Совершенствование технологии получения высококачественного лесосеменного материала тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.01, доктор наук Новиков Артур Игоревич

• Новиков Артур Игоревич
• доктор наук
• 2021

Оглавление диссертации доктор наук Новиков Артур Игоревич

ВВЕДЕНИЕ

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

1.1 Основные положения

1.1.1 Современное лесовосстановление

1.1.2 Лесной репродуктивный материал

1.2 Технологии и технические средства для улучшения

показателей лесных семян сепарированием

1.2.1 Технологии и технические средства для сепарирования

лесных семян по количественному признаку

1.2.2 Технологии и технические средства для сепарирования

лесных семян по качественному признаку

1.2.2.1 Спектрометрические свойства лесных семян как

базис для сепарирования

1.2.2.2 Технологии и технические средства сепарирования в видимом диапазоне длин волн

1.2.2.3 Технологии и технические средства сепарирования в инфракрасном диапазоне длин волн

1.2.2.4 Технологии и технические средства мультиспектральной визуализации

1.3 Цель и задачи исследования

2 СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ СЕМЯН СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ (Pinus sylvestris L.)

2.1 Методика проведения спектрометрических исследований

2.2 Исследование спектрометрических параметров семян в отраженном оптическом потоке видимого (VIS) диапазона

длин волн

2.2 Исследование спектрометрических параметров семян в

отраженном оптическом потоке инфракрасного (Ы^)

диапазона длин волн

2.3 Исследование спектрометрических параметров семян в трансмиссионном оптическом потоке инфракрасного диапазона длин волн с обратным преобразованием Фурье

ртЩ)

2.4 Спектрометрические критерии сепарирования семян сосны обыкновенной

2.5 Выводы

3 теоретические исследования управления процессом улучшения качества семян сепарированием по спектрометрическому

ПРИЗНАКУ

3.1 Структура технологического процесса сепарирования

3.2 Построение анализирующего алгоритма управления процессом сепарирования семян по спектрометрическому признаку

3.2.1 Постановка задачи

3.2.2 Стохастическая модель управления процессом сепарирования

семян в инфракрасном диапазоне

3.2.3 Стохастическая модель управления процессом сепарирования

семян в видимом диапазоне

3.3 Детектирование единичного семени в оптоэлектронной

системе

3.3.1 Постановка задачи

3.3.2 Геометрическая модель процесса формирования оптического излучения

3.3.3 Энергетическая модель процесса формирования оптического излучения

3.4 Выводы

4 ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И РАЗРАБОТКА СЕПАРИРУЮЩЕГО АППАРАТА ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЛЕСНЫХ СЕМЯН

4.1 Обоснование конструктивно-технологических схем систем сепарирующего аппарата

4.1.1 Обоснование конструктивно-технологических схем диагностирующей системы

4.1.1.1 Конструктивно-технологическая схема на волоконно-оптических брэгговских решетках

4.1.1.2 Конструктивно-технологическая схема на брэгговских зеркалах

4.1.1.3 Конструктивно-технологическая схема на дифракционных решетках

4.1.2 Обоснование конструктивно-технологических схем

калибрующей системы сепарирующего аппарата

4.1.2.1 Первая конструктивно-технологическая схема

4.1.2.2 Вторая конструктивно-технологическая схема

4.1.2.3 Третья конструктивно-технологическая схема

4.2 Математическое моделирование движения единичного

семени в механических системах сепарирующего аппарата

4.2.1 Случай движения единичного семени в ориентирующей

системе сепарирующего аппарата

4.2.2 Случай движения единичного семени в калибрующей

системе сепарирующего аппарата

4.2.2.1 Время движения

4.2.2.2 Движение единичного семени в зоне

4.2.2.3 Движение единичного семени в зоне II

4.2.2.4 Движение единичного семени в зоне III

4.3 Обоснование быстродействия сепарирующего аппарата

4.3.1 Быстродействие механических систем

4.3.2 Быстродействие оптоэлектронных систем

4.4. Результаты экспериментальные исследований

сепарирующего аппарата

4.4.1 Априорное ранжирование факторов

4.4.2 Оптимизация конструктивно-технологических параметров сепарирующего аппарата на основе полнофакторного

эксперимента

4.4.1.1 Выбор плана эксперимента, факторов и уровней их варьирования

4.4.1.2 Реализация полнофакторного эксперимента и получение регрессионной модели процесса

сепарирования

4.5 Выводы

5 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА КАПСУЛИРОВАНИЯ СЕМЯН СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ

5.1 Методика проведения исследований

5.2 Теплофизическая модель процесса капсулирования

5.2.1 Тепловая задача

5.2.2 Диффузионная задача

5.2.3 Численное исследование

5.3 Выводы

6 РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ И ПОЛЕВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. 176 6.1 Результаты апробации процесса сепарированиия семян сосны

обыкновенной (pinus sylvestris L.) по спектрометрическому

признаку в лабораторны1х условиях

6.1.1 Методика проведения лабораторного эксперимента

6.1.2 Исследование посевных качеств биофизически активированных семян сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), полученных сепарированием по спектрометрическому признаку

6.1.3 Исследование посевных качеств дражированных семян сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), полученных сепарированием

по спектрометрическому признаку

6.1.3.1 Влияние геометрических параметров драже на посевные качества семян и биомассу проростков сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.)

6.1.3.2 Влияние биомоделирующих параметров драже (сочетания фунгицидов, биостимуляторов) на посевные качества семян и биомассу проростков сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.)

