Совершенствование технологии подготовки семян зерновых к озимому посеву в условиях аридизации климата

Актуальность работы обусловлена тем, что эффективность возделывания озимых зерновых культур во многих регионах России и в зарубежных странах в последние годы всё в большей мере зависит от условий внешней среды - степени увлажнения почвы и погоды в установленные агросроки их посева [1]. Осенний сев семян зерновых в настоящее время, а по прогнозам и в ближайшей перспективе, часто сопровождается жаркой погодой и иссушением почвы. Современные влагосберегающие технологии подготовки почвы к посеву и посева зерновых в засушливых условиях не гарантируют их всхожесть и достаточное развитие к моменту наступления заморозков.

Традиционная общепринятая технология подготовки семян к посеву предусматривает их отбор при сортировке, протравливание и высев с установленной нормой на глубину оптимальной заделки [1, 2]. Посев предусмотрен во влажную почву, но в условиях аридизации климата нередко вынужденно производится в сухую почву с надеждой появления ближайших дождей. При их отсутствии посеянные семена долго не могут взойти и так же, как и высеянные позже оптимальных сроков, всходы в зиму входят ослабленными, разреженными и нередко погибают и пересеваются весной, что резко снижает их урожайность.

В последние годы распространение во многих странах мира получает способ обильного увлажнения семян перед посевом (прайминг семян) до их набухания [3, 4]. Однако третья часть влаги зерном теряется в иссушенную почву после посева, что снижает эффективность такого способа и в принципе не решает возникшей проблемы.

Цель нашего исследования - обеспечение увлажнения семян зерновых перед осенним посевом до влажности, достаточной для их прорастания, защита этой влаги от потерь в иссушенную почву изоляцией путём наружного покрытия семян плёнкой из легкоплавких материалов.

В задачи исследования в связи с этим входили вопросы разработки усовершенствованного способа подготовки семян к посеву, определение набора и последовательности технологических операций, а также обоснование параметров машин и оборудования их осуществляющих.

В результате исследований установлена необходимость включения в состав основных операций процесса подготовки семян к посеву орошения их растворами протравливающих и стимулирующих препаратов с добавлением микроэлементов в качестве удобрений, наружной подсушки и покрытия влагозащитной плёнкой [5, 6].

Увлажнение семян - основная операция подготовки их к посеву с учетом того, что факторы обеспечения их теплом и воздухом после посева обычно оптимальны [7]. По структуре и строению зерно семени представляет собой коллоидное капиллярно-пористое тело, имеющее большое количество мелких каналов и трещин, заполненных воздухом. Содержание сухого вещества в семени всё время остаётся постоянным. Если обозначить его символом Go, то оно составит:

=                    И)

где Gi - масса семени зерна до увлажнения, кг; а; - содержание сухого вещества в семени, %.

Поэтому до увлажнения в зерне содержалось следующее количество жидкости W<,

W,=^,kz,        (2)

где ал - влажность семени до увлажнения, %.

На увлажнение одного килограмма семян до влажности № потребуется следующее количество жидкости:

где И/— количество жидкости, необходимой для увлажнения семян, кг;

к - коэффициент учёта потерь жидкости испарением и на смачивание деталей увлажнительной установки.

При насыщении зерна влагой большая часть её впитывается за счёт диффузии или градиента влажности Vu [8, 9], меньшая - за счёт температурного градиента Vt. Нами установлена возможность интенсификации этого процесса и за счёт градиента давления Vp, для чего предложено вакуумирование семян предварительно до их увлажнения [10].

В обычных условиях при достаточном количестве влаги в почве набухание семян и их всхожесть происходят на пятые-шестые сутки после посева, при предварительном увлажнении семян с использованием указанных трёх градиентов процесс набухания их ускоряется (рисунок 1) и может быть сведён к одним суткам. При этом весь промежуток времени до набухания семян можно условно разделить на три участка. На первом, начальном участке поглощение влаги происходит в основном за счёт диффузии, то есть сил гидратации, что обусловлено химическим строением зерновки, наличием в ней большого количества гидрофильных группировок, притягивающих молекулы воды.

На этом участке интенсивность поглощения жидкости высокая, ускоренная. Поступает она преимущественно в зародыш семени.

На втором участке интенсифицируется гидролиз сложных запасных веществ и соединений зерновки на более простые, увеличиваются силы набухания. Жидкость по-прежнему втягивается в зерновку теперь за счёт осмоса, но более замедленно, и поступает в основном в эндосперм, активизируя синтез белков-ферментов.

Третий участок характеризует окончательное насыщение семян влагой и активизацией процессов прорастания зародыша.

Аналогично происходит и увлажнение семян других культур, например, семян проса (кривая 2 рисунка 1).

