Способ обработки семян сельскохозяйственных растений

Изобретение относится к области сельского хозяйства. Предложен способ обработки семян сельскохозяйственных растений, который включает воздействие на семена перед посевом газовой плазмой в неорганической газовой среде при пониженном давлении при частоте электрического разряда 1-40 МГц и при мощности электрического разряда по меньшей мере 0,01 Вт/см³ в течение по меньшей мере 10 с. Давление неорганической газовой среды пульсирует с частотой 0,5-1,5 Гц и амплитудой пульсаций 0,1-1,2 Торр. Способ обеспечивает улучшение равномерности полевой всхожести семян и сокращение разброса темпов роста и развития растений. 9 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а более конкретно к растениеводству, и может найти применение при предпосевной обработке семян различных культур.

Известен способ обработки биологического материала, содержащего живые клетки (см. патент US8103340, МПК A61L 2/14, A61N 1/00, опубл. 24.01.2012), с использованием плазмы, генерируемой разрядом в газе при атмосферном давлении. Способ включает расположение электрода на расстоянии от биологического материала, установку твердого диэлектрика между электродом и биологическим материалом, непосредственно перед электродом и на расстоянии от биологического материала. На электрод подают высокое переменное напряжение, содержащее высоковольтные импульсы переменной полярности частотой 3 кГц и амплитудой 5-15 кВ и удельной мощностью 0,1-1,0 Вт/см² для воспламенения разряда в газе мощностью около 10 Вт при температуре около 40 ºС в области между диэлектриком и биологическим материалом.

Известный способ обработки биологического материала предназначен для очистки поверхности материала от микроорганизмов, к тому же способ имеет очень малую производительность.

Известен способ обработки семян (см. заявка IL234389, МПК A01C, A01N, опубл. 31.10.2018), по которому ведут обработку семян холодной плазмой частотой не меньше 100 кГц-100 ГГц в течение не менее 1 секунды и не более 60 минут, предпочтительнее не более 1 минуты, при давлении не более 500 Па, предпочтительнее около 10 Па, при содержании в указанной атмосфере в камере органического углерода не более 70 %, где атмосфера включает газ, выбранный из группы: воздух, кислород, азот, аргон или неон и их смеси.

Известный способ обработки семян позволяет улучшить их смачиваемость, но не оказывает влияния на ускорение роста и развития растений.

Известен способ обработки семян сельскохозяйственных растений (см. заявка CN110192456, МПК A01C 1/08, опубл. 03.09.2019), в соответствии с которым сельскохозяйственные семена помещают на конвейерное устройство для подачи в камеру с холодной плазмой при атмосферном давлении, где на семена воздействуют неионизирующим излучением в течение 15-20 секунд при мощности 0-280 Вт.

Известный способ обработки обеспечивает стерилизацию семян, что снижает опасность их заражения и позволяет уменьшить потребление пестицидов, однако ощутимо не влияет на ускорение роста и развития растений.

Известен способ обработки семян (см. патент US10420199, МПК H01C 1/02, опубл. 17.09.2019), включающий подачу семян системой вибрируемых дисков с множеством отверстий, воздействие на семена непрерывным потоком низкотемпературной газовой плазмы, создаваемой импульсным или модулированным электрическим разрядом при частоте электрического разряда в диапазоне 0,2-220 МГц при мощности электрического разряда 0,001-0,4 Вт/см³ и давлении неорганического газа в диапазоне 0,01-10 Торр при контролируемой температуре рабочего объема.

Расположение вибрируемых дисков непосредственно в зоне плазменного разряда искажает пространственную структуру плазменного разряда в объеме технологической камеры, в которой возникают зоны повышенной напряженности плазменного разряда и зоны экранирования плазмы, искривляющие концентрацию и энергию составляющих плазменного разряда (электронов, ионов, радикалов, возбужденных молекул газа). В результате известным способом семена обрабатываются неравномерно, что снижает их качество.

Известен способ предпосевной обработки семян (см. патент RU2109429, МПК А01C 1/00, опубл. 27.04.1998), включающий воздействие импульсным светом электрического разряда в воздухе при атмосферном давлении мощностью от 100 МВт и выше микросекундного диапазона длительностей (от единиц микросекунд и более). Количество световых воздействий в каждой серии составляло 10, 20, 40 импульсов, генерируемых с интервалами через 10 секунд.

Известный способ позволяет исключить возможность теплового перегрева семян. К недостаткам способа следует отнести относительно большое, порядка 200-400 секунд, время обработки, а, следовательно, низкую производительность процесса обработки.