6.2 Результаты апробации процесса сепарации семян сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) по спектрометрическому

признаку в природно-производственных условиях

6.2.1 Методика проведения полевого эксперимента и характеристика экспериментального участка для исследования биометрических параметров Pinus sylvestris L

6.2.2 Исследование показателя грунтовой всхожести семян сосны обыкновенной в природно-производственных условиях контейнерного питомника

6.2.3 Исследование природно-производственных условий произрастания сеянцев сосны обыкновенной, полученных из

семян, сепарированных по количественному признаку

6.2.4 Исследование природно-производственных условий произрастания сеянцев сосны обыкновенной, полученных из

семян, сепарированных по качественному признаку

6.3 Выводы

7 ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ КАЧЕСТВЕННОГО ЛЕСНОГО РЕПРОДУКТИВНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ

ЛЕСОВОССТАНОВЛЕНИЯ

7.1 Эффективность применения технических средств улучшения

качества лесных семян сепарированием по

спектрометрическому признаку

7.1.1 Структура затрат на сепарирование

7.1.2 Экономическая эффективность

7.1.3 Основные риски при постановке технических средств на производство

7.2 Технико-технологические решения получения качественного лесного репродуктивного материала

7.2.1 Обоснование технологической операции сепарирования

7.2.2 Обоснование технологической операции капсулирования

7.2.3 Обоснование технологической операции аэросева

7.3 Эффективность процесса получения качественного лесного

репродуктивного материала для лесовосстановления

7.3.1 Структура затрат на искусственное лесовосстановление

7.4 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А Внедрение результатов научно-исследовательской

работы в деятельность профильных организаций, предприятий и высших

образовательных учреждений

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование технологии получения высококачественного лесосеменного материала»

Введение

Актуальность темы. Современное лесовосстановление ставит своей целью сбалансированное управление депонированием углерода и предоставлением экоси-стемных услуг [235, 312]. Стратегией развития лесного комплекса Российской Федерации до 2030 года, утвержденной 20.09.2018 распоряжением Правительства РФ, № 1989р, определен комплекс мер по обеспечению современного уровня «гарантированного воспроизводства лесных ресурсов на основе организационно-технических, технологических и инновационных решений [102]». Одним из таких решений является улучшение качества и повышение конкурентоспособности лесного репродуктивного материала (FRM), включающего в данном исследовании семена и полученные из них сеянцы. Качество - мера практической значимости FRM, характеризуемая его физическими, физиологическими и генетическими компонентами [208]. В технологических процессах лесовосстановления [158, 197, 252, 311] показатели качества [198] FRM определяют онтогенез [12, 37, 103] на раннем периоде роста и развития древесных растений в природно-производственных условиях произрастания. Качество сеянцев, при прочих равных условиях, определяется генетическим и физиологическим качеством лесных семян. По мнению Nef et al., «генетическое качество позволяет посеянной популяции адаптироваться к изменяющейся окружающей среде и положительно коррелируют с повышенной устойчивостью к вредителям и болезням, физиологическое качество оказывает значительное влияние как на скорость прорастания сеянцев, так и на жизнеспособность и сохранность сеянца после прорастания [252]».

Физиологическое качество семян лесных растений, по данным ФБУ «Росле-созащита» за 2019 год, в целом по России распределяется следующим образом: семена 1 и 2 классов качества составляли 88,5 %, 3 класса - 9,6 %, некондиционные -1,9 %. По сравнению с 2018 и 2017 годами, качество проверенных семян лесных

растений (как свежезаготовленных, так и хранящихся) в 2019 году стало значительно ниже (1 и 2 классы качества в 2017 году составляли 92, в 2018 году - 94 %).

Технологические процессы улучшения физиологического качества лесных семян с применением технических средств могут включать операции сепарации по различным физико-механическим свойствам, операции накатки внешней оболочки (дражирования) и операции капсулирования в сочетании с операциями биофизической и биохимической активации. Сепарация, как правило, осуществляется стационарно только в специализированных лесосеменоводческих центрах и питомнических комплексах поочередным пропуском через несколько технических средств, что оказывает инвазивное воздействие на семена и приводит к снижению посевных качеств и жизнеспособности [115]. Совпадение плотности и размеров мертвых окаменелых семян с жизнеспособными делает невозможным их элиминацию на решетных и гравитационных сепараторах.

Наибольшую актуальность технологические процессы улучшения качества лесных семян приобретут при их ранжировании в зависимости от целей и задач, поставленных потребителем: для практического применения при реализации технологии получения качественного репродуктивного материала в автоматизированных питомниках и на лесокультурных площадях, или для научного применения при проведении селекционно-генетических экспериментов. Более того, от качества семян зависит эффективность выполнения группы операций высева в структуре ле-совосстановления. Каждое лесное семя в таких условиях должно обладать максимальным комплексом устойчивости к различным стрессовым условиям и высоким показателем жизнеспособности. Согласно ГОСТ 14161, семена сосны обыкновенной 1 класса качества допускают 80-90%-ную жизнеспособность, поэтому повышение этого показателя для семян первого класса даже на 5-7 % (до 95-97%) и сепарация всех жизнеспособных семян из второго и третьего классов позволит существенно повысить качество семян и снизить нормы высева семян. Итогом

проводимых мероприятий прогнозируется снижение затрат на обработку, высев и последующие агротехнические мероприятия.

