семян относительно оси желоба скатной поверхности и, соответственно, существенному снижению эффективности обработки.
Другим отличительным признаком, увеличивающим эффективность обработки когерентным излучением, является радиус скругления вершины желоба
R=(1.0…1.2)×h,
где h - статистическое значение ширины обрабатываемых семян, мм.
Выбор радиуса скругления вершины желоба R в заданном диапазоне позволяет дополнительно стабилизировать положение центра масс семян относительно оси желоба скатной поверхности. Так, при значениях R<0.9×h возможна остановка части семян в наклонном положении относительно плоскости скатной поверхности, поскольку одно из ребер семени при этом упирается в боковую поверхность желоба. При значениях R>1.2×h существенно увеличивается амплитуда колебаний центра масс семян относительно оси желоба. В том и другом случае значительная часть семян, скатываясь по желобу, не попадает непосредственно в зону обработки под световое пятно лазера. Следовательно, названные выше значения угла раствора желоба и радиуса скругления его вершины обеспечивают стабилизацию траектории движения семян и являются существенными признаками предлагаемого технического решения, необходимыми для достижения поставленной цели.
Новой отличительной особенностью, необходимой для достижения поставленной цели, является способ получения эффективной дозы излучения одновременным изменением оптической мощности излучателя и угла наклона скатной поверхности к горизонту. Эффективность биостимуляции монохроматическим когерентным лазерным излучением может определяться рядом факторов, в том числе дозой облучения, называемой также экспозиционной дозой или энергетической экспозицией. В приведенных выше аналогах применяется термин «эффективная доза излучения». Энергетическая экспозиция или эффективная доза излучения может быть определена как:
2
2
где H - энергетическая экспозиция (Дж/см или Вт×с/см);
P - оптическая мощность излучателя (Вт);
2
F - площадь облучаемой поверхности (см) или, в случае отсутствия развертывающих устройств, площадь пятна лазера. Для конкретного излучателя данная величина изменена быть не может;
2
P/F - плотность мощности излучения или облученность поверхности (Вт/см);
t - время экспозиции (с), то есть время, в течение которого происходит облучение.
По сути, энергетическая экспозиция есть плотность мощности излучения за время экспозиции или плотность энергии, падающей на обрабатываемый объект. Энергетическая экспозиция напрямую зависит от плотности мощности излучения и времени воздействия. Для достижения одного и того же значения величины энергетической экспозиции можно задать малую мощность (при постоянном значении F) и облучать длительное время либо задать большую мощность, но малое время воздействия. Наличие и характер стимуляционных эффектов в том и другом случаях оказываются совершенно различны. Одновременно при обработке на скатной поверхности время обработки может быть изменено за счет изменения угла скатывания семян (угла наклона скатной поверхности). При зафиксированном положении излучателя относительно начала скатной поверхности увеличение угла наклона приведет к пропорциональному увеличению скорости скатывания семян под излучателем и, соответственно, уменьшению времени экспозиции t.
Выбор необходимой дозы излучения для достижения максимальной эффективности обработки семян обеспечивается как за счет изменения оптической мощности излучателя, так и за счет изменения угла наклона скатной поверхности к горизонту при зафиксированном на скатной поверхности положении излучателей.
За счет использования нескольких излучателей одновременно достигается требуемая кратность обработки. Таким образом, предлагаемое техническое решение конструкции устройства позволяет управлять параметрами плотности мощности излучения, времени и кратности обработки как независимыми, что позволяет улучшить качество и эффективность предпосевной обработки семян когерентным излучением. Возможность независимого управления тремя наиболее важными параметрами излучения является новым и существенным признаком, необходимым для достижения поставленной цели.
Лазерные излучатели (например, лазерные диоды) устанавливают вдоль скатной поверхности так, что оптическая ось излучателя пересекает ось желоба скатной поверхности, оставаясь при этом перпендикулярной самой скатной поверхности. В данном случае все семена, перемещаясь вдоль оси желоба, оказываются в зоне обработки под световым пятном лазера, исключая случайное попадание или непопадание семян под световое пятно лазера. В данном случае обработанными когерентным излучением оказываются все 100% семян, подаваемых на скатную поверхность, что позволяет считать данную особенность решения существенной и необходимой для достижения поставленной цели.
