Технологические аспекты подготовки семян пшеницы к посеву в засушливых условиях

Актуальность исследований. Появление всходов зерновых культур зависит в основном от степени увлажнения почвы в пахотном слое, обеспечивающего, например для пшеницы, поглощение воды до 48%-ной относительной влажности. В противном случае неизбежны задержки всходов и недостаточное развитие растений к началу зимних заморозков [2, 6].

Изменения климата в ряде южных регионов и центра страны приводят к нарушениям сроков посева зерновых и сокращению их урожайности. Всё это предопределяет актуальность исследований и разработок в области совершенствования технологии подготовки семян к посеву в условиях засухи, в том числе и проводимых нами работ по предпосевному насыщению семян влагой с последующими операциями наружной сушки увлажнённых семян и покрытия их влагозащитной плёнкой, что устраняет потери влаги в почву после их посева [4, 8, 9,12].

Материалы и методы. Исследования выполнены на базе Азово-Черноморского инженерного института - филиала ФГБОУ ВО Донской ГАУ, а производственные опыты - в Агротехнологическом центре этого института.

Объект исследований - семена мягкой пшеницы Г ром и Донская юбилейная. В процессе их обработки по предлагаемой технологии семена увлажняли в лаборатории в специальной увлажнительной установке, а для производственных исследований - в одном из бункеров зернообрабатывающего агрегата

ЗАВ-40 путём распыления воды в режиме специально разработанной программы [3, 5]. Наружную подсушку увлажнённых семян производили в потоке тёплого воздуха на решётных станах. Для нанесения влагозащитной пленки использовалась установка по патенту № 2653069 RU МПК А23В 7/16 (Установка для нанесения влагозащитной плёнки на семена сельскохозяйственных культур) [10], Посев на опытных делянках осуществляли с использованием селекционной сеялки марки СН-16 с трактором Т-25. Площадь каждой делянки была равна 100 м2. На таком участке высевалось 11 рядков с шириной междурядий 15 см и глубиной заделки семян 6 см.

На контрольной делянке засевали сухие протравленные семена с рекомендуемой для зоны нормой высева - 4,8 млн семян на один гектар.

Результаты исследований. По строению семя пшеницы относится к пористым коллоиднокапиллярным телам [1, 11]. Капилляры в семени пронизывают все части зерновки, имеются многочисленные мелкие каналы, трещины и поры, заполненные воздухом атмосферного давления, который мешает поглощению воды при увлажнении семян. При увлажнении часть влаги впитывается оболочками и алейроновым слоем семени, другая часть воды заполняет объёмы микротрещин и пор. Процесс диффузии влаги в семя при увлажнении представлен схематически на рисунке 1.

1 - семя: 2 - пограничный слой семени; 3 - зона увлажнения Рисунок 1 - Схема процесса диффузии влаги в семя пшеницы при увлажнении

При увлажнении на наружной поверхности семени образуется гидродинамический пограничный слой, через который затем происходит диффузия влаги в семя [3, 4, 8].

Содержание в семени воды до увлажнения составляет:

где G-- масса подаваемых на увлажнение семян, кг;

ИА - количество воды в семени до увлажнения, кг; ®1 - исходная влажность семени до его увлажнения, %.

После увлажнения в семени будет содержаться следующее количество воды:

^/  2^2           (2)

-    100

где ИА - количество воды в увлажнённом семени, кг;

Gz - масса увлажнённых семян, кг;

сог - относительная влажность увлажнённого зерна, %.

Учитывая, что количество сухого вещества при увлажнении семени всё время остается постоянным, необходимое количество воды W на их увлажнение будет:

^ = ^2-^=0,- ‘)'-’"^6,, ,«Г. (3) 100-0)2

Обычно степень увлажнения семян определяется в процентах, отношением содержания в семени влаги (кг) к массе в нём сухого вещества, что не позволяет оценить степень насыщенности семян водой - одного из основных показателей технологии подготовки их к посеву в условиях засухи. По аналогии с процессом пастеризации молока возможна оценка степени насыщения семян влагой критерием влагонасыщенности их.

Так как процесс увлажнения семян влагой происходит с затуханием постепенно к полному насыщению водой, то за одинаковый промежуток времени разность влажности в конце процесса увлажнения будет крайне малой. По истечении промежутка времени t_n с начала процесса увлажнения семя перестаёт впитывать влагу из-за насыщения, назовём его временем необходимого влаготермического воздействия на семя для полного его насыщения водой. За единицу времени средний эффект увлажнения семени составит Mtn. Если насыщение семени водой достигается за время увлажнения z, то z = t_n. На процесс насыщения семян при z = tn бесполезно затрачивается избыточное время, а если z = t_n, то увлажнение семян завершено только частично. Следовательно, отношение zlt_n показывает меру насыщения семян влагой в долях единицы и представляет собой критерий завершённости увлажнения. Обозначим его символом К_н (критерий насыщения). Тогда, если длительность процесса мгновенная, то элементарный эффект будет равен dz/t_n и суммарный эффект за определённое время составит:

г dz

^=1—         <4>

tn

В частности, при постоянных z и t_n К_н = z/t_n, а при z = t_n К_н = 1, что соответствует завершению насыщения семени водой.