Базовым звеном, объединяющим технологические процессы улучшения качества лесных семян, и, как следствие, полученных из них сеянцев является спектрометрический признак. Оптический поток определенной длины волны, проходя или отражаясь от единичного семени, вызывает в его структуре определенный отклик, позволяя в зависимости от экспозиции производить или детектирование и последующую сепарацию, или активацию биологических свойств. Спектрометрический признак семени как в видимом, так и в инфракрасном диапазонах, - индивидуален и наследственно обусловлен, отличается хорошей воспроизводимостью оценок (низкой ошибкой идентификации). Наиболее активно использование спектрометрического признака для идентификации лесных семян разрабатывается учеными Швеции, Ирана, КНР. Проведены лабораторные исследования на стационарных спектрометрах с длительной экспозицией. однако заявленные технологии улучшения качества лесных семян до сих пор не могут выйти на рынок. Это объясняется тем, что в мировой семеноводческой практике недостаточно полно проработан стабильный технологический регламент по повышению качества (жизнеспособности) лесных семян на основе спектрометрических свойств, их ранжирование по классам качества в зависимости от последующих технологических операций, а также рекомендации по дальнейшему использованию для получения качественного репродуктивного материала. не спроектированы мобильные энергоэффективные технические средства для неразрушающей идентификации и сепарирования лесных семян по спектрометрическому признаку. Обстоятельства, перечисленные выше, указывают на образующийся ежегодно в лесовосстановительном производстве Российской Федерации дефицит (за счет высеянных нежизнеспособными семян) в размере 25-27 % качественного репродуктивного материала.

Таким образом, недостаточно полное теоретическое обоснование технологии получения высококачественного лесосеменного материала является актуальной и практически значимой научной проблемой.

Работа выполнялась в соответствии со Стратегией развития лесного комплекса Российской Федерации на период до 2030 года (утв. Правительством РФ 20.09.2018, № 1989р) и в рамках госбюджетной программы комплексного плана НИР ВГЛТА «Совершенствование технологий и машин для лесовосстановления и рубок ухода в лесах и защитных лесных насаждениях ЦЧР и Северного Кавказа» (№ГР 01.2.00.105345, 2000); государственных контрактов по проектам Федеральной целевой программы (ФЦП) «Интеграция»: «Экспедиционные и полевые исследования ускоренного воспроизводства древесины быстрорастущих пород в лесах центральной лесостепи России» (проект 228.5.1, №ГР 01.980008671, 2000), «Ускоренное воспроизводство и использование лесных ресурсов Центральной лесостепи и юга России на основе высоких биотехнологий и технологий» (№А0031, 2001, 2002), «Создание теоретических основ наукоемких технологий и систем качества леса и лесной продукции (№Л0118/806, 2002, 2003); ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» (№ГР 01.20.0600717, №02.438.11.7023, 2006; №02.517.11.9010, 2007; № 02.517.12.9028, 2008); хозяйственных договоров № 2/98, 28/99, 33/99, 6/01, 8/02, 52/02, 3/03, 118/03, 54/04, 136/04, 26/17, 34/18 НИС (НИО) ВГЛТУ.

Степень разработанности. Повышению эффективности отдельных механизированных процессов получения качественного лесного репродуктивного материала для лесовосстановления уделяется внимание в работах Л.Т. Свиридова (1992) [114], Ф.В. Пошарникова (1993) [99], А.М. Цыпука (1996) [133], А.В. Жигунова (1998) [44], Ю.М. Жданова (1999) [43], В.И. Казакова (2002) [50], В.Н. Холопова (2003) [132], М.В. Драпалюка (2006) [31, 32], А.А. Котова (2009) [59], А.В. Родионова (2009) [107], А.Ф. Алябьева (2011) [7].

Исследования спектрометрических свойств лесных семян и их влияние на посевные качества семян и рост сеянцев в природно-производственных условиях отражены в работах C. Müller-Olsen и др. (1956) [251], И.И. Свентицкого (1985) [113], С.Д. Тимченко (1993) [127], E. Tillman-Sutela и A. Kauppi (1995) [330], T.A. Lestander (2003) [227], M. Tigabu et al. (2005) [327], T. Mukassabi (2012) [250], B. Udval (2013) [334], A. Daneshvar (2015) [164], M. Farhadi и др. (2016) [184]. Однако комплексных исследований «спектрометрические свойства семян - посевные качества семян - биометрические параметры сеянцев» в настоящее время ничтожно мало. Одна группа исследователей показывает хорошую сходимость результатов при идентификации жизнеспособных и нежизнеспособных семян по спектрометрическому признаку, не рассматривая ни грунтовую всхожесть таких семян, ни последующий рост сеянцев. Другая группа рассматривает рост сеянцев из таких семян, однако спектрометрические свойства определяются органолептически, без четкой градации по длине волны.

Определенный вклад в развитие и совершенствование технологического процесса улучшения качества лесных семян сепарированием внесли Т.М. Соболева (1957) [122], А.К. Карабаки (1963) [51], Л.Т. Свиридов (1992) [114], А.Д. Голев (1997) [26], С.С. Арутюнян (2001) [8], А.В. Князев (2001) [54], А.И. Новиков (2002) [78], А.В. Кочегаров (2002) [60], Н.Д. Гомзяков (2004) [27], Э.Н. Бусарин (2005) [19], В.В. Ткачев (2005) [129], Г.Н. Вахнина (2011) [21], С.Н. Дырдин (2013) [36]. Однако все представленные в этих работах технические средства оказывают инва-зивное воздействие на лесные семена, более того, при сепарировании лесосемен-ного материала, например, по размерам, может нарушаться генетическое разнообразие, как показано у V. Ivetic и др. [206], отбрасывая целые семьи. Кроме этого, данные технические средства непригодны для работы в полевых условиях и не в полной мере учитывают качественные особенности лесных семян [261].