-4
-3
Особенностью предлагаемого решения является также время отлежки, выбираемое в интервале от 0 до 24 ч. Известно, что при бесхлорофильной природе поглощения энергии квантов света в семенах время, затрачиваемое на запуск биохимических реакций синтеза белковых соединений, не превышает 10…10 с. Данные реакции могут завершиться только прорастанием семени в соответствующих условиях. Так, в проведенных весной 2008 года экспериментах с томатами сорта Катюша всхожесть семян, обработанных в соответствии с предлагаемым техническим решением и высеянных в почву через 12…18 часов после окончания обработки, составила 95…97%. Семена же, высеянные более чем через 24 часа, либо не взошли полностью, либо их всхожесть не превысила 20…25% в зависимости от принятого режима обработки. Следовательно, время отлежки не более чем 24 часа является существенным признаком данного технического решения, также необходимым для достижения поставленной цели.
Таким образом, все перечисленные признаки являются необходимыми, новыми и служат для достижения положительного эффекта, что позволяет сделать вывод о том, что предлагаемое техническое решение обладает новизной и существенными отличиями.
На фиг.1 показан схематически общий вид устройства. На фиг.2 - вид сбоку по стрелке А. На фиг.3 представлен график влияния радиуса желоба на число обработанных семян для различных культур (1 - огурцы, 2 - томаты, 3 - горох сорта Неистощимый, 4 - пшеница сорта Иргина). На фиг.4 представлен график влияния угла раствора желоба на число обработанных семян тех же культур.
Устройство предпосевной обработки семян состоит из рамы со скатной поверхностью 1, лазерных излучателей 2, желоба 3 с углом раствора α и радиусом R скругления желоба, а также держателя 4 излучателей 2.
Способ осуществляют следующим образом. Семена, например, из бункера подаются на скатную поверхность 1 вблизи ее начала (фиг.1). Часть семян при этом попадает в нижнюю скругленную часть желоба 3 вблизи его оси, другая часть оказывается на боковых поверхностях желоба. Семена, оказавшиеся вблизи оси желоба, скатываясь по поверхности 1, попадают под световые пятна лазеров 2. Одновременно траектория семян, попавших на боковые поверхности желоба, по мере движения по скатной поверхности 1 стабилизируется вблизи оси желоба, в результате чего эти семена также оказываются под световыми пятнами лазеров 2. В конечном итоге вся масса семян, находящихся на скатной поверхности 1, должна пройти через зону обработки когерентным излучением под световыми пятнами лазеров 2. Далее по мере скатывания с поверхности 1 обработанные семена собираются в ее конце, например в приемном бункере. Обработанные семена в соответствии с принятой агротехникой возделывания высеваются в почву в течение ближайших 24 часов.
Устройство работает следующим образом. Необходимые режимы процесса обработки (параметры желоба скатной поверхности, угол наклона скатной поверхности, оптическая мощность лазеров, число одновременно включенных излучателей (кратность обработки) выбираются и настраиваются до начала работы установки в зависимости от сорта обрабатываемых семян. Далее включается электросхема устройства, излучатели выводятся на заданный режим работы. После этого открывается заслонка подающего бункера, семена высыпаются на скатную поверхность, проходят сквозь световые пятна, получая необходимую заранее установленную дозу излучения, и собираются, например, в приемном бункере.
Заявляемый способ опробован в ходе опытно-промышленных испытаний в ряде хозяйств. В ходе работ проводили предпосевную обработку семян огурцов гибрида F1 Кураж для условий летней вегетации и сорта Эстафета для условий зимней вегетации, семян томатов сорта Катюша, а также семян яровой пшеницы сорта Иргина и гороха сорта Неистощимый. Одновременно с семенами, обработанными когерентными излучениями, засевались контрольные делянки необработанными семенами.
