CC BY
27
ISSN 0321-3005 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИИ РЕГИОН._ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ. 2017. № 4-1
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION. NATURAL SCIENCE. 2017. No. 4-1
УДК 663/635.631.53.04.001 DOI 10.23683/0321-3005-2017-4-1-70-74
О СОВЕРШЕНСТВОВАНИИ ТЕХНОЛОГИИ ПОДГОТОВКИ СЕМЯН ЗЕРНОВЫХ ПЕРЕД ПОСЕВОМ В УСЛОВИЯХ АРИДИЗАЦИИ КЛИМАТА
© 2017 г. А.В. Касьяненко1, И.Н. Красное2, И.А. Кравченко2, Т.Н. Толстоухова2
1ЗАО «СКВО», Ростов-на-Дону, Россия, 2Азово-Черноморский инженерный институт, филиал Донского государственного аграрного университета в г. Зернограде, Зерноград, Россия
ON IMPROVING THE TECHNOLOGY OF PREPARATION OF GRAIN SEEDS BEFORE SOWING IN CONDITIONS OF CLIMATE ARIDIZATION
A. V. Kasyanenko1, I.N. Krasnov2, I.A. Kravchenko2, T.N. Tolstoukhovа2
JSC "SKVO", Rostov-on-Don, Russia, 2Azov-Black Sea Engineering Institute, Branch of the Don State Agrarian University of Zernograd, Zernograd, Russia
Касьяненко Анна Владимировна - экономист, генеральный директор, ЗАО «СКВО», ул. Малюгиной, 214/4, г. Ростов-на-Дону, 344000, Россия, е-шаИ: [email protected]
Краснов Иван Николаевич - доктор технических наук, профессор, кафедра технологии и средства механизации агропромышленного комплекса, Азово-Черноморский инженерный институт, филиал Донского государственного аграрного университета в г. Зернограде, ул. Ленина, 19, г. Зерноград, Ростовская обл., 347740, Россия, е-mail: [email protected]
Кравченко Иван Андреевич - кандидат технических наук, доцент, кафедра технологии и средства механизации агропромышленного комплекса, Азово-Черноморский инженерный институт, филиал Донского государственного аграрного университета в г. Зернограде, ул. Ленина, 19, г. Зерноград, Ростовская обл., 347740, Россия, е-mail: uvan. kravchenko @шail. ги
Anna V. Kasyanenko - Economist, General Director of JSC "SKVO", Malyuginoy St., 214/4, Rostov-on-Don, 344000, Russia, e-mail: [email protected]
Ivan N. Krasnov - Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Technology and Mechanization of Agriculture, Azov-Black Sea Engineering Institute, Branch of the Don State Agrarian University of Zernograd, Lenina St., 19, Zernograd, Rostov Region, 347740, Russia, e-mail: kras-nov1310@rambler. ru
Ivan A. Kravchenko - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Technology and Mechanization of Agriculture, Azov-Black Sea Engineering Institute, Branch of the Don State Agrarian University of Zernograd, Lenina St., 19, Zernograd, Rostov Region, 347740, Russia, email: [email protected]
Толстоухова Татьяна Николаевна - кандидат технических Tatiana N. Tolstoukhova - Candidate of Technical Sciences,
наук, доцент, кафедра технологии и средства механизации аг- Associate Professor, Department of Technology andMecha-
ропромышленного комплекса, Азово-Черноморский инженер- nization of agriculture, Azov-Black Sea Engineering Institute
ный институт, филиал Донского государственного аграрного Branch of the Don State Agrarian University of Zernograd,
университета в г. Зернограде, ул. Ленина, 19, г. Зерноград, Ро- Lenina St., 19., Zernograd, Rostov Region, 347740, Russia,
стовская обл., 347740, Россия, е-mail: [email protected] е-mail: [email protected]
Расматривается проблема сохранения посевов и повышения урожайности озимых зерновых культур в условиях изменения климата. В последние годы указанная проблема приобрела особую актуальность в связи с резким иссушением почвы в осенний период. Один из путей её решения - это совершенствование технологии подготовки семян зерновых с возможностью осеннего посева их в оптимальные сроки независимо от влажности почвы. Предложен способ насыщения семян водой или растворами протравливающих и стимулирующих препаратов с последующим покрытием их до посева тонкой влагозащитной плёнкой. Дан анализ процесса нанесения на семена микроплёнки во встречном потоке паров материала покрытия. Опытными посевами определена возможность посева их в установленные агротехнические сроки и увеличения урожайности.
