Предпосылки и практическая реализация технологии предпосевной обработки семян СВЧ-полем

Сегодня все большее внимание уделяется приемам и методам повышения качества семян в процессе предпосевной подготовки. Обзор научной литературы свидетельствует о высокой эффективности и практическом значении предпосевного стимулирования семян биологическими препаратами, химическими веществами и физическими методами, обеспечивающими не только повышение посевных качеств, но и урожайных свойств семян [1, 4, 5]. Большинство из них уже сейчас широко используются в практике сельского хозяйства.

Известно, что семена — это живые организмы, в которых хранится вся информация о растении. К тому же в семенах аккумулирован запас энергии и питательных веществ, необходимый для их нормального развития и сохранения жизнеспособности. Но, к сожалению, посевной потенциал семян используется только на 30−40% [1]. Поэтому и необходимы технологии, способствующие активизации стартовых реакций и обменных процессов, возникающих в семени [5].

Традиционные технологии подготовки семян к посеву сводятся к простейшим приемам и не всегда дают желаемый результат [4, 6]. Ведущие западные фирмы и сельхозпредприятия стран СНГ осуществляют поиск эффективных способов раскрытия генетически заложенного потенциала в семенном материале. Одним из таких способов воздействия является СВЧ обработка семенного материала. Она позволяет: 1) увеличить обеззараживающий эффект; 2) активизировать стартовые и обменные процессы внутри семени; 3) стимулировать ростовые процессы семян [5, 10].

Сущность микроволновой технологии предпосевной обработки семян состоит в том, что семена сельскохозяйственных культур под воздействием микроволнового поля, создаваемого специальными устройствами, проходят стимуляцию, при этом выделяются 3 уровня: энергетический, функциональный и информационный.

Их суммарное воздействие на семена обуславливает изменения в содержании белков, амминного азота и активность ферментов, активизирует обменные процессы в семенах, связанные с их биоэнергетикой, всхожестью, силой роста и в дальнейшем с вегетацией растений и их урожайными свойствами. Кроме того, выявлено, что микроволновое поле воздействует на биологические мембраны, которые являются основными регуляторами обмена с окружающей средой и определителями развития клетки. Все это ведет к улучшению их транспортных функций, в конечном итоге — к интенсификации роста.

Микроволновое поле подавляет фитопатогены семян и насекомых, что позволяет снизить затраты на применение ядохимикатов при предпосевном протравлении.

Данные эффекты позволяют повысить полевую всхожесть семян на 13₃₈%, повысить урожайность растений на 10₃₀%, получить опережение созревания урожая на 8₁₂ дней, а это дает возможность проводить уборочные работы в более благоприятных условиях. Как показывает практика растения, выращенные из семян, прошедших предпосевную микроволновую обработку, перезимовку переносят на 450₅₀₀ тыс. растений больше с 1 га площади по отношению к контролю.

Микроволновая обработка позволяет бороться с корневыми гнилями и повышает экологическую чистоту урожая в 1,6 раза. Данная технология может быть применена в фермерских хозяйствах, в агрофирмах и в крупных сельхозпредприятиях.

Повышение урожайности сельскохозяйственных культур во многом зависит от качества посевного материала, а также технологий его подготовки и возделывания. Использование посевного материала низкого качества снижает урожайность и приводит к перерасходу семян из-за вынужденного увеличения нормы высева в 1,5₂, 0 раза, повышению трудозатрат при возделывании сельскохозяйственных культур [7].

Полученные результаты свидетельствуют о перспективности внедрения в практику прогрессивной технологии стимуляции и обеззараживания семян сельскохозяйственных культур. С ее помощью аграриям можно выйти на новый уровень увеличения урожайности, повышение устойчивости посевов к воздействию неблагоприятных климатических факторов (засухи, заморозки, запалы).

1. Анализ источников

Способ СВЧ стимуляции посевного материала не получил должного внимания в Республике Беларусь. Связано это с отсутствием эффективного оборудования, высокой стоимостью импортных образцов, а также отсутствием должного систематизированного обоснования технологии. Однако сегодня этот способ обработки широко исследуется и применяется в России и на Украине. Так, в 2000 году на Украине были выпущены установочные партии устройств «Микростим₁» и «Микростим₂», которые прошли заводские, полигонные испытания [2] и показали хорошие результаты. Аналогичные испытания проходило СВЧ-устройство для стимуляции семенного материала в г. Зерноград (Россия). Опубликованные результаты говорят о перспективности данного метода обработки [3, 5, 2].

Обзор литературы показывает, что эффективность процесса стимуляции семенного материала различных культур зависит от мощности электромагнитного излучения (от 0,5 до 3 кВт) при определенной частоте излучения (от 2000 до 2500 МГц) и экспозиции (от 60 до 200 с.), а также конструктивных параметров оборудования, определяющих равномерность обработки. Как правило, неравномерность распространения электромагнитных волн в семенном материале и контроль над его качеством в оборудовании производится на основании распределения и величины температурного поля в слое материала. Установлено [3], что оптимальные температурные параметры семенного материала в оборудовании должны находиться в диапазоне от 35 до 45 °C. Дальнейшее увеличение температуры нагрева семян лишь ухудшает посевное качество семян.