Повышению качества семян накаткой внешней оболочки (дражированием) посвящены работы В.В. Острошенко и др. (2013) [90], Е.И. Кубеева (2015) [61],

В.В. Копыткова (2017) [57], А.В. Боровкова (2018) [14], биофизической активацией с помощью низкоинтенсивного когерентного лазерного излучения - работы А.В. Будаговского (2008) [17] и О.Н. Будаговской [16], сочетанием двух операций - Л.В. Брижанского (2015) [15]. Однако повышение качества во всех представленных исследованиях производится для семян, сепарированных по количественному признаку (размерам и плотности) и имеющим всхожесть от 80-95 % до 30-65 % для I и III классов качества соответственно.

Для изучения спектрометрических характеристик лесных семян в лаборатории используются спектрометры различного назначения и принципов работы (FOSS NIRSystems, Inc., Hilleroed, Denmark; FOSS Tecator, Sweden; NIRSystems 6500, Silver Spring, MD USA; Infraspek LLC, S-Pb, Russia и другие). Все они характеризуются высокими значениями экспозиции при достаточно высоком разрешении, что делает их использование при обработке лесных семян в лесничествах непригодным. При этом габаритные размеры и климатическое исполнение не позволяют использовать их в полевых условиях.

В современном лесном хозяйстве недостаточно полно изучены и математически описаны физико-механические, оптические, теплофизические и стохастические явления, происходящие при реализации технологических процессов улучшения качества семян. В частности, недостаточно полно отражены процессы формирования оптического излучения для эффективного детектирования семени, а также процессы тепломассопереноса при замораживании семени в водонасыщенной дисперсной среде при капсулировании. Недостаточно полно разработаны и обоснованы технологический регламент для обработки конкретного вида лесных семян с целью повышения всхожести и жизнеспособности, а также единые обобщающие режимные параметры исследуемого процесса. При этом не в полной мере решенными остаются вопросы точности и быстродействия его проведения. Недостаточно полно исследованы взаимосвязи технологических процессов улучшения качества лесных семян (сепарации по спектрометрическому признаку, капсулирования,

активации, дражирования) с посевными качествами семян, биомассой проростков и биометрическими показателями, сохранностью сеянцев в природно-производ-ственных условиях как автоматизированного питомника, так и лесокультурной площади. В основном, преобладают исследования, направленные на изучение роста и развития 30-50-летних культур, созданных посевом или посадкой, без рассмотрения технологических взаимосвязей с качеством семян. Представленные обстоятельства затрудняют разработку более совершенных конструкций технических средств и технологических приемов для производства качественного лесного репродуктивного материала.

Цель и задачи. Целью исследования является повышение эффективности технологических процессов производства высококачественного лесосеменного материала путем теоретического обоснования и разработки новых технико-технологических решений, базирующихся на спектрометрических и теплофизических особенностях лесных семян.

Достижение указанной цели представляется возможным при выполнении следующих задач:

1. Установить на основе анализа состояния проблемы и исследований спектрометрических показателей семян сосны обыкновенной четкий критерий и его границы для сепарации лесосеменной партии по качественному признаку.

2. разработать оптико-математические модели процесса детектирования единичного семени по спектрометрическому признаку и стохастические модели процесса управления улучшением качества семян, обеспечивающие учет формы семени, его ориентирования относительно регистрирующего оптического пучка, а также вероятностных отклонений случайных величин длины волны и амплитуды оптического потока.

3. Установить закономерности движения единичного семени в процессе улучшения качества лесосеменной партии сепарацией по спектрометрическому

признаку, обеспечивающие повышение быстродействия, точности и эффективности технологического процесса.

4. Провести исследования процесса улучшения качества семян сепарацией по спектрометрическому признаку на вновь спроектированном мобильном сепарирующем аппарате и разработать регрессионные модели, адекватно описывающие процесс и обеспечивающие оптимизацию конструктивно-технологических параметров устройств.

5. Разработать математические модели процесса улучшения качества семян иммерсионным капсулированием, обеспечивающие прогнозирование длительности процесса капсулирования в зависимости от внешних температурно-влажност-ных воздействий и геометрических параметров капсулы и семени.

6. Провести исследования посевных качеств сепарированных по спектрометрическому признаку, улучшенных дражированием и биофизической активацией семян сосны обыкновенной, прорастания сепарированных по спектрометрическому признаку семян сосны обыкновенной в контейнерах автоматизированного питомника, хода роста и развития сеянцев, полученных из сепарированных по спектрометрическому признаку семян сосны обыкновенной, на ювенильном этапе онтогенеза в природно-производственных условиях произрастания.

7. Разработать технико-технологические решения и проанализировать эффективность процесса повышения качества лесосеменного материала.

Предмет и объект исследования. Предмет исследования составили сепарированные по спектрометрическому признаку семена сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), а также полученные из них проростки и сеянцы в природно-производ-ственных условиях произрастания.

Объектами исследования служили технологические операции сепарирования, дражирования, капсулирования и биофизической активации в технологическом процессе улучшения качества лесосеменного материала.

Научная новизна результатов работы. Научной новизной обладают:

1. Результаты исследований спектрометрических показателей семян сосны обыкновенной, отличающиеся установкой четких границ критерия разделения семенной партии по длине волны и амплитуде оптического потока.

2. Оптико-математические модели процесса детектирования единичного семени и стохастические модели процесса управления качеством сепарации семян по спектрометрическому признаку, отличающиеся учетом геометрических параметров семени и его ориентирования относительно оптического потока, учетом энергетических параметров источника и приемника оптического излучения и учетом экспозиции технологических режимов, учетом вероятностных отклонений случайных величин длин волн и амплитуды оптического потока.

3. Закономерности движения единичного семени в процессе улучшения качества лесосеменной партии сепарацией по спектрометрическому признаку, реализованные в обоснованной конструктивно-технологической схеме сепарирующего аппарата, отличающиеся учетом геометрических и физико-механических свойств семян.

