Россия
, Россия
Воронеж, Россия
Дан анализ способов посева и существующих видов сеялок, которые используются в лесном и агротехническом комплексах, а также патентных материалов. Анализ отечественных конструкций сеялок СЛП-М, СЛУ-5-20 и «Литва-25», предназначенных для посева мелких лесных семян в питомниках и в открытый грунт, показал, что они энергоемки и не всегда обеспечивают заделку семян во влажную почву. Рассмотрены перспективные направления ресурсосбережения в сельском хозяйстве – посев по технологии «no-till» или «mini-do», обеспечивающий высев семян в необработанную и минимально обработанную почву. Комбинированная сеялка АГРАТОРДК оснащена дисковым культиватором и сеялкой с сошниками. Сеялка RAPIDRDA-450S от компании VADERSTAD имеет сферические диски, которые культивируют почву за один проход. Представленные способы посева и устройства высева имеют существенный недостаток – необходимость заделки семян в бороздках дополнительными рабочими органами с высокой вероятностью попадания в бороздки сухой почвы, перемещения верхнего слоя почвы «туда и обратно». Нами разработан и изготовлен макетный образец сошника с возможностью изменения угла вхождения в почву и глубины заделки мелких лесных семян. Предварительные лабораторные исследования показали работоспособность макетного образца сошника и способность производить нарезку посевной борозды путем вырезания слоя почвы с образованием пустоты над дном посевной борозды, в которую подавались семена по трубкам из воронок, а заделка семян производилась пластом почвы под действием собственной силы тяжести
лесные сеялки, семена, питомник, сошник, технология
Введение
Неистощительное пользование лесом для такой страны, как наша, требует постоянного восполнения ресурсов леса [1]. Главные объемы лесовосстановительных работ выполняются с помощью посева семян в лесопитомниках (выращивание посадочного материала) и на вырубках. При посеве семян должны соблюдаться следующие правила: равномерность посева семян по всей площади с соблюдением общепринятых норм высева; соблюдение глубины посева, которая регламентируется нормами высева для этой культуры; хорошее взаимодействие семени с влажной поверхностью почвы [2]. При проведении посева предъявляются следующие агротехнические требования: отклонение от норм высева не должно превышать 3…4 %, отклонение по глубине заделки семян не должно превышать 15 %; выполнение заданной линейности высевных рядов и сохранение заданной ширины междурядья с допустимыми отклонениями от междурядья ± 1 см и от приклада ± 2 см; потеря семян не должна превышать 1 % [3, 4].
На сегодняшний день представленные технологические процессы для выращивания лесного и посадочного материала имеют завышенные нормы высева, иногда значительные [5, 6]. Авторами отмечено [7], что только 14…22 % посеянных семян образуют стандартные сеянцы сосны.
Показывают низкую грунтовую всхожесть и семена других растений. Именно по этой причине в справочниках и руководствах по нормам высева в приводимые данные закладывают большой перерасход семян, большая часть которых имеет высокую ценность из-за трудного сбора и непростой предпосевной подготовки [8, 9].
Сеялки отличаются следующими основными характеристиками [10, 11]:
1. По прямому назначению: существуют сельскохозяйственные, которые используются для посева семян сельскохозяйственных культур в агропромышленном комплексе, и специальные, которые используются для посева лесных семян при лесовосстановлении, защитном лесоразведении и др.;
2. По способу формирования семенной борозды: с помощью сошника, в котором применяется обычный и дисковый тип, также используют бороздоформирующие катки, в которые высевают рыхлые семена и семена более твердых пород;
3. По количеству посевных рядов и способу посева: однорядный, при котором используется обычный, гнездовой и ямочный посев, и многорядный – с помощью группового и рассеянного посева;
4. По способу передвижения: ручные, конные, тракторные, установленные на вертолетах и самолетах (воздушные сеялки).
Для того чтобы в почве образовалась борозда, применяют сошники с тупым, прямым и острым углом вхождения в почву. Они бывают дисковыми, полозьевыми, килевыми. Анализ рабочих процессов и конструкций сошников различных типов показал, что они энергоемки и не всегда обеспечивают заделку семян во влажную почву [12].
Материалы и методы
Исследование выполнено на основе существующих видов сеялок, которые используются в лесном и агротехническом комплексах, а также патентных материалов. В настоящее время в лесном хозяйстве применяются различные отечественные и зарубежные конструкции сеялок.
