автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Повышение эффективности повседневной обработки семян овощных культур ультрафиолетовым облучением

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ ЗАОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИЖЕВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи Владыкин Иван Ревович

УДК 631.53.027.34 (043.3)

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН ОВОЩНЫХ КУЛЬТУР УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫМ ОБЛУЧЕНИЕМ

Специальность 05.20.02 - электрификация сельскохозяйственного

производства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор технических наук, профессор,

А.П. Коломиец, кандидат технических наук, доцент

Н.П. Кондратьева.

1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...................................................................................4

Глава 1. Обзор литературы и состояние вопроса.........................9

1.1 Существующие способы предпосевной обработки семян.............9

1.2 Источники ультрафиолетового излучения.................................17

1.3 Анализ существующих облучательных установок......................22

1.4 Задачи исследования.............................................................24

Глава 2. Разработка установки для предпосевной обработки

семян огурца ультрафиолетовым излучением..............25

2.1 Технологические требования к установкам для предпосевной обработки семян ультрафиолетовым излучением.....................25

2.2 Исследование распределения ультрафиолетового излучения.....26

2.3 Конструкция установки ...........................................................28

2.4 Расчет времени и дозы облучения............................................43

Глава 3. Результаты экспериментов и производственных

испытаний....................................................................54

3.1 Исследование эксплуатационной надежности установки.............54

3.2 Исследование влияния предпосевной обработки ультрафиолетовым облучением на рост и развитие растений......56

3.3 Выводы по влиянию предпосевной обработки семян огурца ультрафиолетовым излучением на рост и развитие растений......79

Глава 4. Обработка результатов эксперимента...... ....................80

4.Идентификация модели...........................................................80

4.2 Определение оптимумов моделей...........................................87

Глава 5. Технико-экономическое обоснование применения предпосевной обработки семян огурца

ультрафиолетом......................................................., ..89

5.1 Снижение затрат на тепловую и электрическую энергии.............89

5.2 Снижение себестоимости продукции........................................91

5.3 Выводы технико-экономического обоснования...........................96

Заключение..............................................................................-97

Литература...............................................................................98

Приложения.............................................................................110

ВВЕДЕНИЕ

Экономическая ситуация, сложившаяся в России, требует от объектов хозяйственной деятельности сокращения производственных расходов. Поэтому важно использовать на предприятиях такие разработки, применение которых позволит предприятиям и организациям сократить платежи, снижать себестоимость продукции и увеличивать прибыль.

Особенно энергоемким считается в сельском хозяйстве производство овощей в зимний период. Однако, их производство является необходимым, так как овощи в России зимой - один из основных источников витаминов для населения. Выгодным является выращивание огурца потому, что его себестоимость ниже, а срок вегетации короче, по сравнению с другими овощными культурами.

Существует несколько путей снижения энергопотребления в тепличных хозяйствах: применение величины оптимальной облученности при облучении рассады, использование удобрений, регулирование водного режима, применение интегрированных способов защиты растений.

Уменьшить потребление электроэнергии (ЭЭ) можно также с помощью предпосевной обработки семян, повышающей всхожесть рассады, увеличивающей выход продукции. В настоящее время изучены следующие способы предпосевной обработки семян: выделение биологически ценного семенного материала, оздоровление, активация ростовых процессов, насыщение семян удобрениями; физическая обработка семян электрическим полем коронного разряда, электромагнитным полем постоянного тока, лазерным излучением, гамма-излучением. Известны также способы предпосевной обработки семян ультрафиолетовым облучением (УФО) и изучены процессы поглощения ультрафиолетового излучения {УФЫ) семенами [97]. Однако, не

достаточно исследованы влияние УФИ на семена овощных культур и возможность снижения себестоимости продукции тепличных хозяйств с помощью предпосевной обработки семян УФИ.

Положительное влияние УФИ на растения и семена перед посевом известно давно и нашло отражение в работах таких авторов как Ю.М. Жилинский, В.Д. Кумин, В.А. Козинский, Н.П. Большина, Д.Н. Лазарев, В.А. Белинский, С.С. Шевель, B.N. Singh, С.Р. Kapoor, R.S. Choudhari и многих других.

Глубокие исследования по влиянию ультрафиолетового излучения (УФИ) перед посевом на семена зерновых культур проведены Всероссийским институтом электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ). Ученые этого института обосновали применение УФИ семян перед посевом как один из дешевых способов предпосевной обработки (ПО), разработали несколько вариантов облучательных установок для проведения этого способа в условиях сельского хозяйства [74].

Однако, как показывает анализ литературы, предлагаемые ВИ-ЭСХом дозы облучения имеют широкий диапазон. Так для обработки семян зерновых колосовых (пшеница, ячмень, овес) рекомендуются дозы в пределах 1-5 кДж/м2, для кукурузы 1,6-3 кДж/м2 [74]. Мощность предлагаемых ВИЭСХом установок достигает 12 кВт [74]. Наряду с этим литературные источники свидетельствуют, что до сих пор нет четкого обоснования метода расчета дозы (УФО) семян овощных культур в специализированных установках для предпосевной обработки (ПО). Поэтому существует необходимость в обосновании методики расчета дозы предпосевной обработки ультрафиолетовым излучением (ПО УФИ) в установках, в определении связи между продуктивностью культурь! и дозами предпосевного облучения семян УФИ.