В исследуемой технологии подготовки семян к посеву поверхностная сушка их после насыщения водой или защитно-стимулирующими растворами предусмотрена вентилированием на серийных решётных сортировальных машинах агрегата ЗАВ. В результате вентилирования происходит постоянная смена воздуха в подвижном слое семенного материала на вибрирующем решётном стане.

Скорость удаления влаги при этом определяется формулой [4]:

g,„= 0,14(1+0,72^).^-^),       (5)

где р_с и р_ср - парциальные давления пара на поверхности семени и в окружающей среде, Па;

и_в - скорость воздушного потока, м/с.

Далее можно определить и теоретическую длительность наружной подсушки семян при количестве воды на них W_nn.

W tc=^4.        (6)

§т

В задачи вентилирования, таким образом, входило удаление только поверхностной влаги, для чего предусмотрено использование подогретого воздуха при скорости движения семян на решете 0,05 м/с.

Заключительная операция предлагаемой технологии подготовки семян к посеву - покрытие их влагозащитной плёнкой. Среди известных способов нанесения влагозащитных покрытий на сельскохозяйственную продукцию наибольший интерес представляют распыление материала покрытия на семена и обработка их в парах этого материала. Последний способ реализован нами в устройстве по указанному ранее патенту [10], а в ряде статей [2, 3, 4, 7, 9] представлены результаты его исследований.

На рисунке 2 дана схема потоков семян и паров материала влагозащитного покрытия в течке аппарата для нанесения этого покрытия.

Зерно, подаваемое в течку, приобретает при свободном падении к месту установки распылителя паров следующую скорость:

V3=gTb         dk где g - ускорение земного притяжения, м/с2.

Ti- длительность падения зерна с высоты Һ, с.

Рисунок 2 - Схема потоков семян и паров материала влагозащитного покрытия в течке

где Һ - высота падения зерна до ввода паров влагозащитного покрытия, м.

Длительность падения семени ограничена продолжительностью температурного воздействия на зародыш паров влагозащитного покрытия. С учётом теплопередачи от пара к семени получено для времени нагрева зерновки до допустимой температуры при нанесении на её поверхность влагозащитного покрытия следующее уравнение:

Т =

Gc L. 1. FkMcp

где G - масса зерновки, кг;

• с - теплоёмкость её, ккал/кг град;

Д - допустимая температура нагрева семени, °C.

• F - площадь поверхности зерновки;

• к - общий коэффициент теплопередачи к зерновке;

Л=Ткач Ткон,       (10)4 т

т кон

Тнач и Гкон - начальная и конечная разности температур нагрева материала покрытия и зерновки.

По расчётам допустимая длительность выдержки увлажнённой зерновки с условным диаметром d_y = 4 мм в парах парафина составляет не более 0,306 с. Этому времени соответствует расстояние Һ до ввода паров материала влагозащитного покрытия в течку для зерна не более 0,46 м.

Скорость зерна в этом сечении составит 3 м/с, а скорость паров покрытия во встречном потоке должна быть не меньше скорости зерна, что определяет и производительность вентилятора. На рисунке 3 дан общий вид установки для нанесения влагозащитного покрытия на увлажнённые семена.

• 1    - бункер; 2 - заслонка; 3 - опытная наружная подсушка зерна ворошением; 4 - камера ввода паров материала покрытия;

5 - парообразователь; 6 - вентилятор Рисунок 3 - Общий вид установки для нанесения влагозащитных покрытий на семена

По данным экспериментов расход парафина марки П-2 для влагозащитного покрытия одной тонны насыщенных влагой семян по предлагаемой технологии составляет 20-25 г. При ёмкости бункера для зерна Qi = 30 тонн общий расход парафина составит не более одного килограмма.

Выводы. Анализом производства озимых зерновых культур в зонах их возделывания установлено, что посев их нередко сопровождается сухой погодой, всходы входят в зиму разреженными и ослабленными, что снижает урожайность и вызывает значительные убытки.

Предложенная технология подготовки семян к озимому севу в засушливых условиях предварительным насыщением их водой, последующей наружной подсушкой и покрытием влагозащитной микроплёнкой исключает потери влаги зерном в иссушенную почву и может производиться даже за пределами оптимальных сроков посева.

Получены расчётные зависимости для определения содержания воды в семени по мере его увлажнения, параметров наружной подсушки семян после увлажнения, влагозащитного покрытия семян во встречном потоке паров материала покрытия и других показателей технологической линии подготовки семян к посеву.