Сеялка СЛП-М, предназначенная для работы в лесных питомниках (рис. 1), осуществляет посев различных семян, а также семян, смешанных с торфом [11]. Сеялка СЛП-М имеет ряд преимуществ перед сеялкой СЛП, которая высевает только несыпучие семена. Катушечный аппарат из ящика перемещает мелкие сыпучие семена. Далее по семяпроводу семена попадают в борозды, ширина которых составляет 3, 5 или 8 сантиметров, они формируются сошником коробчатой формы с острым углом вхождения в почву. Схема посева – ленточная 6-строчная. Расстояние между строк в ленте составляет 10 сантиметров. Интервал между лентами равен 30 сантиметрам (10—30—10—30—10—60 см). При 5-строчной (20—20—20—20—70 см) и 4-строчной (25—25—25—75 см) схемах посева размещение строчек равномерное.
Cошники коробчатой формы закрепляются на параллелограммных секциях. Чтобы высевать мелкие семена, необходимо установить шесть узкострочных сошников, а когда происходит высевание несыпучих семян, нужно установить широкострочные сошники с острым углом вхождения в почву в количестве трех штук. Глубина заделочной борозды для мелких семян составляет 2 сантиметра, а для крупных – 8 сантиметров. Сеялка устанавливается на самоходное шасси Т-16М. Его производительная мощность составляет 0,1 га/ч, масса 485 кг.
Сеялка СЛП-5 используется для высевания сыпучих семян лесных культур в питомниках лесхозов. Она поперечно выравнивает микрорельефы, качественно формирует посадочные борозды, точно дозирует норму высева и обеспечивает качественную заделку семян. С помощью высевающего аппарата катушечного типа через семяпроводы семена попадают в сформированную борозду, которая образуется с помощью катка диаметром 410 миллиметров, в зависимости от схемы посева на него крепятся реборды в количестве 5-6 штук.
Очень распространена широкострочная сеялка «Литва-25» [11], с помощью которой в лесных питомниках высевают мелкие сыпучие семена.
Бороздоформирующий каток включает в себя 5 секций, каждая секция имеет 5 реборд. Они формируют 25 посевных борозд, глубина которых составляет 12 см. На дне ящика, в котором находятся семена, размещен вал, на котором имеются 25 дорожек, по ним семена попадают в подготовленную борозду через семяпровод, после чего засыпаются землей. Сеялка устанавливается на самоходное шасси Т-16М. Его производительная мощность составляет 0,4 га/ч, масса 180 кг.
|
|
Рисунок 1. Схема сеялки СЛП-М [11]: 1 – бункер для мелких сыпучих семян; 2 – бункер для несыпучих семян и мульчирующего материала; 3 – рычаг для включения высевающих аппаратов; 4 – контрпривод; 5 – коробчатый семяпровод;
Figure 1 Scheme of the SLP-M seeder[11]: 1 – hopper for small loose seeds; 2 – hopper for non-loose seeds and mulching material; 3 – lever for turning on the sowing machines; 4 – counter-drive;
|
Сеялка СЛУ-5-20 [6] используется для посева в открытый грунт мелких и сыпучих семян, также сеялка подходит для работы в промышленных теплицах. На сеялке СЛУ-5-20 размещен почвоформирующий цилиндрический барабан диаметром 410 мм, на котором размещено 20 колец с сечением трапециевидной формы. Для хвойной породы древесины ширина колец составляет 20 мм, для лиственной породы 30 мм. Посев выполняется с помощью размещения на ленте рядов в количестве 5, 10, 20 штук с расстоянием между посевными рядами 20, 10, 5 см. При работе в тепличных условиях сепараторы размещают на семявыносящие протоки по обеим сторонам. Каждый проток будет разделять поток выходящих семян на две части, далее они направляются в две соседние лунки. Этим способом происходит посев, состоящий из 20 строк. При работе СЛУ-5-20 в сцепке с самоходной установкой Т-16М она комплектуется редуктором и кронштейном в количестве двух штук, четырьмя звеньями в форме параллелограммного механизма, который установлен между редукторами и рамой сеялки. Они предназначены для крепления двух цилиндров подъема сеялки в транспортное положение.