Проведенный нами анализ литературы, а также хозяйственной деятельности ОАО тепличный комбинат «Завьяловский» и технико-

экономическое обоснование применения предпосевной обработки ультрафиолетовым излучением (ПО УФИ) семян овощных культур, в частности огурца, показали, что затраты на проведение облучения значительно меньше полных затрат на производство этой культуры в условиях защищенного грунта.

Следовательно, исследования влияния предпосевной обработки семян овощных культур, в частности огурца, УФИ являются весьма актуальными.

Цель работы заключается в повышении эффективности предпосевной обработки семян овощных культур ультрафиолетовым облучением.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

Задачи исследования:

повысить эффективность предпосевной обработки семян ультрафиолетовым излучением путем разработки установки с автоматической коррекцией дозы облучения; разработать методику расчета дозы облучения ПО УФИ при дискретном перемещении семян под источником излучения; теоретически и экспериментально исследовать влияние ПО УФИ на овощные культуры;

провести экономическую оценку использования установки для ПО УФИ с автоматической коррекцией дозы облучения.

В процессе решения поставленных задач использовались методы вычислительной и прикладной математики, положения математической статистики, методы светотехнических расчетов по определению потоков источников излучения, компьютерное моделирование, электронные таблицы «Ехсе(».

Научная новизна:

- разработана установка для ПО УФИ семян овощных культур, позволяющая повысить точность дозы ультрафиолетового облучения в конвейерном технологическом процессе путем введения автоматической коррекции дозы облучения;

- предложена методика расчета дозы УФИ, получаемой семенами при расположении их под источником излучения на транспортере с возможностью дискретного перемещения;

- получены математическая зависимость и результаты эксперимента, доказывающие положительное влияние предпосевного ультрафиолетового облучения семян огурца лампой типа ДРТ (дуговая ртутная трубчатая) на формирование дополнительной продуктивности.

Практическая ценность работы.

Проведены теоретические и экспериментальные исследования, которые позволили разработать научную основу и создать практическую базу для более эффективного использования ПО УФИ семян овощных культур. Разработанная методика позволяет рассчитать дозы УФИ в установках с возможностью дискретного перемещения порции семян на транспортере под источником излучения. Предложена установка для ПО УФИ с автоматической коррекцией дозы облучения. На основании теоретических и экспериментальных исследований установлена доза УФИ для предпосевной обработки семян огурца, которая позволяет повысить его продуктивность на 8-15%. Построена модель зависимости влияния дозы ПО УФИ лампы ДРТ на формирование цветков, завязей и продуктивности огурца.

Апробация работы. Основные положения работы доложены и одобрены на научно-практической конференции аспирантов и

докторантов Российского Государственного Аграрного Заочного Университета (1998 год), на XVti, XVIII, XIX научно-производственных конференциях Ижевской Государственной сельскохозяйственной академии (1997-1999), выставке «Городское хозяйство. Ижевск - город 2000».

Публикации. По результатам исследований опубликовано 5 печатных работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Общий объем 140 страниц, в том числе 35 рисунков, 26 таблиц, 4 приложения. Список литературы включает 120 наименования, 14 из которых на иностранных языках.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- автоматическая коррекция дозы облучения в установках для ПО УФИ;

- методика расчета дозы ПО УФИ в установках транспортерного типа с возможностью дискретного перемещения порции семян под источником излучения;

- эффективная доза ПО УФИ семян огурца;

- зависимость влияния дозы предпосевного УФИ лампы ДРТ на формирование цветков, завязей, урожайность огурца;

Результаты работы внедрены и используются в ОАО тепличный комбинат «Завьяловский» Удмуртской Республики.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Существующие способы предпосевной обработки семян

Увеличению начальной скорости ростовых процессов в семенах и конечному урожаю растений способствует предпосевная обработка [40].

Предпосевную подготовку семян как один из основных этапов в полном цикле производства продукции растениеводства можно свести к четырем основным положениям:

• выделению биологически ценных семян,

• оздоровлению семян,

• активизации ростовых процессов в семенах,

• насыщению семян удобрениями.

Предпосевная обработка, выполненная в полном объеме, оказывает существенное влияние на формирование урожая.

Анализ таблицы 1.1 показывает, что на современном уровне наиболее полно отработана технология выделения биологически ценных семян.

Для оздоровления семян и активизации ростовых процессов в них в основном используются пестициды, Рекомендуется протравливание семян сельскохозяйственных культур пленкообразующими составами и препаратами с использованием жидких комплексных удобрений, натриевой, соли (Ыа1МОЗ) и т.д., позволяющее в несколько раз снизить нормы расхода пестицидов. Но, несмотря на успешное применение пестицидов, они ухудшают плодородие почвы и качество наземной и подземной воды, отравляют пищу и вызывают рост заболеваемости.

