Введение.
Стратегия развития лесного комплекса Российской Федерации до 2030 года, утвержденная 20 сентября 2018 г. Распоряжением Правительства РФ № 1989-р, предусматривает «реализацию комплекса мер по развитию питомнических хозяйств и развитие материально-технической базы путем обеспечения модернизации парка лесохозяйственных машин и оборудования [1]» в современном лесовосстановлении, что «предполагает сосредоточение усилий научного, производственного и административного контингента в установлении взаимосвязи «посадочный материал – питомник – арендаторы лесных земель [2]» и разработку «quality management techniques for forest regeneration in privately-owned forests[1] [3]».
Опыт стран с развитым лесных хозяйством показывает, что баланс между выбором технологического процесса посадки сеянцев [3–13] и прямого высева [3,14–20] для технологии восстановления лесов постепенно, но неуклонно, смещается в сторону высева. Так, в Финляндии при искусственном лесовосстановлении «the proportion of planting decreased from 82 to 74%, and the proportion of direct seeding increased from 18 to 26%[2] [3]». Сравнение основных факторов, влияющих на результаты искусственного лесовосстановления при использовании механизированного наземного высева (в среднем более 80 % от всего объема засеянных площадей в мире [3]), показало, что наибольшее влияние на эффективность технологического процесса оказывает тип почв и способы её подготовки. В этой связи интересен опыт Финляндии в начале XXI века: инвентаризация восстановленных за 7 лет участков посевом семян сосны обыкновенной общей площадью 4948 га (выход сеянцев составил 3075 ± 1644 шт./га) показала, что наиболее распространенным способом обработки почвы было дискование (disc trenching) (77%) [21–23], а механизация высева составила 58 % [3]. Для мелких лесных семян хвойных пород (сосны, лиственницы, ели) прямой посев статистически значим. Значимыми факторами являются тип участка, подготовка и структура почвы, способ посева, каменистость и влажность почвы. Каменистая почва уменьшила количество сеянцев на 30-32% [3,18,24–26]. Переувлажненная почва, со своей стороны, сократила количество всходов на 31-33% [3,15,18]. Дискование [23,27–31] было наиболее распространенным методом подготовки почвы и использовалась в качестве эталонного. Отсутствие подготовки почвы уменьшило количество сеянцев на 44% [3,15,18]. Частичная обработка почвы площадками, напротив, увеличила количество саженцев на 9% [3,24,25]. Почти 90% курганных участков были засеяны вручную, а остальные участки засевались сеялкой, которая крепилась к экскаватору [23]. Другие способы подготовки почвы не давали статистически значимых отличий от дискования.
Немаловажным фактором для качественного механизированного высева семян является подготовка семенного материала [32–35]. С точки зрения рабочих органов сеялки, взаимодействующих с семенами, последние должны обладать выровненными геометрическими размерами, определенной влажностью и сыпучестью. От правильного планирования проектов [36,37] разработки технологического процесса предпосевной обработки, связанного с использованием оптоэлектронных технологий, зависит степень выхода посадочного материала с единицы площади. Несмотря на широко используемое разделение семян по размерам на решетных установках (BCC AB, Швеция), весьма перспективным представляется дражирование семян [38], которое хотя и увеличивает затраты на предпосевную подготовку, но одновременно снижает риски повреждения семян, заражения вредителями и болезнями, а также риски низкой энергии прорастания и всхожести.
Цель исследования – на основании существующих способов наземного механизированного высева лесных семян рассмотреть варианты развития технологического процесса высева дражированных лесных семян и предложить новые способы и устройства как для лесных питомников, так и для лесокультурных площадей.
Методы исследования основаны на систематическом поиске, подробно представленном в работе [39], и унифицированной методике поиска патентной информации, изложенной в работе [40].
Результаты и обсуждение.
Предпосылками детального изучения процессов механизированного высева, особенно в отношении дражированных лесных семян, служат как спрос на более высокое качество исполнения технологических операций предпосевной подготовки [41,42], характеризуемое ростом энергосбережения, и соответственно высокое качество получаемого посадочного материала [43], так и переход к применению специализированного оборудования в лесном хозяйстве [33,44].
Технологический процесс наземного высева лесных семян традиционно включает операции сдвига верхнего слоя почвы с образованием базовой поверхности, нарезки борозды на заданную глубину от базовой поверхности, высева и заделки лесных семян. Для получения качественного посадочного материала в обоснованно короткие сроки необходимо снижать энергоемкость выполнения этих операций за счет проектирования и разработки новых конструкций входящих в них элементов.