На базе Воронежского государственного лесотехнического университета (ВГЛТУ) на основе научных исследований, проведенных Пошаниковым Ф.В., была разработана, сконструирована и внедрена в производственный процесс сеялка питомниковая (СПП-ЗШ), включающая в свою конструкцию следующие элементы: бункер для различного размера семян, колесный привод, металлическую раму, планировщик, семяпроводящие трубки, по которым семена поступают в борозду, сошники, волокушу [5]. При движении сошника сеялки образующиеся комья, засохшие слои почвы, остатки корней перемещаются в стороны при помощи планировщика, который, в свою очередь, осуществляет и выравнивание борозды. Затем происходит перемещение сошников на заданную глубину и равномерное распределение семян с дальнейшим их заделыванием в почве. В завершение происходит выравнивание посевной борозды.
В сельскохозяйственном производстве при выполнении посева зерновых культур в соответствии с принципом ресурсосбережения посев осуществляется по двум наиболее распространенным технологиями, известным как «no-till» или «mini-do». Данные технологии подразумевают высевание на необработанную почву и почву с минимальной обработкой поверхности. Основным преимуществом данных технологий является их экономическая эффективность, связанная со снижением энергозатрат.
Существующие сеялки [9], используемые для осуществления посева в соответствии с принципами ресурсосберегающих технологий, разделяют на следующие основные группы: лапа, диск, анкер. Устройства, оснащенные сошниками в виде ланцетной лапки, применяются на комбинированных дисковых сеялках серии Agromaster AGRATOR. Сеялки данной серии могут включать в свой механизм несколько рядов дисков в виде сферы, установленных на отдельных стойках. Комплекс AGRATOR осуществляет посевное разбрасывание полосой 12-16 см для выращивания шириной 300 мм. Комбинированная сеялка AGRATORDK включает дисковый культиватор и сеялку с почвообрабатывающими сошниками. Дисковый культиватор подготавливает почву к посеву, а сеялка выполняет посев шириной 12-15 см. Рабочая скорость для сельскохозяйственных нужд – до 10 км/ч.
Основными узлами сеялки RAPIDRDA-450S [18] шведской компании VADERSTAD являются бункер для семян, посевной аппарат, сошники, а также заделочные органы, заполняющие образовавшиеся бороздки почвой. Сеялка имеет два ряда сферических дисков, с помощью которых происходит культивация поверхности. Изменить ширину колеи можно с помощью перестановки колес. Подготовка почвы к посеву происходит за один проход. Посев проходит по обработанной поверхности почвы по всей ширине сеялки.
Прицепная сеялка Condor [1] оснащена высевающими сошниками ConTeCpro с индивидуальным управлением с шириной рядка 25 см или 31,3 см/33,3 см, что делает ее особенно подходящей для использования в континентальных засушливых регионах. Конструкция сошников точно воспроизводит рельеф местности. Сошники расположены на расстоянии 30 см друг от друга. При ширине захвата 12 и 15 м и 3-секционном бункере для семян под давлением Condor обеспечивает высокую эффективность работы.
Описанные выше сеялки зарубежного производства, поэтому сильно усложняется процесс обслуживания и замены вышедших из строя узлов и агрегатов из-за сроков поставки запасных частей.
Авторами [7] (патент РФ № 2399187, МКИ3А01С 7/20) предложена разработка сошника для разбросного посева семян и удобрений, представленная на рис. 2. Сошник включает в себя следующие конструктивные элементы:1 – стойка;
2 – подошва; 3 – стрельчатая лапа; 4 – винты крепления; 5 – башмак; 6 – семяпровод; 7 – распределитель; 8 – сводообразователь.
Устройство осуществляет разбросный посев по следующим стадиям: 1 – прокладывание борозды сошником в стерневом слое почвы с облегченным сходом растительного остатка со стойки башмака за счет радиусов скругления, равных половине диаметра упора; 2 – выравнивание дна борозды с последующим поступлением семян по семяпроводу; 3 – процесс закрытия дна борозды с использованием сводообразователя, при этом не допускается перемешивание семян с почвой.