Ключевые слова: семена зерновых, осенний сев, сухая почва, насыщение влагой, влагозащитное покрытие.
The problem ofpreservation of crops and increase ofproductivity ofwinter grain crops in the conditions of climate in the article. This problem has become particularly relevant in connection with the sharp dryness of the soil in the autumn. Improvement of technology ofpreparation of grain seeds, with the possibility of autumn sowing them at the optimum time regardless ofsoil moisture is one of the ways of its solution. The proposed method of saturation with water or aqueous etching and stimulating drugs, followed by coating them before planting a thin waterproof film. The analysis of the process of seed coating, microfilm in the counter flow of vapor of the coating material. Experienced crops the possibility of planting them in agronomic terms and increasing yields.
Keywords: grain seeds, autumn sowing, dry soil, saturated with moisture, a moisture-resistant coating.
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
Общепринята практика подготовки семян к посеву путём их отбора при сортировке и протравливания до высева с установленной нормой на глубину заделки [1, 2]. Посев семян предусмотрен в увлажнённую почву, однако осенью из-за засушливых условий, вызванных аридизацией климата в последние годы, он вынужденно производится в иссушенную почву с нарушением оптимальных сроков посева в надежде на скорое появление атмосферных осадков. При их отсутствии долго не всходившие семена формируются разреженными и ослабленными, посевы в зиму нередко погибают. Весной пересеваются, что значительно понижает урожайность.
Известен способ обработки зерна перед осенним посевом путём замачивания его в воде из расчёта 25^35 л воды на 100 кг зерна (в зависимости от вида и сорта сельскохозяйственной культуры) в течение 5-14 дней [3]. В настоящее время этот способ распространён во многих странах мира и назван прай-мингом семян [4]. Его недостаток - в условиях иссушенной почвы большая часть впитавшейся в зерно влаги теряется на увлажнение окружающей его почвы. Всходы ослабляются и при длительном отсутствии атмосферных осадков нередко погибают.
В Ростовской области засевается ежегодно свыше 2 млн га озимых, при этом из-за посева в иссушенную почву полностью погибает не менее 200 тыс. га посевов, которые пересеваются весной яровыми культурами. От лишних затрат на семена, оплату труда, затрат на амортизацию и ремонт техники, дополнительную обработку земли и от потерь урожайности (урожайность яровых на 35-40 % ниже озимых) ущерб составляет более 2 млрд р. В целом по стране ущерб по этим причинам может быть оценен в десятки миллиардов рублей. Особенно значителен он в Краснодарском и Ставропольском краях, Волгоградской, Ростовской и других областях России.
Мы предлагаем решение возникшей проблемы путем включения в процесс подготовки семян к посеву операцию покрытия их влагозащитной плёнкой [5-7]. Предварительно семена обильно увлажняют растворами протравливающих и стимулирующих препаратов с добавлением микроэлементов в качестве удобрений.
Актуальность настоящей работы обусловлена снижением эффективности возделывания озимых культур во многих зерносеющих регионах России из-за аридизации климата в последние годы, изменений степени увлажнения почвы и погоды в установленные агротехнические сроки их посева. Озимый посев зерновых в настоящее время, а по прогнозам и в ближайшей перспективе, сопровождается нередко жаркой, сухой погодой и потерей почвенной влаги. Современные же влагосберегающие ме-
NATURAL SCIENCE. 2017. No. 4-1
тоды подготовки почвы к посеву и технологии посева зерновых в условиях засухи не гарантируют их хорошей всхожести и достаточного развития растений к наступлению заморозков.
Цель исследования - обеспечение защиты увлажненных семян зерновых перед осенним посевом от потерь воды после посева в иссушенную почву изоляцией их наружным плёночным покрытием из легкоплавких материалов, например воска или парафина.
В задачи исследования входили вопросы разработки усовершенствованного способа и устройства для нанесения на семена влагозащитного покрытия, определение основных закономерностей работы такого устройства, изучение процессов теплообмена между материалом покрытия и семенами, а также обоснование параметров исследуемого оборудования.
Влагозащитными плёнками в настоящее время покрывают фрукты, овощи, некоторые виды ягод, в редких случаях семена различных огородных культур. Классификацию способов нанесения пленочных покрытий можно представить по следующим методам взаимодействия продукта с материалом защитного покрытия: путём погружения в жидкий материал, разбрызгивания материала покрытия, обработки в парах материала покрытия.