Известен способ обработки семян хлопчатника (см. патент RU2265304, МПК А01С 1/00, опубл. 20.12.2005), включающий обработку семян высокочастотным переменным электромагнитным полем путем продувки семян через газоэлектрическую плазму, представляющую собой ионизированный воздух, нагретый до 200-250°С в переменном высокочастотном электромагнитном поле в течение 0,5-1,0 секунд.

Известный способ позволяет освободить семена от подпушка. Но пригоден известный способ лишь для обработки семян хлопчатника.

Известен способ обработки семян (см. патент US6543460, МПК A01C 1/00, B08B 7/00, опубл. 08.04.2003), включающий воздействие плазмой на семена в виде зерна в течение выбранного промежутка времени для удаления поверхностного материала с семян, ворошение семян во время обработки для равномерного травления. Ворошение семян осуществляют в цилиндрическом плазменном реакторе, вращаемом вокруг его оси. Воздействуют плазмой при частоте электрического разряда 13,56 МГц и 3,56 МГц в газе, выбранном из группы: кислород, аргон, воздух, CF₄, аммиак, пары воды, их смеси или пары воды, выделяемые семенами.

Известный способ удаляет с поверхности семян бактериальные загрязнения, но не оказывает заметного влияния на повышение всхожести семян, ускорение роста и развития растений.

Известен способ обработки семян сельскохозяйственных растений (см. патент RU2317668, МПК А01С 1/00, опубл. 27.02.2008), в соответствии с которым на семена воздействуют газовой плазмой в среде неорганического газа или смеси неорганических газов при частоте электрического разряда в диапазоне 1-40 МГц при мощности электрического разряда 0,01-0,1 Вт/см³ и давлении неорганического газа в диапазоне 0,2-1,13 Торр в течение 10-45 секунд. Затем семена обрабатывают в течение 8-17 мин водой, предварительно активированной, по меньшей мере, в одной из электродных камер, по меньшей мере, одного диафрагменного электролизера. После обработки активированной водой семена высушивают.

Дополнительная обработка семян активированной водой после плазменной обработки приводит к активированию всех биологических процессов в семенах, которые после такой обработки необходимо как можно быстрее сеять в грунт, что на практике промышленного растениеводства не всегда соответствует погодным, климатическим условиям. Семена после такой многостадийной обработки плохо переносят долгие сроки хранения, теряют лёгкость, сохранность своих качеств. Кроме того, многостадийность процесса обработки семян, применение дополнительной обработки в воде и дополнительной сушки семян приводит к существенному увеличению времени обработки, снижению производительности и эффективности работы оборудования.

Известен способ предпосевной обработки семян среднеспелых сортов сои (см. патент RU2683041, МПК A01C 1/06, опубл. 26.03.2019), включающий воздействие на семена низкотемпературной аргоновой СВЧ-плазмой в течение 60 секунд с помощью СВЧ-источника электромагнитных колебаний с частотой генерации 2,45 ГГц с диаметром плазменной струи 16 мм на расстоянии 2,0 см и 4,5 см от края плазменной горелки. Основные спектры излучения плазменного факела находятся в областях 300-400 нм и 700-800 нм, плотность потока СВЧ-излучения составляет 1 мВт/см².

Известный способ оказывает положительное влияние на первоначальный рост семян и повышение устойчивости растений к воздействию внешних стрессоров, однако способ имеет узкое применение, так как предназначен лишь для обработки семян среднеспелых сортов сои.

Известен способ обработки семян сельскохозяйственных растений (см. патент RU2293456, МПК A01C 1/00, опубл. 20.02.2007), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Способ-прототип включает воздействие на семена перед посевом газовой плазмой в среде неорганического газа или смеси неорганических газов при частоте электрического разряда в диапазоне 1-40 МГц при мощности электрического разряда 0,01-0,1 Вт/см³ и давлении неорганического газа в диапазоне 0,2-1,13 Торр. Семена, срок проверки энергии прорастания и всхожести которых определяют на 3 и 5 день после посева, обрабатывают газовой плазмой в течение 10-30 с, семена со сроком упомянутой проверки на 4 и 10 день после посева обрабатывают газовой плазмой в течение 15-35 с, семена со сроком упомянутой проверки на 5 и 15 день после посева обрабатывают газовой плазмой в течение 20-40 с, а семена со сроком упомянутой проверки на 10 и 20 день обрабатывают газовой плазмой в течение 25-45 с.

В известном способе-прототипе для поверхностного слоя семян и для нижележащих слоев семян не обеспечиваются одинаковые условия плазменной обработки, так как происходит экранировка нижележащих слоев семян образующимся при плазменном разряде электрическим зарядом на поверхностном слое семян, в этих слоях различен энергообмен семян и плазменного разряда, в нижележащих слоях семян накапливаются побочные продукты взаимодействия семян с газовым плазменным разрядом. В результате обработанные способом-прототипом семена имеют весьма разные сроки полевой всхожести и значительный разброс темпов роста и развития растений, что в итоге приводит к снижению урожайности.