4. Результаты исследования процесса улучшения качества семян сепарацией по спектрометрическому признаку на вновь спроектированном мобильном сепарирующем аппарате и регрессионная модель с парными и квадратичными эффектами, отличающиеся оптимизацией параметров длины волны, угла наклона падающего оптического пучка и высоты семяпровода для достижения максимальной точности и эффективности выделения жизнеспособных семян.

5. Математические модели процесса тепломассопереноса при улучшении качества семян иммерсионным капсулированием, отличающиеся учетом внешних температурно-влажностных воздействий, геометрических параметров капсулы и семени.

6. Результаты исследований посевных качеств сепарированных по спектрометрическому признаку, улучшенных дражированием и биофизической активацией семян сосны обыкновенной, прорастания сепарированных по

спектрометрическому признаку семян сосны обыкновенной в контейнерах автоматизированного питомника, хода роста и развития сеянцев, полученных из сепарированных по спектрометрическому признаку семян сосны обыкновенной, на юве-нильном этапе онтогенеза в природно-производственных условиях произрастания, отличающиеся высокими значениями энергии прорастания, всхожести семян, длины и массы полученных из них проростков, грунтовой всхожести в контейнерах, параметров роста и сохранности полученных сеянцев по сравнению с контролем.

7. Защищенные патентами на изобретения технико-технологические решения повышения качества лесосеменного и лесопосадочного материала, отличающиеся высокими эксплуатационными свойствами и эффективностью применения в лесовосстановительном производстве.

Новизна результатов интеллектуальной деятельности подтверждена 10 патентами РФ на изобретения и тремя свидетельствами на программу для ЭВМ.

Теоретическая значимость исследования заключается в разработке геометрической и энергетической моделей формирования детектирующего оптического излучения в новом классе сепарирующих устройств, впервые позволяющих расширить классическую теорию сепарации лесных семян основными оптико-техническими положениями сепарации по спектрометрическим свойствам. Полученные стохастические модели управления процессом сепарации дополняют теорию сепарации лесных семян новым анализирующим алгоритмом нечеткой логики, учитывающим погрешности селекции частот в видимом и инфракрасном диапазонах длин волн и определение амплитуды оптического потока в реальных условиях измерения. Аналитически доказанные положения повышения быстродействия механических и оптоэлектронных систем технических средств, используемых для улучшения качества семян, позволяют рационально планировать технологические процессы получения качественного посадочного материала для лесовосстановления. результаты решения уравнений движения семян в механических системах, а также

оптического моделирования управляющего сигнала в буферных устройствах опто-электронных систем сепарирующего аппарата, разработанного для улучшения качества семян, позволяют подтвердить и обосновать основные конструктивно-технологические параметры. Полученная математическая модель тепломассопереноса при замораживании семени в водонасыщенной дисперсной системе дополняет теорию улучшения семян капсулированием и позволяет получать динамику распределения полей температуры и влагосодержания в зависимости от комплекса геометрических и теплофизических факторов семян и среды.

Практическая значимость исследования заключается в апробации технологического процесса улучшения семян сепарированием по спектрометрическому признаку в природно-производственных условиях автоматизированного питомника и лесокультурной площади произрастания сеянцев. Результаты лабораторных исследований и полевых экспериментов по диагностике качества сепарированных по спектрометрическому признаку семян сосны обыкновенной, показателей роста и развития из них сеянцев могут рассматриваться в качестве методологической базы при планировании научных экспериментов, и фактологической базы при оценке эффективности производства качественного лесосеменного материала для лесовосстановления.

Разработаны новые конструкции технических средств и технологические приемы повышения качества лесосеменного материала для лесовосстановления, защищенные 10 патентами РФ. Разработаны практические рекомендации по использованию операционной технологии и технических средств при проектировании мероприятий в лесовосстановительном производстве, позволяющие значительно улучшить экологические, временные, энергетические и экономические показатели процесса, в частности, повысив всхожесть и жизнеспособность семян и сэкономив до 18-23 % стоимости каждого килограмма лесных семян. Практические результаты использованы при организации лесовосстановительного производства и проектировании новых конструкций лесохозяйственных машин в ФГУ

СПбНИИЛХ (г. Санкт-Петербург, 2003), ФГУ «Научно-исследовательский институт горного лесоводства и экологии леса» (в настоящее время - ФГБУ «Сочинский национальный парк», г. Сочи, 2006, 2009); ФГБУ ВНИИЛМ (г. Пушкино Московской области, 2019), а также внедрены в учебный процесс Белградского университета (Сербия) и Воронежского государственного лесотехнического университета (ВГЛТУ).

Методы исследования.

Выявление тенденций развития в рассматриваемой предметной области базировалось на методике проведения информационного поиска [46], адаптированной применительно к специфике темы.

Обоснование выбора технологических операций проводили с использованием методов структурно-функционального моделирования и SWOT-анализа [224], а расстановку приоритетов в исследовании ключевых параметров технических средств проводили с использованием метода анализа иерархий Саати [285]. Методы адаптировали и улучшили введением компоненты, учитывающей качественные свойства лесных семян.

Для описания теории движения лесных семян в механических системах технических средств, применяемых в процессе улучшения качества семян сепарированием, использовали основные положения теоретической механики [232], а также методы численного моделирования с использованием пакета прикладных программ Ма1ЬаЬ и MathCad. Для разработки стохастического алгоритма управления процессом сепарирования семян использовали основные положения теории Мам-дани-Заде [240], а для моделирования процесса оптического детектирования семени - основные положения технической оптики [292]. Для описания процесса улучшения качества семян капсулированием использовали основные положения теории тепломассообмена в капиллярно-пористых средах [65, 338]. Математическая модель исследована численно в 2D-приближении с использованием универсальной среды моделирования COMSOL Multiphysics.