Существует способ посева семян [7] (А.с. № 371883 СССР; М. кл. А01С 7/00; опубл. 01.03.1973), в соответствии с которым сначала происходит смещение верхнего слоя почвы, потом образуется базовая поверхность борозды, далее происходит нарезание посевной борозды на заданную глубину от базовой поверхности, посев семян и их заделка. Изобретение относится к лесохозяйственному машиностроению, в частности, к способам и устройствам для посева сыпучих семян древесно-кустарниковых пород в лесных питомниках. Однако данный способ посева не отвечает большинству агротехнических требований из-за того, что заделка семян производится путем обрушения стенок посевной борозды, в результате чего происходит перемешивание подсушенных верхних и влажных нижних почвенных частиц, приводящее к изреженным всходам и неравномерному развитию растений. Известен способ посева семян, включающий нарезку посевной борозды, посев семян и их заделку [8]. На первом этапе работы происходят сдвиг верхнего слоя почвы или остатков корневой системы деревьев и образование базовой поверхности, после чего осуществляется нарезка посевной борозды и происходит высев семян с последующей заделкой борозд. Техническое исполнение данного способа посева семян осуществляется устройством, которое включает в себя раму, механизм навески, опорные колеса, семенной бункер, высевающий аппарат, семяпровод, сошник.
|
|
Рисунок 2. Сошник [7]: 1 − стойка;
Figure 2. Coulter [7]: 1 – stand; 2 – sole;
|
Процесс посева осуществляется следующим образом: 1 – происходит подготовка базовой поверхности путем сдвига засохшей почвы, а также остатков корневой системы деревьев; 2 – осуществляются опускание сошника на трубуемую глубину и прокладка основной борозды для семян, после чего происходит высевание семян по семяпроводящим трубкам; 3 – заделывание борозды и выравнивание базовой поверхности загортачами.
Однако данный способ посева семян включает в себя неоправданно много операций в части подготовки посевной борозды и заделки семян почвой, выполняемых отдельными рабочими органами, которые усложняют конструкцию и увеличивают габариты применяемого устройства и энергоемкость процесса посева семян.
Поэтому необходимо разработать новую конструкцию устройства для посева семян, обеспечивающую снижение энергоемкости процесса посева семян и повышение его качества.
Результаты и обсуждение
Проведенные исследования и практика показали, что анкерные и коробчатые сошники с острым углом вхождения в почву плохо преодолевают препятствия и забиваются почвенно-растительной массой. Килевидные сошники с тупым углом вхождения в почву могут наползать на препятствия, но неустойчивы по ходу движения и не обеспечивают равномерность глубины борозды. Двухдисковые сошники хорошо преодолевают препятствия, но образуют борозду, в центре которой остается гребень, препятствующий высеву семян по линии.
Недостатком бороздообразующего цилиндрического катка является необходимость заделки семян в бороздках дополнительными рабочими органами с высокой вероятностью попадания в бороздки сухой почвы, перемещения верхнего слоя почвы «туда и обратно».
Анализ рабочих процессов и конструкций существующих и перспективных сеялок показал, что процесс высева лесных семян состоит из многих операций по подготовке посевного места и заделки семян почвой, а именно:
– сдвига верхнего сухого слоя в разные стороны по отношению к линии прохода;
– формирования борозды для высева;
– появления боковых валиков из влажной почвы;
– возврата верхнего подсушенного слоя, сдвинутого ранее, и выравнивания его до уровня поверхности почвы. Этот процесс осуществляется дополнительными рабочими органами, которые усложняют конструкцию, увеличивают габариты сеялки и энергоемкость процесса посева семян.
Поэтому необходимо разработать новую конструкцию устройства для посева семян, которое должно производить нарезку посевной борозды путем вырезания слоя почвы и его подъема с образованием пустоты над дном посевной борозды, в которую должны подаваться семена. Заделку семян производить путем возвращения поднятого вырезанного слоя почвы в посевную борозду под действием собственной силы тяжести, не меняя взаимного положения верхнего подсушенного и нижнего влажного слоев почвы, заделывая семена влажным слоем почвы. Нами разработан и изготовлен макетный образец сошника для лабораторных исследований в почвенном канале (рис. 3) с возможностью изменения угла вхождения в почву и глубины заделки мелких лесных семян.
В ходе проведения экспериментов сошник перемещался со скоростью от 0,29 до 0,37 м/с. В ходе проведения эксперимента варьируемые параметры установки сошника: угол установки сошника изменяли 100, 110, 120, 130, 140, 150. Величина заглубления именовалась 0,005, 0,01, 0,015, 0,02, 0,025, 0,03 м. Боковые подрезающие ножи перемещают слой почвы в обе стороны на высоту
0,023-0,03 м. Разрабатываемый и исследуемый сошник выполняет несколько операций за один проход. Сошник поднимает слой почвы, через семяпроводы семена укладываются в две строчки, а затем слой почвы опускается в созданную борозду.
