Исследования влияния параметров СВЧ-энергии на качественные и количественные показатели семян гречихи

УДК 631.53.027 Г.И. Цугленок, А.В. Заплетина

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ СВЧ-ЭНЕРГИИ НА КАЧЕСТВЕННЫЕ И КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ СЕМЯН ГРЕЧИХИ

В статье рассматривается методика проведения исследований по СВЧ-обработке семян крупяных культур. Изучение процесса СВЧ-обработки позволило выделить основные факторы воздействия на семена гречихи, обеспечивающие улучшение посевных качеств и урожайности семян.

Авторы рассказывают о влиянии энергии ЭМПСВЧ на качественные и количественные характеристики семян гречихи, основываясь на результатах своих исследований.

Формирование урожая - сложный биологический процесс, зависящий от качества посевного материала, погоды и условий возделывания почвы. Часто мероприятие, которое способствовало повышению урожая в одних условиях, становится неэффективным в других условиях. Поэтому для определения эффективности воздействия энергии ЭМПСВЧ на семена гречихи и подтверждения теоретических выводов опыты закладывались не только в лабораторных, но и полевых условиях.

Основными факторами, оказывающими стимулирующее и обеззараживающее действие на семена, являются температура нагрева семян, зависящая от напряженности поля в материале и времени обработки, и внешние факторы: время от обработки до посева, нормы высева и т.д. [3].

Исследование по влиянию ЭМПСВЧ на посевные качества семян проводились на лабораторную и полевую всхожесть, на зараженность и урожай.

Основу исследований составила методика активного планирования согласно плану Коно (Ко2) [1].

Время увлажнения и время отлежки (обработка-посев) - величины постоянные, они были выбраны согласно авторскому свидетельству Н.В. Цугленка [2]. На основании авторского свидетельства установлено, что время увлажнения семян гречихи составляет три минуты.

Изучаемые входные параметры:

Хі(т)- 30-90 - экспозиция нагрева, с;

Х2(Руд) - 180-900 - удельная мощность, Вт/дм3;

Хз^) - 4 - норма высева, млн шт/га.

Для определения всхожести семян гречихи, подвергнутых воздействию электромагнитного поля, семена закладывались на проращивание в день обработки. Однако в производственных условиях высеять семена в день обработки можно не всегда, поэтому выяснение вопроса о сохранности действия ЭМПСВЧ в течение нескольких суток имеет большое значение. С этой целью и для подтверждения теории семена гречихи высевали через восемь суток после воздействия электромагнитным полем СВЧ.

Для комплексного исследования влияния параметров СВЧ-нагрева на жизнеспособность бактерий, микрофлоры и на качественные показатели семян семена обрабатывалось в различных режимах СВЧ-печи мощностью 180-900 Вт. На первом этапе семена предварительно перед электронагревом отволаживались в течение десяти минут и затем на различных режимах нагревались до определенной конечной температуры по методике активного планирования эксперимента (план Коно 2).

Лабораторный опыт

Таблица 1

Результаты исследований влияния параметров СВЧ-поля на температуру нагрева семян

№ варианта Режим возд ействия Температура, 0С

Экспозиция

1 2 3 4

1 90 900 81,3

2 30 900 51,8

3 90 180 34,9

4 30 180 29

5 90 540 60,5

6 30 540 43,5

7 60 900 69,1

8 60 180 34,4

9 60 540 54,3

Контроль 0 0 23,5

В результате обработки полученных данных по определению значимых коэффициентов получено адекватное уравнение регрессии, связывающее выходной параметр - температуру нагрева семян и находящейся на нем микрофлоры с экспозицией т (Х1) нагрева зерна и удельной мощностью Руд (Х2):

у1 = 52 ,56 + 7,34 х1 + 17 ,32 х2 + 5.93 х1х2

Все уравнения были табулированы в программе Excel на персональных компьютерах типа Pentium. Используя программу Excel, были построены графические зависимости одного из выходных параметров температуры нагрева у1 семян от входных параметров: удельной мощности Руд и времени обработки т.

Результаты исследований влияния различных режимов СВЧ на температуру нагрева семян и содержащейся в нем микрофлоры приведены на рис. 1.

80,00-90,00

70,00-80,00

60,00-70,00

50,00-60,00

40,00-50,00

30,00-40,00

20,00-30,00

10,00-20,00

0,00-10,00

Рис. 1. Зависимость температуры нагрева семян и содержащейся в нем микрофлоры от параметров СВЧ-обработки, удельной мощности Руд и экспозиции т

Анализ влияния режимов СВЧ-нагрева на предварительно увлажненные семена при 10-минутном от-волаживании показывает практически прямую зависимость температуры нагрева с учетом тепловых потерь, от параметров СВЧ-поля (рис. 1).