Большинство СВЧ-активаторов, которые описываются в литературных источниках, работают по принципу порционного действия, имеют малую производительность и не могут применяться в поточных технологических линиях. При переходе к промышленному применению технологии стимулирования семян СВЧ-полями возникает проблема обеспечения равномерности обработки потока семян с достаточной производительностью установки. Установлено, что при неравномерности свыше 20% эффект от данного типа предпосевной обработки теряется. Поэтому большинство конструктивных решений, приведенных в литературных источниках [3, 5], не получили практической реализации на производстве. Существующие установки допускают до 30% неравномерности, что, конечно же, сказывается на эффективности применяемого способа обработки.

На наш взгляд, с точки зрения промышленной реализации предпосевного стимулирования семян СВЧ-полями, наиболее перспективными являются шахтно-секционные активаторы, рабочие камеры которых выполнены в виде объемных резонаторов с проникновением электромагнитных полей перпендикулярно движению материала в плотном слое.

Методы исследования Методика проведения экспериментов по эффективности предлагаемого оборудования и результаты испытаний приведены в источнике [11].

2. Основная часть

С учетом вышесказанного, в УО БГСХА совместно с сотрудниками ООО НПП «Белама плюс» (г. Орша) разработано устройство, предназначенное для предпосевного электромагнитного стимулирования семян [8]. Устройство (рис. 1) содержит бункер-дозатор 1, источники СВЧ-энергии 4 и камеру обработки 3, выполненную в виде объемного резонатора в поперечном сечении, имеющего форму прямоугольника, внутри которого на расстоянии a = 35 мм вдоль широкой стенки, соприкасаясь с боковыми стенками, установлены диэлектрические лопатки-разделители потока 5 на расстоянии С₅ = 50 мм друг от друга. Лопатки-разделители потока имеют форму прямоугольника, с возможностью поворота и фиксации положения в диапазоне изменения углов и от -20 до 15 с целью замедления движение потока периферийной зоны.

Рис. 1. Устройство для предпосевного стимулирования семян СВЧ полем: 1 — бункер-дозатор, 2 — верхняя заслонка, 3 — камера обработки, 4 — источники СВЧ-энергии, 5 — лопатки-разделители потока, 6 — нижняя заслонка, 7 — разделительно-регулировочная пластина, 11 — магнетроны, 12 — осевой вентилятор

Под камерой обработки установлено выгрузное устройство (рис. 2), состоящее из набора скатных плоскостей, направленных навстречу друг другу под углами = 70 и = 45, разделительно-регулировочной пластины 7, позволяющей изменять соотношения выпускных отверстий С₁ и С₂ выделенных зон, и выгрузной заслонки, позволяющей обеспечить определенную производительность оборудования. Вдоль широкой стенки камеры обработки установлены от 3 до 6 излучателей на расстоянии = 35 мм друг от друга. Излучатели представляют собой по форме усеченную пирамиду, основаниями которой являются прямоугольники. Общий вид излучателей приведен на рис. 3. Охлаждение магнетронов 11 осуществляется осевым вентилятором 12.

Рис. 2. Выгрузное устройство: 4 — источники СВЧ-энергии, 5 — лопатки-разделители потока, 6 — нижняя заслонка, 7 — разделительно-регулировочная пластина, 8, 9 — скатные плоскости, 10 — выгрузная заслонка

Устройство работает следующим образом.

Перед запуском производится установка оборудования на заданный режим. Лопатки-разделители потока и разделительно-регулировочная пластина выставляются в положение, соответствующее заданному режиму обработки за счет фиксации углов и. Выгрузная заслонка 10 (рис. 2) устанавливается в положение, обеспечивающее необходимую производительность (регулируется за счет высоты сечения С₃). При открытой верхней заслонке 2 и закрытой нижней 6 семена из бункера-дозатора 1 поступают в камеру обработки 3. Включаются источники СВЧ-энергии 4, и материал в зоне обработки подвергается воздействию электромагнитных волн СВЧ в течение цикла .

Затем открывается нижняя заслонка 6, и материал самотеком в плотном слое начинает совершать поступательное движение вниз к выгрузному устройству. Дальнейшая обработка происходит при установившихся скоростях движения материала по зонам. Соотношение размеров выпускных отверстий С₁ и С₂ и фиксация положений лопаток-разделителей потока подбирается так, чтобы обеспечить замедление потока периферийной зоны с целью сглаживания неравномерности обработки по зонам.