Заключение
Анализ рабочих процессов и конструкций сошников различных типов показал, что они энергоемки, ненадежны, требуют применения дополнительных бороздозаделывающих рабочих органов и не всегда обеспечивают заделку семян во влажную почву.
Современные сошники сеялок, которые используют для посева мелких семян, не в полной мере отвечает основным агротехническим требованиям по числу семян, заделанных на заданной глубине, а также по распределению семян в рядке. Поэтому задача по разработке сошника сеялки, который должен производить нарезку посевной борозды путем вырезания слоя почвы и его подъема с образованием пустоты над дном посевной борозды, в которую должны подаваться семена, а заделку семян производить путем возвращения поднятого вырезанного слоя почвы в посевную борозду под действием собственной силы тяжести, является актуальной и требует дальнейших теоретических и экспериментальных исследований.
|
|
Рисунок 3. Макетный образец сошника для лабораторных исследований в почвенном канале [собственная разработка авторов]
Figure 3. A model sample of a coulter for laboratory studies in a soil channel [authors' own development] |
1. Ivetić V., Novikov A. I. The role of forest reproductive material quality in forest restoration. Forestry Engineering Journal. 2019;9(2): 56-65. http://doi.org/10.34220/issn.2222-7962/2019.2/7.
2. Luoranen J. Autumn versus spring planting: the initiation of root growth and subsequent field performance of Scots pine and Norway spruce seedlings. Silva Fennica. 2018; 52(2). http://doi.org/10.14214/sf.7813.
3. Dumins K., Lazdina D. Forest regeneration quality – factors affecting first year survival of planted trees. 2018: 53-58. http://doi.org/10.29326/2304-196X-2020-2-33-139-145.
4. Пошарников Ф. В. Лесные сеялки (теория, расчет, исследования и испытания) : моногр. Воронеж, 2007. 440 с. URL: https://search.rsl.ru/ru/record/01004229374.
5. Sikström U. [et al.] Influence of mechanical site preparation on regeneration success of planted conifers in clearcuts in Fennoscandia – a review. Silva Fennica. 2020;54(2). DOI: http://doi.org/0.14214/sf.10172.
6. Hjelm K., Rytter L. The demand of hybrid aspen (Populustremula × P. tremuloides) on site conditions for a successful establishment on forest land. Silva Fennica. 2018;52(5): 10036. http://doi.org/10.37482/0536-1036-2021-1-92-98.
7. Иванов В. К., Виноградова Н. В. Унифицированная методика поиска патентной информации и обработки его результатов. Изобретательство. 2014;14(12): 23–32. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=22918979.
8. Новиков А. И. Дисковые сепараторы семян в лесохозяйственном производстве : моногр. Воронеж : ФГБОУ ВО «ВГЛТУ», 2017. 159 с. – URL: https://e.lanbook.com/book/102263.
9. Драпалюк М. В. Перспективные технологии выращивания посадочного материала в лесных питомниках: моногр. Воронеж, 2006. 247 с. – URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=22026290.
10. Пошарников Ф. В. Новые способы и технологические средства для высокоэффективного посева лесных семян в питомнике. Вестник Московского государственного университета леса – Лесной вестник. 2000;3: 105–112. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/novye-sposoby-i-tehnologicheskie-sredstva-dlya-vysokoeffektivnogo-poseva-lesnyh-semyan-v-pitomnike.
11. Ларюшин Н. П., Сущев С. А., Лапин В. В., Курышев В. Д., Шумаев В. В., Мачнев А. В. Сошник для разбросного высева семян и удобрений. Патент на изобретение RU 2399187 C1, 20.09.2010. Заявка № 2009107438/12 от 02.03.2009. https://yandex.ru/patents/doc/RU2101906C1_19980120.
12. Novikov A. I., Ivetić V. The effect of seed coat color grading on height of one-year-old container-grown Scots pine seedlings planted on post-fire site. IOP Conference Series Earth and Environmental Science. Sci. 2019;226: 012043. DOI: http://doi.org/10.1088/1755-1315/226/1/012043.