Операция сдвига верхнего слоя – самая энергоемкая технологическая операция, зависящая от типа почвы и состояния её поверхности. Обычно после сдвига на базовой поверхности образуются почвенные валики из влажного слоя почвы с обеих сторон борозды, которые после высева возвращаются в борозду (Авторское свидетельство СССР № 820695, А01С7/00, опубл. 25.01.1981, бюл. №14). Технически операция осуществляется с помощью планировщика для сдвига верхнего подсушенного слоя почвы и образования базовой поверхности [45,46].
Операция нарезки борозды (борозд) фокусирует на себе все последующие операции по уходу за сеянцами, способность рационального движения агрегатов. Операция определяет как оптимальное количество строк и расстояние между ними, так глубину нарезки и степень уплотненности борозды. Так, при широкострочном высеве в сравнении с узкорядным увеличивается энергия прорастания мелких семян, всходы появляются дружнее и раньше на 2-9 дней, грунтовая всхожесть повышается на 20 %, выход посадочного материала увеличивается в 1,5-2 раза [47]. По другим исследованиям установлено, что «уплотнение дна борозды способствует быстрому прорастанию семян, так как в этом случае вода поднимается к семенам из нижних слоев почвы [48]».
Операции высева напрямую связаны с качеством предпосевной обработки семян, их морфологическими и динамическими параметрами. Их вклад в энергоемкость технологического процесса минимален, однако от уровня точности (шага и глубины заделки, расстояния между строками при многострочном высеве) зависит рациональное выполнение последующих технологических процессов ухода и выкопки сеянцев, а также их рост и развитие на ювенильной стадии онтогенеза [49].
Операция заделки семян, как правило, осуществляется с помощью загортачей или катков. Зачастую операцию заделки семян производят путем обрушения стенок борозды, в результате чего происходит перемешивание подсушенных верхних и влажных нижних почвенных частиц, приводящее к изреженным всходам и неравномерному развитию растений (Авторское свидетельство СССР № 371883, кл. А01С7/00, 1970), что противоречит агротехническим требованиям.
Существующий технологический процесс содержит достаточно большое число операций по взаимодействию рабочих органов сеялки с почвой, технологически и экономически не оправданных:
– сдвиг верхнего подсушенного слоя в обе стороны относительно линии прохода;
– образование борозды;
– образование боковых валиков из влажной почвы;
– возврат ранее сдвинутого верхнего подсушенного слоя и выравнивание его до уровня дневной поверхности почвы, выполняемые отдельными рабочими органами, усложняющими конструкцию и увеличивающими габариты сеялки.
Совмещение технологических операций, согласно собственной разработке авторов, в технологическом процессе высева дражированных семян осуществляется следующим образом (рис. 1, а и б). При поступательном движении в почве на глубине “а” вырезается слой U-образной формы и поднимается на высоту “h”, образуя пустоту 3, то есть борозду. При этом подсушенный 1 и влажный нижний 2 не меняют своего положения относительно друг друга и не перемешиваются между собой. В образовавшуюся пустоту 3 со стороны ее боковых стенок борозды под поднятый слой почвы подаются семена, которые укладываются на дно. Затем поднятый слой почвы под действием собственной силы тяжести возвращается в борозду, т.е. на прежнее место, заделывая семена влажным слоем. Техническая реализация универсальной технологической операции достигается применением устройства в виде U-образной скобы (рис. 2), установленной под острым углом вхождения в почву α, имеющей в стойках 1 полые каналы 2 в виде трубок, оканчивающихся в нижней части отверстиями 3 для выхода семян, которые укладываются на дно борозды и заделываются почвой, поступающей с наклонного ножа 4. В результате заменяется необходимость и целесообразность челночного перемещения верхнего подсушенного слоя «туда и обратно» в горизонтальной плоскости, образование почвенных валиков при образовании борозды и обратное перемещение их в борозду на выполнение всего лишь одной операции – вырезание слоя почвы на заданной глубине посева семян и его подъема над дном борозды, а заделка борозды с размещенными на дне семенами производится в результате свободного опускания его под действием собственной силы тяжести без перемешивания почвенных слоев, то есть заделка семян осуществляется влажным слоем почвы, что обеспечивает их всхожесть и развитие в соответствии с предъявляемыми требованиями.