Эмпирическое изучение предмета и объекта исследования проводили на основании базовых спектрометрических [40] и биометрических [47, 63] методов, основных положений планирования полнофакторного эксперимента [2, 341], оптимизации основных параметров построением регрессионной модели второго порядка с парными эффектами, статистической обработки результатов эксперимента [317], адаптированных с учетом технологических особенностей семян и сеянцев.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследований спектрометрических показателей семян сосны обыкновенной, позволяющие установить четкие границы критерия разделения семенной партии по длине волны и амплитуде оптического потока.

2. Оптико-математические модели процесса детектирования единичного семени и стохастические модели процесса управления качеством сепарации семян по спектрометрическому признаку, способствующие совершенствованию теории и сокращению сроков проектирования мобильных сепарирующих устройств.

3. Закономерности движения единичного семени в процессе улучшения качества лесосеменной партии сепарацией по спектрометрическому признаку, способствующие обоснованию новых оригинальных сочетаний рабочих элементов оптоэлектронных и механических систем и позволяющие повысить быстродействие и точность технологического процесса.

4. Результаты исследования процесса улучшения качества семян сепарацией по спектрометрическому признаку на вновь спроектированном мобильном сепарирующем аппарате и регрессионная модель с парными и квадратичными эффектами, позволяющие оптимизировать параметры длины волны, угла наклона падающего оптического пучка и высоты семяпровода для достижения максимальной точности и эффективности выделения жизнеспособных семян.

5. Математические модели процесса улучшения качества семян иммерсионным капсулированием, позволяющие учитывать внешние температурно-влажност-ные воздействия, геометрические параметры капсулы и семени.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Новиков Артур Игоревич, 2021 год

ч - х

Рисунок 6.4 - Семена сосны обыкновенной до (вверху) и после (внизу) накатки внешней оболочки

Таблица 6.4 - Массовые характеристики спектрометрических групп семян сосны обыкновенной с накатанной внешней оболочкой

Спектрометрическая группа Масса 1000 шт. (х±СКО), г

в естественном состоянии КВ, % дражированных КВ, %

К (Контроль) 7,10а (±1,86) 32,24 18,72а (±3,56) 12,67

1-Ж 7.86Ь (±1,64) 24,26 21,0Ь (±2,46) 8,84

1-С 8,15Ь (±1,52) 25,32 21,7Ь (±2,52) 9,87

П-СТ 7,60а (±1,75) 26,47 20,21а (±2,98) 11,29

Ш-Т 7,42а (±1,62) 27,65 19,67а (±3,02) 10,72

Примечание: х - среднее значение варианты; СКО - среднеквадратичное отклонение вари-

ант, КВ - коэффициент вариации. Средние значения, за которыми следуют разные буквы, ста-

тистически различаются при использовании HSD-теста Тьюки (а = 0,01).

При этом наблюдаемое снижение в 3,0-3,2 раза коэффициента вариации во всех группах дражированных семян предполагает выравнивание массовых показателей и, соответственно, более стабильные физико-механические и аэродинамические характеристики драже, что важно для автоматизированного высева.

5551555555555555555555

Далее проводили исследования посевных качеств дражированных семян разных спектрометрических групп по сравнению с контрольной группой. Из каждой группы отбирали три пробы по 100 семян в каждой. Раскладывали семена на ложах из прокаленной гофрированной фильтровальной бумаги, предварительно увлажненных. Проращивали семена в термостате при температуре 22±2 °С. Определяли энергию прорастания семян на 7-й день после посева. Определяли лабораторную всхожесть семян на 15-й день после посева. В каждой пробе у нормально развитых проростков измеряли с помощью линейки длину, взвешивали на электронных весах массу каждого проростка.

Предварительные результаты показали, что для определения посевных качеств дражированных семян сосны обыкновенной необходимо корректировать время определения энергии прорастания и лабораторной всхожести, а также применяемого материала для закладки семян в эксперименте. В настоящий момент в РФ регламентирующий документ, определяющий порядок и режимы проведения теста на посевные качества дражированных семян сосны обыкновенной, отсутствует. В мировой семеноводческой практике, несмотря на широкое использование технологий накатки наружной оболочки для производства семян, общая стоимость которых оценивается более чем в миллиард долларов в год [270], специфика каждого конкретного способа накатки и тестирования является чаще всего коммерческой тайной. В результате этого из-за многообразия вариантов и ингредиентов семенные покрытия для проведения исследований и сравнительной оценки имеют различные физико-механические свойства. Как следствие, достаточно трудоемкой задачей является при выполнении исследований с такими покрытиями установить оптимальное время тестирования на посевные качества. Более того, чрезмерный расход материалов для внешней оболочки семян препятствует скорости их прорастания [143].

Для дражированных семян сосны обыкновенной целесообразно рекомендовать увеличение сроков определения энергии прорастания и лабораторной всхожести, а также замену материала ложа на просеянный речной песок. Далее эксперимент повторили по вышеизложенной методике, в качестве субстрата для про-

растания использовали прокаленный и просеянный речной песок, время определения посевных качеств увеличили на 4 суток.

Результаты определения посевных качеств дражированных семян соответствующих спектрометрических групп и биомассы полученных из них проростков приведены по сравнению с контрольной группой в таблице 6.5.