Полевой опыт

Результаты исследований по влиянию СВЧ-энергии на качество и количество семян гречихи представлены в табл. 2.

Таблица 2

Влияние удельной мощности Руд и экспозиции нагрева т на полевую всхожесть семян гречихи

№ варианта Режим воздействия Температура, 0С Количество взошедших семян, шт. повторности

Экспозиция, т Удел. мощность, Руд 1 2 3 4

1 90 900 81,3 7 7 10 8

2 30 900 51,8 70 63 60 65

3 90 180 34,9 672 659 665 670

4 30 180 29 676 677 680 679

5 90 540 60,5 234 237 238 224

6 30 540 43,5 532 553 542 539

7 60 900 69,1 44 56 42 56

8 60 180 34,4 672 670 675 678

9 60 540 54,3 245 257 243 255

10 Контроль 23,5 609 619 591 599

В результате реализации матрицы плана Коно 2 (табл. 2) получено адекватное уравнение, связывающее полевую всхожесть с основными входными параметрами: Х2 - удельная мощность; хі - время обработки.

Данное уравнение получено со следующими коэффициентами:

у6 = 314 ,33 - 62 ,71 X1 - 316 ,04 х2 + 40 ,88 х’ + 15 ,13 х22 - 11 ,25 х 1 х2 .

В результате табулирования данного уравнения были построены графические зависимости полевой всхожести от входных параметров Руд (Х2) - удельной мощности и т (Хі) - времени обработки.

700,00-800,00

600,00-700,00

500,00-600,00

400,00-500,00

300,00-400,00

200,00-300,00

100,00-200,00

0,00-100,00

Рис. 2.. Зависимость полевой всхожести от параметров СВЧ-обработки и различных уровней времени нагрева

180

100,00

0,00

Из приведенных зависимостей (рис. 2) следует, что значительное снижение всхожести практически до 0 происходит при использовании максимальных значений удельной мощности Руд = 900 Вт/дм3 и времени обработки от 60 с и более.

При малых значениях удельной мощности и экспозиции 30-90 с температурное воздействие СВЧ-энергии приводит к стимуляции прорастания, что влияет на качество всхожести.

При исследовании культуры важное значение придавалось изучению признаков, определяющих в целом продуктивность растений, т.е. фракции по крупности семян и фракции по зрелости.

Результаты исследования влияния СВЧ-энергии на фракции по размеру семян (мелкие) получены в результате реализации матрицы плана Коно 2 и представлены в табл. 3.

Таблица 3

Влияние удельной мощности Руд и экспозиции нагрева т на количество мелких семян, %

№ варианта Режим воздействия Масса 1000 зерен, г Количество мелких семян, % повторности

Экспозиция, т Удел. мощность, Руд 1 2 3 4

1 90 900 23,5 20,3 17,4 18,4 18,1

2 30 900 26,4 15,6 14,5 15,1 15,4

3 90 180 33,2 6 6,1 6,2 6,3

4 30 180 33,2 5,9 6,2 6,6 6,3

5 90 540 27,4 14,1 13,8 13,9 13,5

6 30 540 28,1 12,3 11,8 11,3 11,5

7 60 900 25,3 18,4 16,1 16,3 16,0

8 60 180 32,9 6,8 6,3 6,1 7,0

9 60 540 27,9 12,4 11,9 13,2 13,1

10 Контроль 29,6 8,1 7,8 8,6 7,3

На основании результатов табл. 3 получено адекватное уравнение зависимости параметров, имеющее следующий вид:

у 7 = 12 ,75 + 0,90 х 1 + 5,24 х 2 - 1,18 х 22 + 0,88 х 1 х 2

В результате табулирования данного уравнения были построены графические зависимости мелкой фракции семян от входных параметров Руд (Х2) - удельной мощности и т (Хі) - времени обработки.

18,00-20,00  16,00-18,00

14,00-16,00

12,00-14,00

10,00-12,00

8,00-10,00  6,00-8,00

4,00-6,00  2,00-4,00

0,00-2,00

Рис. 3. Зависимость мелкой фракции семян от параметров СВЧ-обработки и различных уровней времени нагрева

На рис. 3 построены зависимости мелкой фракции от экспозиции и удельной мощности, которые показывают, что при высокой и средней мощности на всех экспозициях очень большой процент мелких недоросших семян.

При Руд=180-900 Вт/см2 и экспозиции 30-90 с количество мелких семян возрастает в линейной зависимости (3).