Комплекс требований к выполнению всех операций технологического процесса высева дражированных семян мог быть реализован c помощью сеялки для широкострочного посева семян, которая включает раму, навеску, бункер для семян,
|
а б |
|
Рис. 1. Схема образования борозды в поперечной (а) и продольной (б) плоскостях (собственная разработки авторов): 1 – подсушенный слой; 2 – влажный нижний слой; 3 – борозда |
|
|
|
Рис. 2. Универсальная скоба для одновременного высева и заделки дражированных лесных семян (собственная разработки авторов): 1 – стойки; 2 – семяпровод в виде полой трубки; 3 – отверстие для выхода семян; 4 – наклонный нож |
|
|
|
|
|
Рис. 3. Функциональная схема прототипа сеялки для высева дражированных лесных семян (а) и сошник (б) с дополнительным устройством для образования канавок на дне борозды и уплотнения почвы в них (собственная разработка авторов): 1 – рама; 2 – механизм навески; 3 – посевной бункер; 4 – опорное колесо; 5 – высевающий аппарат; 6 – семяпровод; 7 – коробчатый сошник; 8 – заделывающий рабочий орган (загортач или каток); 9 – днище; 10 – прорези; 11 – ось; 12 – катки коническим ободком; 13 – канавки |
сошник, планировщик, высевающий аппарат, распределитель, семяпровод, заделывающие рабочие органы [50]. Однако семена укладываются на рыхлое дно борозды неравномерно и хаотично и заделываются рыхлой почвой, поверхностный слой которой уплотняется заравнивающим устройством. Отсутствие уплотнения дна борозды исключает хорошую подачу по почвенным капиллярам воды из нижних влажных слоев. Уплотнение поверхностного слоя ведет к потере влаги, уходящей при испарении в атмосферу. Все это ведет к большой разносортности выращиваемых сеянцев с разной степенью развития по размерам, а также разной жизнеспособностью в культурах.
Поэтому для дражированных лесных семян необходимо спроектировать прототип и обосновать его параметры и режимы работы, учитывающей вышеприведенные особенности. Прототип сеялки должен содержать раму 1, механизм навески 2, посевной бункер 3, опорное колесо 4, высевающий аппарат 5, семяпровод 6, коробчатый сошник 7 и заделывающий рабочий орган 8. В нижней передней части коробчатого сошника (рис. 3) должно быть выполнено днище 9 с прорезями 10, в которых на горизонтальных осях вращения размещены в шахматном порядке катки 12 с коническим ободком, образующие канавки 13 с уплотненными наклонными стенками и дном. При этом угол наклона боковых стенок канавок должен быть больше угла трения семян о поверхность почвы (угол трения подбирается для схожих по морфологическим параметрам семян). При этом предполагаемый процесс высева дражированных семян будет осуществляться следующим образом. При поступательном движении посевного агрегата сошник заглубляется в почву на заданную глубину, образует борозду путем сдвига верхнего подсушенного слоя почвы в обе стороны, катки в процессе своего вращения образуют уплотненные клинообразные в поперечном сечении канавки, создавая этим самым рифленую поверхность дна борозды. Семена, подаваемые высевающим аппаратом, поступают по семяпроводу на рифленую поверхность дна борозды. Те семена, которые поступают на вершину или боковую поверхность канавки, скатываются в канавки. Таким образом, семена укладываются строго параллельными рядами на дно канавок, т.е. их размещение в широкой строчке упорядочивается, и входят в плотный контакт с уплотненной почвой, находящейся постоянно во влажном состоянии за счет капиллярного поступления воды, а возвращенный верхний слой играет роль мульчи, предотвращающей испарение влаги и, следовательно, создаются оптимальные условия для всхожести семян и развития ростков.
Заключение.
1. С учетом современного уровня развития технологии наземного высева необходимо разработать комплекс технических средств для высева лесных семян, в том числе и дражированных. В настоящее время данное направление интенсивно разрабатывается авторами совместно с российскими коллегами. Поданы две заявки на патент РФ. Предварительный анализ конструкции показывает, что себестоимость лабораторного образца сеялки может составить не более 200-220 тыс. руб., мелкосерийного – не более 150-170 тыс. руб.
2. Необходимо разработать конструкцию высевающего аппарата сеялки и провести исследование априорных моделей данного устройства с учетом морфологических особенностей семян.
Благодарности.
Отдельную благодарность авторы выражают кафедре механизации лесного хозяйства и проектирования машин ВГЛТУ за предоставленную возможность проводить исследования в лабораториях кафедры и ценные замечания в методических аспектах.