Можно классифицировать такие покрытия и по толщине плёнки материала, наносимого на продукт: толстые покрытия порядка нескольких миллиметров, микропокрытия и нанопокрытия. Наибольшее распространение получили микропокрытия, организация нанопокрытий сложна и весьма дорога в исполнении. Кратко представим суть указанных способов обработки продуктов:
1. Погружение. Фрукты и овощи опускаются в горячий парафин или воск. Иногда добавляется специальная смола. Основным недостатком данного метода является большой расход материала покрытия.
2. Распыление. Процесс осуществляется путём нагрева материала покрытия до температуры плавления с последующим его нанесением при помощи разбрызгивающих насадок.
3. Обработка в парах. Продукты транспортируют через зоны ёмкости, находящейся под давлением насыщенных паров материала защитного покрытия. На выходе слой покрытия охлаждается потоком продуваемого воздуха.
Значительный вклад в решение проблемы сохранения пищевой продукции наряду с известными и широко используемыми приемами вносит такой нетрадиционный способ упаковки, как создание защитных покрытий на продуктах питания. Они, формируясь непосредственно на поверхности пищевых продуктов, обеспечивают более надежную их защиту (по сравнению с упаковкой в полимерную
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
NATURAL SCIENCE.
2017. No. 4-1
пленку) от окислительной и микробиальной порчи за счет отсутствия прослойки воздуха между продуктом и пленкой, делают технологию упаковки и хранения более современной и рациональной. Преимуществами такого способа защиты пищевой продукции являются возможность использования экологически безопасных водных систем, сравнительная простота технических решений, связанных с нанесением на поверхность продукта полифункциональных покрытий без применения высоких температур, негативно влияющих на свойства продукта, обеспечение плотного и повсеместного облегания поверхности продукта, за счет чего гарантируется отсутствие микрополостей - областей потенциального развития нежелательной микрофлоры.
Погружение продуктов в расплав материала покрытия обычно осуществляется в контейнерах, схема этих устройств проста и не требует особых пояснений. Этот способ наиболее трудоёмок и малопроизводителен, в связи с чем не может использоваться для обработки семенного материала в больших объёмах.
Устройства для нанесения на фрукты и овощи защитного слоя путём распыления материала покрытия имеют сложную конструкцию [8], их также практически невозможно использовать для обработки семенного материала, что вызывает необходимость разработки нового устройства для нанесения защитных покрытий именно на увлажнённые семена пшеницы перед их осенним посевом.
Предлагаемое нами устройство для этих целей представлено в виде схемы на рис. 1. Работает оно следующим образом. Перед обработкой семян в бачок 11 дозатором 13 из бункера 14 загружается определённая порция материала влагозащитного покрытия, включается подогреватель 10, а после расплавления влагозащитного покрытия включается вентилятор 6 для подачи в барботер 9 бачка 11 воздуха, который на выходе из бачка насыщается парами материала покрытия. В качестве такого материала предварительно принят легкоплавкий парафин.
Далее открывают подачу в патрубок 3 семян пшеницы. Поток семян в корпусе течки движется, падая навстречу потоку паров парафина, и покрывается влагозащитной плёнкой, а воздух с остатками паров материала покрытия вентилятором 6 по трубопроводу 8 возвращается в барботер 9 для последующего насыщения парами парафина.
Подаваемое в течку зерно приобретает в результате свободного падения к месту установки распылителя паров (месту ввода паров в корпус течки) следующую скорость (рис. 2): уз = яТ, где g - ускорение земного притяжения, м/с2; Т1, с - длительность падения зерна с высоты к.
Известно, что Т = — , где к - высота падения
V я
зерна до ввода паров влагозащитного покрытия, м. Длительность падения семени ограничена временем воздействия на него температуры нагрева паров влагозащитного покрытия: в этот период нагрев зародыша семени не должен превышать 55 °С - температуру, при которой возможна его гибель из-за перегрева [9].
1 - корпус течки для зерна; 2 - блок распылителей паров; 3 - раструб для ввода семян; 4 - отверстия распылителей; 5 и 8 - трубопроводы; 6 - осевой вентилятор; 7 - электродвигатель; 9 - барботер; 10 - нагреватель; 11 - бачок; 12 - утеплитель; 13 - дозатор; 14 - бункер
Рис. 1. Схема устройства для нанесения влагозащитной плёнки на семена в технологии подготовки их к осеннему посеву / Fig. 1. Diagram of the device for applying a moisture-resistant film on the seeds in technology to prepare them for autumn planting
Рис. 2. Схема потоков семян и паров материала влагозащитного покрытия / Fig. 2. Flow pattern of seeds and material vapor moisture barrier coating
Встречная скорость паров в корпусе течки (рис. 2) зависит от производительности вентилятора и площади поперечного сечения корпуса:
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
NATURAL SCIENCE.