Результаты исследования влияния СВЧ-энергии на фракции по размеру семян (крупные) получены в результате реализации матрицы плана Коно 2 и представлены в табл. 4.

Таблица 4

Влияние удельной мощности Руд и экспозиции нагрева т на количество крупных семян, %

№ варианта Режим воздействия Масса 1000 зерен, г Количество взошедших семян, % повторности

Экспозиция, т Удел. мощность, Руд 1 2 3 4

1 90 900 23,5 79,7 82,6 81,6 81,9

2 30 900 26,4 84,4 85,5 84,9 84,6

3 90 180 33,2 94,0 93,9 93,8 93,7

4 30 180 33,2 94,1 93,8 93,4 93,7

5 90 540 27,4 85,9 86,2 86,1 86,5

6 30 540 28,1 87,7 88,2 88,7 88,5

7 60 900 25,3 81,6 83,9 83,7 84,0

8 60 180 32,9 93,2 93,7 93,9 93,0

9 60 540 27,9 87,6 88,1 86,8 86,9

10 Контроль 29,6 91,9 92,2 91,4 92,7

На основании результатов табл. 4 получено адекватное уравнение зависимости параметров, имею-

щее следующий вид:

у7 = 87 ,25 - 0,90 х 1 - 5,24 х2 + 1,18 х22 - 0,88 х 1 х2

В результате табулирования данного уравнения были построены графические зависимости мелкой фракции семян от входных параметров Руд (Х2) - удельной мощности и т (Хі) - времени обработки.

20,00

10,00

0,00

90,00-100,00  80,00-90,00

70,00-80,00

60,00-70,00

50,00-60,00

40,00-50,00

30,00-40,00

20,00-30,00

10,00-20,00  0,00-10,00

Рис. 4. Зависимость крупной фракции семян от параметров СВЧ-обработки и различных уровней

времени нагрева

100,00

Анализируя зависимости крупной фракции семян от параметров ВСЧ-обработки и различного времени нагрева, мы видим, что при увеличении мощности 360-900 Вт/см2 на всех экспозициях идет снижение урожайности крупных семян на 5 %

Результаты исследования влияния СВЧ-энергии на фракции по степени зрелости (полная) получены в результате реализации матрицы плана Коно 2 и представлены в табл. 5.

Таблица 5

Влияние удельной мощности Руд и экспозиции нагрева т на фракцию по степени зрелости (полная), %

№ варианта Режим воздействия Масса 1000 зерен, г Количество взошедших семян, % повторности

Экспозиция, т Удел. мощность, Руд 1 2 3 4

1 90 900 23,5 86,5 88,1 88,2 88,7

2 30 900 26,4 89,7 90,0 90,3 90,6

3 90 180 33,2 97,7 97,8 96,6 96,6

4 30 180 33,2 97,8 97,4 97,2 96,9

5 90 540 27,4 91,0 91,1 91,9 92,0

6 30 540 28,1 92,6 92,9 93,3 92,8

7 60 900 25,3 88,6 89,6 90,3 90,0

8 60 180 32,9 97,3 96,3 96,8 96,1

9 60 540 27,9 92,6 92,8 92,5 92,4

10 Контроль 29,6 96,0 95,9 95,5 95,7

На основании результатов табл. 5 получено адекватное уравнение зависимости параметров, имеющее следующий вид:

у7 = 92 ,41 - 0,64 х 1 - 3,91 х2 + 0,80 х2 - 0,53 х 1 х2 .

В результате табулирования данного уравнения были построены графические зависимости мелкой фракции семян от входных параметров Руд (Х2) - удельной мощности и т (Х1) - времени обработки.

Рис. 5. Зависимость полной фракции семян от параметров СВЧ-обработки и различных уровней

времени нагрева

Анализируя урожай по степени зрелости видно, что при Руд=540-900 Вт/см2 наблюдается снижение полной зрелости семян, это зависит от времени обработки и температуры семян (рис. 5).

Результаты исследования влияния СВЧ-энергии на фракции по степени зрелости (молочная) получены в результате реализации матрицы плана Коно 2 и представлены в табл. 6.

Таблица 6

Влияние удельной мощности Руд и экспозиции нагрева т на количество молочных семян, %

№ варианта Режим воздействия Масса 1000 зерен, г Количество молочных семян, % повторности

Экспозиция, т Удел. мощность, Руд 1 2 3 4

1 90 900 23,5 13,5 11,9 11,8 11,3

2 30 900 26,4 10,3 10,0 9,7 9,4

3 90 180 33,2 2,3 2,2 3,4 3,4

4 30 180 33,2 2,2 2,6 2,8 3,1

5 90 540 27,4 9,0 8,9 8,1 8,0

6 30 540 28,1 7,4 7,1 6,7 7,2

7 60 900 25,3 11,4 10,4 9,7 10,0

8 60 180 32,9 2,7 3,7 3,2 3,9

9 60 540 27,9 7,4 7,2 7,5 7,6

10 Контроль 29,6 4,0 4,1 4,5 4,3

На основании результатов табл. 6 получено адекватное уравнение зависимости параметров, имеющее следующий вид:

у7 = 7,59 + 0,64 х 1 + 3,91 х2 - 0,80 х2 + 0,53 х1х2 .