Рекомендуют также для предпосевной обработки термические, термохимические и химические методы, длительность которых достигает 2-72 часов. Такие способы очень трудо- и энергоемки [32].

Таблица 1.1

Некоторые приемы подготовки семян к посеву _

Технологические Огурец и Морковь,

Назначение приемы обработки Пасле- другие петрушка, Свекла

семян новые тыквенные укроп

Выделение 1. Шлифование + + + +

биологически 2. Очистка воз-

ценных семян душно-

решетными + + + +

машинами

3. Сортировка по

плотности или

электросепара- + + + +

ция

4. Калибровка

Оздоровле- 5. Протравлива-

ние семян ние с увлажнением 6. Термическое + + + +

обеззаражива- + + + +

ние

Активизация 7. Барботирова-

ростовых ние + +

процессов 8. Замачивание в растворах мик-

роэлемен-тов + + + +

9. Обработка фи-

зическими ме-

тодами высо-

кого напряже-

ния, инфра-

красных, све-

товых, ультра-

фиолетовых,

ионизирующих

и т.д.

Насыщение 10. Нанесение

семян удоб- удобрений в + + + + ■

рениями виде пленки

На процессы, связанные с глубоким увлажнением семян и последующей их сушкой (гидротермические, термохимические, гидро-фобизация, барботирование, замачивание в растворах макроэлементов и физически активных веществ и т.д.), расходуется до 60% всех энергетических и денежных затрат при подготовке семян.

Среди наиболее изученных физических факторов, применяемых

для предпосевной обработки семян, следует назвать:

• Электрическое поле коронного разряда. Челябинский институт механизации и электрификации сельского хозяйства, Центральный научно-исследовательский институт хлопководства: по данным ЦНИИХ урожайность семян хлопчатника после обработки увеличивается с 29, 3 до 36,6 ц/га , работы по изучению влияния на семена поля разряда высокого напряжения ведутся также в Кировском политехническом институте;

• Электромагнитное поле постоянного тока. По данным Челябинского НИИ механизации и электрификации сельского хозяйства урожайность яровой пшеницы при обработке семян возрастает на 10-15% за счет увеличения числа зерен в колосе, его наполненности и лучшей вызреваемости растений ко времени уборки. Результаты получены на разработанной в институте машине 30 М - Т, которую можно агрегатировать с зерноочистительным агрегатом ЗАВ -100;

• Лазерное излучение. По данным Казахского государственного университета им. С.М. Кирова предпосевная обработка зерновых культур ускоряет их созревание, повышает урожай зерна на 1,0 - 1,9 ц/га. Разработанные там экспериментальные светолазерные установки дают возможность обрабатывать посевной материал, высаживаемый на площади до 600 тыс. га ежегодно. Применение серийно выпускаемых установок для лазерного облучения семян «Львов-1 электроника», несмотря на их отдельные конструктивные недостатки, такие как сложность тонировки (настройки), потере точности длины волны, показало эффективность применения данного

—-физического.фактора для .различных,.видш,£.ешш.,.и в. разных климатических зонах;

• Гамма-излучение. По данным Ленинградского агрофизического НИИ урожайность облученных семян может увеличиваться на 1520%. Полупроизводственные исследования и производственные испытания проводились на разных облучательных установках в Ленинградской области и во многих других районах страны. Исследованием указанного фактора занимается также Институт биологической физики АН СССР и Харьковский физико-технический институт;

• Ультрафиолетовое излучение. По данным Центрального научно-исследовательского и проектно-технологического института механизации и электрификации животноводства, воздействие указанным фактором обеспечивает повышение урожая зерновых культур на 10-12%, увеличение содержания протеина в зеленой массе кукурузы на 6-10%, Сахаров - на 12 -16%. Эффективность такого метода предпосевной обработки подтверждена проверкой на станциях испытания семян [97}.

Воздействие на растительные объекты физическими факторами эффективно потому что вызывает активное образование супероксидных, гидроксильных и перекисных радикалов, обладающих высокотоксичным окислительным стрессом [83].

Известна также эффективность предпосевной обработки (ПО) семян такими физическими факторами, как:

• Электромагнитное поле низкой частоты (Тбилисский государственный университет);

• Импульсный концентрированный солнечный свет (Казахский сельскохозяйственный институт);

• Инфракрасное излучение (Сибирский НИИ механизации и электрификации сельского хозяйства);

• Водородно-плазменная обработка (ВНИИ электрификации сельского хозяйства);

• Градиентное магнитное поле (Объединенный институт ядерных исследований, АФИ) и др. [97].

В Харьковском институте механизации и электрификации сельского хозяйства успешно проводятся исследования как по изучению влияния низкоэнергетических электромагнитного поля на посевной материал, так и по разработке механических способов подготовки семян к посеву.

В трудах Л.Г. Прищепа проанализированы возможные модели электромагнитного взаимодействия между биологическими объектами, и показана необходимость учета этого взаимодействия при теоретических и экспериментальных исследованиях последних.

В Рязанском сельскохозяйственном институте проводились эксперименты, показавшие возможность элек