Таблица 6.5 - Посевные качества дражированных семян сосны обыкновенной, сепарированных

по спектрометрическому признаку, и биомасса полученных из них проростков

Спектрометрическая группа Энергия прорастания (11 день), % Лабораторная всхожесть (19 день), % Длина проростка, см Масса проростка, мг

X ±СКО X ±СКО X ±СКО X ±СКО

К 75,7а 0,47 87,0а 0,82 3,45а 0,86 28,6а 7,3

1-Ж 88,7Ь 0,47 99,3Ь 0,47 3,92Ь 0,75 33,6Ь 6,2

1-е 78,0а 0,82 94,7а 0,47 3,87Ь 0,58 31,5а 5,3

11-СТ 80,3а 0,47 95,3а 0,47 3,58а 0,78 29,7а 7,2

Ш-Т 77,3а 0,47 92,7с 0,47 3,35с 0,76 25,3с 5,2

Примечание: х - среднее значение варианты; СКО - среднеквадратичное отклонение вариант, Средние значения, за которыми следуют разные буквы, статистически различаются при использовании ЖР-теста Тьюки (а = 0,01)_

Накатка внешней оболочки на образцы семян сосны обыкновенной разных спектрометрических групп увеличивает время прорастания, не снижая показателей лабораторной всхожести и биомассы проростков по сравнению с контрольной группой. При этом выровненные геометрические характеристики и форма драже будут способствовать лучшему протеканию технологического процесса автоматизированного точечного высева в питомнике, исключая попадание в ячейки высевающего аппарата более одного драже.

Образцы семян спектрометрической группы 1-Ж статистически значимо превосходят образцы остальных спектрометрических групп и контроля по показателям энергии прорастания, лабораторной всхожести, длине и массе проростка. Показатели длины проростков спектрометрической группы 1-С статистически значимо превышают показатели контрольной группы, а длина проростка в группе Ш-Т статистически ниже контроля.

6.1.3.1 Влияние геометрических параметров драже на посевные качества семян и биомассу проростков сосны обыкновенной

(Pinus sylvestris L.)

С целью изучения влияния геометрических размеров драже на посевные качества дражированных семян и биомассу проростков сосны обыкновенной полученные образцы семян (см. таблицу 6.4) раскалибровали на лабораторных решетах с диаметром отверстий 4,0 и 4,7 мм. В результате получили три размерные группы драже: 3,2-4,0; 4,1-4,7 и 4,8-6,0 мм.

Результаты определения посевных качеств калиброванных дражированных семян соответствующих спектрометрических групп и биомассы полученных из них проростков приведены по сравнению с контрольной группой в таблице 6.6.

Таблица 6.6 - Посевные качества калиброванных по размеру дражированных семян сосны обыкновенной различных спектрометрических групп, и биомасса полученных из

них проростков

Спектрометрическая группа Размерная группа, мм Энергия прорастания (11 день), % Лабораторная всхожесть (19 день), % Длина проростка, см Масса проростка, мг

X ±СКО X ±СКО X ±СКО X ±СКО

К 75,7a 0,47 87,0a 0,82 3,45а 0,86 28,6а 7,3

1-Ж 3,2-4,0 89,0b 0,82 99,3b 0,47 4,10b 0,75 37,6b 6,0

4,1-4,7 88,3b 0,47 98,3b 0,47 3,89с 0,64 35,4b 4,8

4,8-6,0 87,7b 0,47 97,7b 0,47 3,87с 0,52 34,9b 6,3

I-C 3,2-4,0 78,0a 0,82 94,7b 0,47 3,87c 0,58 31,5a 5,3

4,1-4,7 77,3а 0,47 92,7а 0,47 3,80 0,64 31,8а 7.1

4,8-6,0 75,7a 0,47 91,3а 0,47 4,15b 0,68 35,2b 5.9

II-СТ 3,2-4,0 80,0a 0,47 93,3a 0,47 3,58a 0,78 29,7а 7,2

4,1-4,7 79,3а 0,47 92,7а 0,47 3,52а 0,57 29,5а 6,2

4,8-6,0 78,3а 0,47 92,0а 0,82 3,48а 0,65 29,0а 4,9

Ш-Т 3,2-4,0 77,3a 0,47 90,0a 0,47 3,45d 0,76 27,1а 5,2

4,1-4,7 75,7а 0,47 89,3а 0,47 3,40d 0,64 27,0а 6,1

4,8-6,0 75,0а 0,82 88,7а 0,47 3,30d 0,68 26,4а 5,8

Примечание: х - среднее значение варианты; СКО - среднеквадратичное отклонение вариант, Средние значения, за которыми следуют разные буквы, статистически различаются при использовании НБР-теста Тьюки (а = 0,01)_

Дражированные семена сосны обыкновенной прорастали медленнее, чем семена в естественном состоянии, и чем выше значение максимального размера драже во фракции, тем больше задерживалось прорастание, что достаточно хоро-

шо согласуется с исследованиями [187], проведенными для лесных семян. Данное обстоятельство зависит от физико-механических свойств связующего и наполнителя, от их способности при взаимодействии друг с другом образовывать оболочку необходимой прочности, но достаточной для проникновения влаги к семенам. Биомасса полученных проростков характеризуется статистически значимым максимумом у семян из спектрометрических групп I-C, имеющих размер накатанной оболочки от 4,8 до 6,0 мм, но не абсолютным, а только по длине проростка; минимум принадлежит семенам группы III-Т во всех размерных группах. Энергия прорастания обратно пропорциональная размеру драже.

Таким образом, при осуществлении технологического процесса дражирова-ния улучшаются физико-механические свойства семян и выравниваются их размерные характеристики для последующего автоматизированного высева. Более того, коммерческое использование улучшенных семян, имеющих высокую жизнеспособность и посевные качества и прорастающих практически в 100 % случаев (например, спектрометрической группы 1-Ж), несмотря на некоторое повышение себестоимости производства, оправдывает себя и позволяет избежать неэффективного использования энергетических ресурсов автоматизированных контейнерных питомников и технических средств, используемых для подготовки почвы и высева лесного репродуктивного материала.