2017. No. 4-1
V =-—- м/с, где О - производительность вен-
3600•аЬ'
тилятора, м3/ч; а, Ь - длина и ширина сторон поперечного сечения течки прямоугольной формы, м.
Введём далее следующие допущения:
- пренебрегаем некоторым снижением скорости полёта зерна под действием встречного потока паров покрытия, что несколько сокращает реальную длительность воздействия на семена температуры паров;
- считаем, что режим работы установки должен быть таким, чтобы пары материала влагозащитного покрытия при циркуляции не могли охладиться до температуры конденсации, т.е. процесс должен проходить в пределах тепла парообразования и перегрева паров;
- потери тепла в окружающую среду считаем незначительными (в пределах 5 %) и ими пренебрегаем;
- в системе циркулирует не просто пар материала покрытия, а его смесь с воздухом, имеющая температуру нагрева, соответствующую температуре плавления материала покрытия.
Теплопередача от пара к семени зерна проходит через стенку оболочки (рис. 3).
(2)
где Е - площадь поверхности зерновки; Т - длительность её нагрева в зерновой течке; к - общий коэффициент теплопередачи к зерновке,
-- —+ — + — к а А а
т — т
д ^ _ нач кон
т
нач
и Ткон —
начальная и конечная разности температур,
т = t — t
ьнач 1п 1
Т = t — t
1 кон 1 пл '!■
Приравнивая (1) к (2), получим время нагрева зерновки до допустимой температуры при нанесении на её поверхность влагозащитного покрытия:
T =
Gc (tj —12) Fk ■ At„„
По расчётам допустимая длительность выдержки увлажнённой зерновки с условным диаметром
dv
4 мм в парах парафина составляет не более
0,306 с.
Таким образом, расстояние h до ввода паров материала влагозащитного покрытия в течку для зерна должно быть не более
0,306 • 9,81
h =
T2 ■ g
= 0,46 м.
ai, a2 - коэффициенты теплопередачи от пара к оболочке зерна
и от оболочки к ядру; X - теплопроводность материала оболочки; S - толщина оболочки зерна
Рис. 3. Схема теплопередачи к зерну в корпусе течки / Fig. 3. Scheme of heat transfer to the grain
Температура пара t2 = Atn +1 , где Atn и t пл - повышение температуры пара материала покрытия после плавления и температура плавления этого материала, °С. Количество передаваемого в зерновку тепла Q [10]
Q < Gc (t2 — О, (1)
где G - масса зерновки, кг; с - теплоёмкость её, ккал/кг град; tj - допустимая температура нагрева семени, °С.
Это же количество тепла передаётся через оболочку в зерновку за время T:
Q = Fk ■At ■ T,
2 2 Скорость зерна в этом сечении составит 3 м/с. Скорость встречного потока паров покрытия должна быть не менее скорости зерна в рассматриваемом сечении течки и определяет производительность вентилятора.
По экспериментальным данным расход парафина для влагозащитного покрытия одной тонны семян на предлагаемой установке составляет qуд = 20...25 г. При вместимости бункера для зерна 01=30 т общий расход парафина составит не более 1 кг.
Опыты на производственных делянках (рис. 4) показали дружные всходы к началу атмосферных осадков и хорошую перезимовку всходов. Урожайность с них оказалась выше на 21 % в сравнении с традиционным посевом без увлажнения семян по предложенной технологии.
Рис. 4. Экспериментальные озимые посевы пшеницы в засушливых условиях / Fig. 4. Experimental crops of wheat in dry conditions
T
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION. NATURAL SCIENCE. 2017. No. 4-1
Выводы
В засушливых условиях озимых посевов зерновых культур целесообразно увлажнение семян перед посевом до достаточной для их всходов влажности с последующим нанесением на их поверхность влагозащитной пленки.
Нанесение влагозащитной плёнки рекомендовано осуществлять во встречном потоке паров материала покрытия с потоком семян.
Длительность обработки семян в потоке паров материала покрытия не должна превышать времени нагрева зародыша зерна до температуры его повреждения и гибели, определяемых по предложенным в статье зависимостям.
Обработка семян перед посевом по предложенной технологии обеспечивает их хорошую всхожесть в засушливых условиях, стойкость к заморозкам и повышение урожайности на 20 и более процентов.
Литература
1. Кривошеев Г.Я., Игнатьев А.С. Признаки для отбора исходного материала, адаптированного к условиям недостаточного и неустойчивого увлажнения // Зерновое хозяйство России. 2013. № 4 (28). С. 29-33.