Процесс движения семян по скатной доске фиксировался на видеокамеру. Затем при замедленном просмотре подсчитывалось количество семян, попадающих в зону обработки в зависимости от параметров желоба скатной доски. Результаты расчетов приведены на фиг.3 и фиг.4.
iii
iii
Полученные данные позволяют отметить, что наилучшее качество обработки достигается в достаточно узком диапазоне значений R радиуса скругления вершины желоба для каждой из исследованных культур. Так, для семян огурцов (h=3,7 мм []) максимум числа семян, проходящих зону обработки, достигается при значении R=4,0…4,1 мм (фиг.3), для семян томатов (h=2,35 мм []) наилучшее значение R=2,5 мм. Аналогичная ситуация возникает при обработке семян гороха (h=6,9 мм, R=8,0…8,1 мм) и семян пшеницы (h=2,8 мм, R=3,0…3,1 мм). Сводные результаты оптимизации значения R приведены в табл.1. Во всех выполненных экспериментах наилучшее значение R оказалось внутри рекомендованного диапазона R=(1,0…1,2)×h. За пределами же данного диапазона качество обработки семян существенно снижается (фиг.3).
Аналогичное снижение качества обработки характерно также для угла раствора желоба более 130° (фиг.4), при этом количество обработанных семян существенно снижается с 80…95% до 10…20% для угла раствора 160°. В данном случае сказывается существенное снижение стабильности траектории движения при углах раствора более 130°. При углах раствора менее 100° движение семян на скатной доске в значительной степени определяется индексом формы k - отношением ширины к толщине семени. При значениях k, близких к 1 (семена гороха и пшеницы), траектория движения достаточно быстро стабилизируется вблизи оси желоба, что позволяет большинству семян пройти через зону обработки. При значениях k>2 (семена огурцов и томатов) часть семян на протяжении всей траектории движения остаются в наклонном положении вблизи одной из сторон желоба, причем с уменьшением угла раствора желоба количество таких семян увеличивается, что существенно снижает качество обработки (фиг.4). Вместе с тем, во всех проведенных испытаниях максимум количества обработанных семян достигается при углах раствора желоба в пределах 100…130°.
Проведенные испытания позволили установить лучшие и оптимальные режимы предпосевной обработки семян различных культур, получив при этом существенное увеличение урожайности в сравнении с контролем (для томатов Катюша - 63…79%, для огурцов Кураж - 13…25%, для огурцов Эстафета - 28…34%, для пшеницы Иргина - 47…64%). В ряде случаев урожайность на худших режимах предпосевной обработки также оказалась несколько выше контрольной. Следует также отметить, что для разных сортов и культур наилучшими по достигаемому результату являются различные комбинации параметров обработки, различные режимы обработки.
Вместе с тем, как следует из данных табл.2, поставленная цель достигается только в заявляемых пределах.
Как видно из приведенных данных, предлагаемый способ предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур позволяет увеличить их урожайность на 20…70%. Энергозатраты же на такую обработку минимальны. Так, в проведенных испытаниях мощность лазерного излучателя не превышала 40 мВт. Совокупность же качественных и экономических характеристик предлагаемого способа предпосевной обработки семян в тепличном блоке площадью 2,4 га позволяет за счет увеличения урожайности снизить себестоимость производства овощей на 5 руб./кг, получив при этом за первый культурооборот не менее 5 млн рублей прибыли от продажи дополнительной продукции.
i
Сельскохозяйственные и мелиоративные машины / Г.Е.Листопад, Г.К.Демидов, Б.Д.Зонов и др.; Под общ. ред. Г.Е.Листопада. - М.: Агропромиздат, 1986. - 668 с.
ii
Кленин М.И., Скакун В.А. Сельскохозяйственные и мелиоративные машины: Элементы теории рабочих процессов, расчет регулировочных параметров и режимов работы. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Колос, 1980. - 671 с.
iii
Лудилов В.А. Семеноведение овощных и бахчевых культур. - М.: ФНГУ «Роинформагротех», 2005. - 392 с.