В результате табулирования данного уравнения были построены графические зависимости мелкой фракции семян от входных параметров Руд (Х2) - удельной мощности и т (Хі) - времени обработки.

Рис. 6. Зависимость молочной фракции семян от параметров СВЧ-обработки и различных уровней

времени нагрева

На рис. 6 наблюдается прямая зависимость несозревшей молочной фракции от мощностей и различных уровней нагрева.

При Руд=360—900 Вт/см2 и всех экспозициях количество недозревших (молочных) семян повышается от 2,2 до 13,5%, что недопустимо; урожайность сокращается на 11,3% (рис. 6).

Тогда как при Руд= 180 Вт/см2 и всех экспозициях степень недозревших(молочных) семян понижается с 3,9 до 2,2 %, то есть на 1,7 %, что значительно повышает урожайность по сравнению с другими режимами.

Полученные данные позволяют заключить, что наиболее эффективным является режим при Руд=180 Вт/см2 и экспозициях 30-90 с. Это подтверждает, что предпосевная обработка семян ЭМПСВЧ увеличивает энергию семян, что приводит к увеличению урожая и его качественных и количественных характеристик.

Выводы

Осуществлен выбор оптимальных режимов предпосевной обработки семян ЭМПСВЧ.

По результатам экспериментов были построены поверхности отклика и получены данные, подтверждающие, что при действии ЭМПСВЧ на семена реакция растительного организма изменяется в сторону увеличения урожайности на эффективных режимах.

Имеющиеся данные позволяют сравнить экспериментальный материал и выбрать наиболее эффективный режим для проведения производственных испытаний и подтверждения стабильности полученных ранее результатов.

После сопоставления режимов обработки был выбран наиболее эффективный и лучший по результатам Руд. = 180 Вт/дм2, т = 30-90 с.

Производственный опыт закладывался с использованием СВЧ-установки на полях учебного хозяйства «Миндерлинское».

Перед посевом семена увлажнялись. Принцип действия установки основан на формировании в семенах ЭМПСВЧ заданной структуры, оказывающей энергетическое и стимулирующее воздействие на семена. Частота электромагнитного поля установок не превышает допустимую и составляет 2450 МГц. Результаты исследований представлены в табл. 7.

Таблица 7

Результаты опыта

Показатель Мощность, экспозиция Контроль

Руд=900 Вт/см3 Руд=540 Вт/см3 Руд= 180 Вт/см3

т=30 т=60 т=90 т=30 т=60 Т II СО о т=30 Т II О) о Т II СО о

Температура после обработки, 0С 51,8 69,1 81,3 43,5 54,3 60,5 29,0 34,4 34,9 23,5

Масса 1000 зерен, г 26,4 25,3 23,5 28,1 27,9 27,4 33,2 32,9 33,2 29,6

Полевая всхожесть, шт. 65 50 8 541,5 250 233,3 678 673,8 666,5 604,5

Количество мелких семян, % 15,2 16,7 18,6 11,7 12,7 13,8 6,25 6,55 6,15 7,95

Количество крупных семян, % 84,9 83,3 81,5 88,3 87,4 86,2 93,8 93,5 93,9 92,1

Полная степень зрелости, % 90,2 89,6 87,9 92,9 92,6 91,5 97,3 96,6 97,2 95,8

Молочная степень зрелости, % 9,85 10,4 12,1 7,1 7,4 8,5 2,7 3,4 2,8 4,2

Полученные данные согласуются с теоретическими расчетами и подтверждают улучшение всех показателей за счет предпосевной обработки семян предложенной технологией.

Литература

1. Пен, Р.В. Статистические методы моделирования и оптимизации процессов целлюлозно-бумажного производства / Р.В. Пен. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 1982.

2. А.с. №950214. (СССР). Способ предпосевной обработки семян / Н.В. Цугленок. - Опубл. 1982. - Бюл. № 30.

3. Цугленок, Г.И. Методология и теория системы исследования электротехнологических процессов / Г.И. Цугленок; Краснояр. гос. аграр. ун-т. - Красноярск, 2003. - 193 с.