1 - для пшеницы; 2 - для проса

Рисунок 1 - Зависимость влажности семян от длительности увлажнения по предлагаемой технологии

Установлено, что процесс насыщения семян влагой сопровождается и значительным изменением их физико-механических свойств [11] и размеров (рисунок 2): условный диаметр их линейно возрастает, повышается на 8-9% коэффициент внутреннего трения, снижается на 4-5% объёмная масса.

Расход воды на увлажнение зерна с повышением его влажности также увеличивается. Это увеличение практически линейное и в принципе близко к теоретическому, определяемому зависимостью (3), что свидетельствует о возможности определения потребного для увлажнения семян количества воды расчётным

Рисунок 2 - Зависимость условного диаметра d семени пшеницы и расхода воды И/ на увлажнение 100 кг семян от степени насыщения их влагой о

Последующая после увлажнения семян операция их наружной подсушки в принципе не сложна и может осуществляться продувкой атмосферного воздуха на серийных установках для сортировки зерна.

Более сложной является операция нанесения на увлажнённые семена влагозащитной плёнки. В качестве такой плёнки могут быть использованы воск или легкоплавкий парафин, применяемые в настоящее время при длительном хранении овощей и фруктов [12]. Нанесение их на поверхность производится погружением в расплав или распылением, что нежелательно для зерновых не только из-за большого расхода материалов покрытия, но и из-за возможности повреждения зародышей семян действием повышенных температур нагрева этих материалов. В связи с этим возникает необхо- димость обработки семян потоком паров воска или парафина, обеспечивающей нанесение на них более тонких влагозащитных плёнок, в том числе наноплёнок.

Опытная проверка предлагаемой технологии подготовки семян пшеницы «Юбилейная 100» к осеннему посеву проведена на земельных участках учебно-опытного фермерского хозяйства Азово-Черноморского инженерного института (рисунок 4).

В сравнении с посевами по традиционной технологии без увлажнения семян (левая часть рисунка) посевы семян, прошедших подготовку в соответствии с предложенной технологией, более развиты. Показатели всхожести, появления и развития растений к зимним заморозкам явно отличались в лучшую сторону, урожайность в сравнении с аналогами была выше на 20-25%.

Рисунок 4 - Общий вид экспериментальных посевов пшеницы на опытных делянках

Широкое внедрение усовершенствованной технологии подготовки семян к посеву в настоящее время ограничивается отсутствием специального оборудования достаточно высокой производительности. На всех серийных промышленных увлажнительных установках, в том числе и для мокрого протравливания семян типа ЗУМ-2, имеются бункера небольшого объёма [12], в то время как для подготовки семян для поля в 100-150 га требуются ёмкости до 30 м3

Такие бункера имеют серийные зернообрабатывающие агрегаты и зерносушильные комплексы, имеющиеся практически во всех хозяйствах зерносеющих зон страны, к тому же свободные от нагрузки прямого назначения к моменту посева озимых культур.

На рисунке 5 представлена одна из возможных схем использования зернообрабатывающего агрегата ЗАВ-40 для производства дополнительной операции или функции подготовки семян к посеву путём их увлажнения и покрытия влагозащитной наноплёнкой.

По этой схеме на агрегате ЗАВ-40 необходимо дополнительно установить ёмкости для жидких растворов 2, распылители жидкости 3 и аппарат для нанесения наноплёнки на семена 7, обеспечивающий встречный поток паров материала нанопокрытия 10 потоку зерна после наружной подсушки.

При работе такого агрегата семена загружаются в бункер 1, далее норией 3 подаются в один из бункеров 3, в нём подвергаются увлажнению путём периодического увлажнения не менее одних суток, после чего норией 5 транспортируются в воздушно-решетную машину 6 марки ЗВС-20А или ОВС-25 для наружной подсушки семян потоком тёплого воздуха. Из неё поток семян попадает в аппарат 7 для нанесения на их наружную поверхность наноплёнки во встречном потоке паров материала нанопокрытия. Обработанные семена собираются в бункере готовой продукции 9 и отправляются к посевным агрегатам.

S

• 1    - загрузочный бункер;

• 2    - баки для растворов;

• 3    - распылители;

• 4 и 5-нории;

6-сортировка зерна;

7-аппарат нанесения наноплёнки;

• 8    - бункер увлажнения;

• 9    - бункер семян к посеву;

• 10    - устройство для нагрева и циркуляции паров нанопокрытия

Рисунок 5 - Схема переоборудования зернообрабатывающего агрегата ЗАВ-40 для подготовки семян к озимому посеву

Выводы. По расчётам использование агрегатов типа ЗАВ при подготовке семян к севу в засушливых условиях на одном отделении хозяйства с посевами озимых до 1500 га позволит увеличить сбор зерновых на 18,3% и получить за счёт устранения дополнительных затрат на пересев и повышения урожайности экономический эффект более 14 млн руб., что окупает все затраты на оборудование ЗАВ к работе по выполнению этой функции за один сезон производства озимых.