Задачей настоящего технического решения является разработка способа обработки семян сельскохозяйственных растений, который бы обеспечивал улучшение равномерности посевной всхожести семян и сокращение разброса темпов роста и развития растений.

Поставленная задача достигается тем, что способ обработки семян сельскохозяйственных растений включает воздействие на семена газовой плазмой в неорганической газовой среде при пониженном давлении при частоте электрического разряда 1-40 МГц и при мощности электрического разряда по меньшей мере 0,01 Вт/см³ в течение по меньшей мере 10 с. Новым в способе является то, что давление неорганической газовой среды пульсируют с частотой 0,5-1,5 Гц и амплитудой пульсаций 0,1-1,2 Торр.

Подачу семян в зону обработки газовой плазмой можно осуществлять пульсирующей подачей с частотой 0,5-1,5 Гц.

На семена газовой плазмой можно воздействовать при частоте электрического разряда 13-40 МГц.

На семена можно воздействовать газовой плазмой при мощности электрического разряда 0,01-0,5 Вт/см³ или при мощности электрического разряда 0,03-0,1 Вт/см³.

На семена можно воздействовать газовой плазмой в течение 10-50 с, предпочтительнее в течение 20-30 с.

Выбор диапазонов плазменного разряда и частот пульсаций давления обусловлен тем, что при частоте электрического разряда меньше 1 МГц, при мощности электрического разряда меньше 0,01 Вт/см³, давлении больше 1,2 Торр фактически отсутствует плазменный разряд, необходимый для обработки семян. Времени выдержки семян в плазменном разряде меньше 10 с оказывается недостаточным для улучшения равномерности посевной всхожести семян. При частоте пульсаций давления меньше 0,5 Гц такая пульсация давления практически не оказывает влияния на электрический заряд на поверхностном слое семян, на энергообмен семян и газового плазменного разряда во всем объеме обрабатываемых семян, а также на удаление побочных продуктов взаимодействия семян с газовым плазменным разрядом.

При частоте электрического разряда больше 40 МГц, при мощности электрического разряда больше 0,5 Вт/см³, при давлении меньше 0,1 Торр и времени выдержки семян в плазменном разряде больше 50 с образуется очень мощный, жесткий плазменный разряд, в котором семена деструктурируют и подгорают. При частоте пульсаций давления больше 1,5 Гц плазменный разряд не успевает сформироваться в необходимых режимах для обработки семян, теряются преимущества пульсирующего плазменного разряда обработки семян.

Семена можно обрабатывать газовой плазмой в среде атмосферного воздуха или в среде инертного газа, или в среде азота, или в среде кислорода, или в среде смеси кислорода и азота при содержании азота, например, в концентрации до 80 мас. %.

В процессе обработки семян настоящим способом образуется турбулентный пульсирующий (в синусоидальной форме) газовый разряд, способствующий перемешиванию газа в плазме, значительному уменьшению электрического заряда на поверхностном слое семян, экранирующего от воздействия плазмой на нижележащие слои семян; усилению энергообмена семян и газового плазменного разряда во всем объеме обрабатываемых семян, а также улучшению удаления побочных продуктов взаимодействия семян с газовым плазменным разрядом.

Настоящий способ поясняется чертежом, где:

на фиг. 1 в таблице 1 приведены результаты обработки настоящим способом семян 1 группы по срокам проверки энергии прорастания и всхожести (репа, редис и редька);

на фиг. 2 в таблице 2 приведены результаты обработки способом-прототипом семян 1 группы по срокам проверки энергии прорастания и всхожести (репа, редис и редька);

на фиг. 3 в таблице 3 приведены результаты обработки настоящим способом семян 2 группы по срокам проверки энергии прорастания и всхожести (свекла, капуста, томат, ячмень, чечевица, тыква, горох, кукуруза и пшеница);

на фиг. 4 в таблице 4 приведены результаты обработки способом-прототипом семян 2 группы по срокам проверки энергии прорастания и всхожести (свекла, капуста, томат, ячмень, чечевица, тыква, горох, кукуруза и пшеница);

на фиг. 5 в таблице 5 приведены результаты обработки настоящим способом семян 3 группы по срокам проверки энергии прорастания и всхожести (перец, петрушка, картофель, астра и хризантема);

на фиг. 6 в таблице 6 приведены результаты обработки способом-прототипом семян 3 группы по срокам проверки энергии прорастания и всхожести (перец, петрушка, картофель, астра и хризантема);

на фиг. 7 в таблице 7 приведены результаты обработки настоящим способом семян 4 группы по срокам проверки энергии прорастания и всхожести (хмель, клен, сосна, мелисса, табак, сельдерей и укроп);

на фиг. 8 в таблице 8 приведены результаты обработки способом-прототипом семян 4 группы по срокам проверки энергии прорастания и всхожести (хмель, клен, сосна, мелисса, табак, сельдерей и укроп).