2. Бельтюков Л.П. Сорт, технология, урожай. Ростов н/Д. : Терра Принт, 2007. 160 с.
3. Справочная книга директора совхоза. Ч. 1 / под общ. ред. С.В. Кальченко, Ф.М. Мартьянова, С.В. Перова. М., 1956. С. 529-530.
4. McDonald. Seed priming // Seed technology and its biological basis / eds. M. Black and J.D. Bewley. Shel^d, UK, 2000. P. 287-325.
5. Краснов И.Н., Кравченко И.А., Бондарева М.А., Сёмочкина Е.М. Подготовка зерна к озимому посеву в засушливых условиях // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2014, № 4. С. 58-61.
6. Пат. № 2464759 РФ. МПК А01С 1/06. Способ обработки зерна перед посевом / И.Н. Краснов, М.А. Таранов, И.А. Кравченко, И.В. Назаров, Ф.О. Перекрест. Опубл. 27.10.2012. Бюл. № 30.
7. Пат. 2471557 РФ, МПК В02В. Увлажнительная машина для зерна / И.Н. Краснов, А.И. Удовкин, И.А. Кравченко, Ф.О. Перекрест. Опубл. 10.01.2013. Бюл. № 1.
8. А. с. № 1620095 СССР, МКИ А 23 В 7/16. Устройство для покрытия фруктов и овощей защитным слоем / А.В. Скотников, Ю.В. Чигарёв, В.А. Агейчик, Г.Г. Ва-люшкевич. Заяв. Белорусский институт механизации сельского хозяйства. 1988. Бюл. № 2.
9. Егоров Г.А. Управление технологическими свойствами зерна. Воронеж : Изд-во ВГУ, 2000.
10. Кук Г.А. Теория и расчёт основного оборудования предприятий молочной промышленности. М., 1934. 471 с.
References
1. Krivosheev G.Ya., Ignat'ev A.S. Priznaki dlya otbora iskhodnogo materiala, adaptirovannogo k usloviyam ne-dostatochnogo i neustoichivogo uvlazhneniya [Signs for the selection of source material adapted to the conditions of insufficient and unstable hydration]. Zernovoe kho-zyaistvo Rossii. 2013, No. 4 (28), pp. 29-33.
2. Bel'tyukov L.P. Sort, tekhnologiya, urozhai [Variety, technology, harvest]. Rostov-on-Don: Terra Print, 2007, 160 p.
3. Spravochnaya kniga direktora sovkhoza [Reference book of the director of the state farm]. Ch. 1. Eds. S.V. Kal'chenko, F.M. Mart'yanov, S.V. Perov. Moscow, 1956, pp. 529-530.
4. McDonald. Seed priming. Seed technology and its biological basis. Eds. M. Black and J.D. Bewley. Sheffield, UK, 2000, pp. 287-325.
5. Krasnov I.N., Kravchenko I.A., Bondareva M.A., Semochkina E.M. Podgotovka zerna k ozimomu posevu v zasushlivykh usloviyakh [Preparation of grain for winter sowing in arid conditions]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Estestv. nauki. 2014, No. 4, pp. 58-61.
6. Krasnov I.N., Taranov M.A., Kravchenko I.A., Nazarov I.V., Perekrest F.O. Sposob obrabotki zerna peredposevom [Method of processing grain before sowing]. Certificate, No. 2464759 RF. MPK A01S 1/06. 27.10.2012.
7. Krasnov I.N., Udovkin A.I., Kravchenko I.A., Perekrest F.O. Uvlazhnitel'naya mashina dlya zerna [Humidifying machine for grain]. Certificate, No. 2471557 RF, MPK V02V. 10.01.2013.
8. Skotnikov A.V., Chigarev Yu.V., Ageichik V.A., Valyushkevich G.G. Ustroistvo dlya pokrytiya fruktov i ovoshchei zashchitnym sloem [Device for coating fruits and vegetables with protective layer]. Certificate, No. 1620095 SSSR, MKI A 23 V 7/16. 1988.
9. Egorov G.A. Upravlenie tekhnologicheskimi svoist-vami zerna [Management of technological properties of grain]. Voronezh : Izd-vo. VGU, 2000.
10. Kuk G.A. Teoriya i raschet osnovnogo oborudo-vaniya predpriyatii molochnoi promyshlennosti [Theory and calculation of the basic equipment of the enterprises of the dairy industry]. Moscow, 1934, 471 p.
Поступила в редакцию /Received_13 июля 2017 г. / Jufy 13, 2017