Предлагаемая конструкция обеспечивает повышение качества и равномерности обработки потока семян в плотном слое за счет:

• — выбора конфигурации и размеров рабочей камеры, позволяющих снизить неравномерность поглощения электромагнитной энергии до 10%;
• — наличия внутри камеры диэлектрических лопаток-разделителей потока, которые позволяют выделить зоны движения материала по скоростям и исключить перемешивание потоков между выделенными зонами;
• — использования выгрузного устройства предлагаемой конструкции. Выгрузное устройство в совокупности с лопатками-разделителями потока за счет изменения пропускных сечений выходных отверстий позволяет варьировать скоростями материала в зонах при заданной производительности.

Рис. 3. Фото секции магнетронов с камерой обработки (1 — камера обработки, 2 — рупор (волновод); 3 — магнетрон)

Исследования показали, что предлагаемая установка за счет конструктивных особенностей, а также организации процесса движения материала в ней позволяет снизить неравномерность обработки семенного материала электромагнитным полем до 10% при производительности от 500 до 1000 кг/ч. Данной производительности оборудования достаточно, чтобы обеспечить потребности одного сельхозпредприятия Республики Беларусь на время весенне-осенних полевых работ в подготовленном к посеву семенном материале [9].

Заключение

В ходе анализа технологий предпосевной обработки семенного материала было установлено, что одной из перспективных является технология электромагнитного стимулирования семян СВЧ-полями. Она позволяет произвести обеззараживание и улучшить посевные качества семенного материала. Для внедрения данной технологии в производство необходимо изучить существующие теоретические подходы воздействия электромагнитных полей СВЧ на различные материалы и, обобщив их, разработать теоретические основы процесса стимуляции семян СВЧ-полем. В статье рассмотрено устройство СВЧ-активатора и принцип его работы, позволяющее производить стимуляцию семян с неравномерностью обработки до 10% и производительностью от 500 до1000 кг/ч в зависимости от вида семенного материала. Эффективность обработки достигается за счет выбора размеров и формы рабочей камеры, а также организации движения семенного материала в рабочей камере оборудования.

сверхвысокочастотный поле семенной активатор

• 1. Алексейчук, Г. Н. Современная технология предпосевной обработки семян и ее биологические основы / Г. Н. Алексейчук, Н. А. Ламан, Ж. Н. Калацкая // Наука и инновации. — 2006. — Т.43. — № 9. — С. 37−41.
• 2. АПК-Информ On-Line Высокие технологии — надежный способ повышения урожайности — 2002.
• 3. Ионова Е. В. / Влияние электромагнитного поля сверхвысокой частоты на посевные, биохимические и физиологические качества семян сорго и других культур: автореф. дис… канд. с.-х. наук / Е. В. Ионова; Дон. зон. НИИСХ. — Рассвет, 2003. — 26 с.
• 4. Каспаров В. А. Применение пестицидов за рубежом / В. А. Каспаров, В. К. Промоненков. — М.: Агропромиздат, 1990. — С. 28−35.
• 5. Ксенз, Н. В. Обзор электрофизических методов предпосевной обработки семян / Н. В. Ксенз, Н. С. Гукова / Сб. науч. тр. / Азово-Черномор. гос. агроинж. акад. — Зерноград, 2003. — Вып. 3. — С. 90−93.
• 6. Строна И. Г. Допосевная и предпосевная обработка семян сельскохозяйственных культур / И. Г. Строна // Теория и практика предпосевной обработки семян: сб. науч. тр.- Киев, 1984. — С. 5−16.
• 7. Halmer P. Commercial seed treatment technology / P. Halmer, M. Black, J.D. Bewley // Seed technology and its biological basis. — Sheffield Academic Press Ltd, 1999. — P. 257−286.
• 8. Устройство для предпосевного стимулирования семян СВЧ_полем: Патент РБ № 7945 Респ. Беларусь, МПК A 01С1/00 / А. В. Червяков, Е. А. Червякова, С. В. Курзенков, А. С. Циркунов; заявитель ООО НПП «Белама Плюс». — № u 20 100 544; заявл. 11.06.10; опубл. 28.02.12 // Афіцыйны бюл. / Нац. цэнтр інтэлектуал. уласнасці. — 2012. — № 1 (84). — С. 191.
• 9. Шаршунов В. А. Оборудование для предпосевного стимулирования семян СВЧ-полем / В. А. Шаршунов, А. В. Червяков, С. В. Курзенков, А. С. Циркунов // Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения: сб. науч. работ. — Брянск: Брянская ГСХА, 2011. — С. 3−8.
• 10. Барышев М. Г. Воздействие электромагнитных полей на биохимические процессы в семенах растений / М. Г. Барышев, Г. И. Касьянов // Известия вузов. Пищевая технология. — 2002. — № 1. — С. 21−23.
• 11. Разработать и внедрить технологии предпосевной обработки семян в СВЧ-поле: научный отчет № гос. регистр. 20 100 004. — Горки, 2009. — 34 с.