Настоящий способ обработки семян сельскохозяйственных растений осуществляют следующим образом.

Предварительно семена очищают известными способами от посторонних включений, земли, примесей семян других сортов. При необходимости высушивают семена до своей естественной влажности, группируют по срокам проверки энергии прорастания и всхожести. Семена разных культур каждой группы обрабатывают по отдельности друг от друга. Семена загружают в загрузочный бункер устройства для обработки холодной плазмой, из которого затем семена подают в рабочую камеру. Рабочую камеру предварительно заполняют неорганической газовой средой при пониженном давлении, например, атмосферным воздухом или инертным газом, или азотом, или кислородом, или смесью кислорода и азота при содержании азота, например, в концентрации до 80 мас. %. Высокочастотным источником в рабочей камере между электродами создают неравновесную холодную плазму с частотой электрического разряда в диапазоне 1-40 МГц, предпочтительнее 13-40 МГц, при мощности электрического разряда, по меньшей мере 0,01 Вт/см³, например, 0,01-0,5 Вт/см³, предпочтительнее 0,03-0,1 Вт/см³. При этом давление неорганической газовой среды пульсируют с частотой 0,5-1,5 Гц и амплитудой пульсаций 0,1-1,2 Торр. Подачу семян предпочтительно осуществлять в пульсирующем режиме с частотой 0,5-1,5 Гц, для лучшего доступа плазмы к семенам. В рабочей камере при среднемассовой (газовой) температуре 20-40°С на семена воздействуют газовой плазмой указанных выше параметров в течение по меньшей мере 10 секунд, например, в течение 10-50 секунд, предпочтительнее в течение 20-30 секунд. Обработанные плазмой семена выгружают из камеры через разгрузочный бункер устройства и далее фасуют их в упаковки.

Были проведены сравнительные испытания настоящего способа обработки семян сельскохозяйственных растений и способа-прототипа. Испытывались семена различных культур первого класса с фактической всхожестью 75-80 %. Из семян первой группы по срокам проверки энергии прорастания и всхожести были взяты 3 партии различных семян (репа, редис и редька). Из семян второй группы по срокам проверки энергии прорастания и всхожести были взяты 9 партий различных семян (свекла, капуста, томат, ячмень, чечевица, тыква, горох, кукуруза и пшеница). Из семян третьей группы по срокам проверки энергии прорастания и всхожести были взяты 5 партий различных семян (петрушка, картофель, перец, астра и хризантема). Из семян четвертой группы по срокам проверки энергии прорастания и всхожести были взяты 7 партий различных семян (хмель, клен, сосна, мелисса, табак, сельдерей и укроп). Семена каждой группы обрабатывали как настоящим способом, так и способом-прототипом. Параметры плазменной обработки и полученные результаты приведены на фиг. 1-фиг. 8 в таблицах № 1-№ 8.

Как следует из результатов сравнительных испытаний, настоящий способ обработки семян сельскохозяйственных растений обеспечивает улучшение равномерности полевой всхожести семян на (10-15) % и сокращает разброс темпов роста и развития растений (улучшает одновременность созревания) на (7-12) %.

1. Способ обработки семян сельскохозяйственных растений, включающий воздействие на семена перед посевом газовой плазмой в неорганической газовой среде при пониженном давлении при частоте электрического разряда 1-40 МГц и при мощности электрического разряда по меньшей мере 0,01 Вт/см³ в течение по меньшей мере 10 с, отличающийся тем, что давление неорганической газовой среды пульсирует с частотой 0,5-1,5 Гц и амплитудой пульсаций 0,1-1,2 Торр.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют пульсирующую подачу семян с частотой 0,5-1,5 Гц в зону обработки газовой плазмой.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что воздействуют на семена газовой плазмой при частоте электрического разряда 13-40 МГц.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что воздействуют на семена газовой плазмой при мощности электрического разряда 0,01-0,5 Вт/см³.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что воздействуют на семена газовой плазмой при мощности электрического разряда 0,03-0,1 Вт/см³.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что воздействуют на семена газовой плазмой в течение 10-50 с.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что воздействуют на семена газовой плазмой в среде атмосферного воздуха.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что воздействуют на семена газовой плазмой в среде инертного газа.

9. Способ по п. 5, отличающийся тем, что воздействуют на семена газовой плазмой в среде азота.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что воздействуют на семена газовой плазмой в среде кислорода или в среде смеси кислорода и азота.