6.1.3.2 Влияние биомоделирующих параметров драже на посевные

качества семян и биомассу проростков сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.)

Для установления степени влияния биомоделирующих препаратов на посевные качества и биомассу проростков сосны обыкновенной, полученных из семян, сепарированных по спектрометрическому признаку, семена перед накаткой внешней оболочки c помощью вращающейся тарели дражиратора праймировали раствором следующих биомодуляторов:

1) Плантафид 30.10.10

2) Плантафид 20.20.20

3) Биостеп.

Первые два биомодулятора представляют собой классическую смесь азот-но-калийно-фосфорных добавок с микроэлементами, имеющих разный массовый состав компонент. Плантафид 30.10.10 содержит 30 % азотной компоненты, 10 % калийной и 10 % фосфорной, плантафид 20.20.20 - по 20 % каждой компоненты. Биостеп представляет собой класс биомодуляторов, содержащих нанокомпозит-ные хелатные комплексы природных микроэлементов в кластерной форме, включая серебро. Также для сравнения часть семян перед накаткой была НКИ-активирована с помощью ЛОС-25 при экспозиции 1, 5, 10 минут. Всего для эксперимента из каждой спектрометрической группы исходной партии семян (см. таблицу 4.2) было отобрано с обеспечением репрезентативности выборки 7 групп образцов по 100 семян. Одна группа, контрольная дражированная (КД), была дражирована без применения НКИ-активации и биостимуляторов, три другие - с праймированием биостимуляторами, три оставшиеся - с применением НКИ-активации. После накатки внешней оболочки и прохождения операций сорбцион-ной и конвективной сушки полученные семенные драже были заложены на проращивание по скорректированной нами выше методике. Результаты эксперимента приведены в таблице 6.7.

По результатам эксперимента нельзя однозначно выделить превалирующий способ повышения посевных качеств семян и биомассы проростков. Однозначно можно утверждать, что дражированные семена сосны обыкновенной из спектрометрической группы 1-Ж значимо имеют более высокие показатели по сравнению с другими группами. Обработка плантафидом 20.20.20 семян сосны обыкновенной по эффективности можно сопоставить с воздействием НКИ-излучения в диапазоне 1 мин. Значимость этой операции хорошо видна при оценке энергии прорастания и лабораторной всхожести. Опыты показали, что наибольший эффект увеличения биомассы проростков сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) наблюдается при обработке семян препаратом Биостеп и 10-минутной экспозиции НКИ.

Таблица 6.7 - Посевные качества цветосеменных фракций сосны обыкновенной с накатанной внешней оболочкой, содержащей биомоделирующие элементы, по сравнению с

контролем и НКИ-обработкой

Спектрометрическая группа семян сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) Вид обработки Энергия прорастания (11 день), % Лабораторная всхожесть (19 день), % Длина проростка, см Масса проростка, мг

X ±СКО X ±СКО X ±СКО X ±СКО

1-Ж КД 89,0a 0,82 99,3a 0,47 4,10а 0,47 37,6b 6,0

Плантафид 30.10.10 89,7a 0,47 99,3a 0,47 4,23a 0,65 37,6b 6,0

Плантафид 20.20.20 91,7a 0,47 100,0a 0,82 5.02b 0,79 37,6b 6,0

Биостеп 89,3a 0,47 99,3a 0,47 5,64b 0,74 37,6b 6,0

НКИ, 1 мин. 91,0a 0,82 100,0a 0,82 3,85a 0,68 32,4a 6,8

НКИ, 5 мин. 83,0b 0,82 90,7b 0,47 3,90a 0,82 36,2b 7,4

НКИ, 10 мин. 91,7a 0,47 100,0a 0,82 5,33b 0,73 38,3b 6,3

I-C КД 64,3а 0,82 94,0а 0,82 3,80a 0,58 31,5a 5,3

Плантафид 30.10.10 81,5b 0,47 92,3а 0,47 3,76a 0,64 27,6a 7.1

Плантафид 20.20.20 87,7b 0,47 98,7b 0,47 4,95c 0.68 35,2a 5.3

Биостеп 86,3b 0,47 96,3а 0,47 4,25b 0.52 40,8b 6.4

НКИ, 1 мин. 84,0b 0,82 95,7а 0,47 3,93a 0.72 30,6a 4.9

НКИ, 5 мин. 70,3a 0,47 85,7с 0,47 3,51a 0.55 31,8a 5.8

НКИ, 10 мин. 69,5a 0,47 87,0с 0,47 4,90с 0,68 36,4a 5.9

II-СТ КД 69,8a 0,47 91,0a 0,47 3,65a 0,78 30,3a 7,2

Плантафид 30.10.10 81,0b 0.82 91,0a 0,82 3,60a 0.64 26,5a 6,6

Плантафид 20.20.20 86,7b 0.47 97,0b 0,82 4,75c 0.72 32,8a 4,9

Биостеп 85,7b 0.47 95,0a 0,82 4,10b 0.64 38,8b 6,2

НКИ, 1 мин. 83,0b 0.82 93,0a 0,82 3,74a 0.62 30,5a 5,8

НКИ, 5 мин. 77,0a 0,47 85,7a 0,47 3,75a 0,57 32,9a 6,2

НКИ, 10 мин. 75,0a 0,47 82,4c 0,82 4,75c 0,65 35,4a 4,9

III-Т КД 65,3a 0,47 90,0а 0,47 3,40a 0,76 27,1а 5,2

Плантафид 30.10.10 75,7b 0,47 90,3a 0,47 3,45a 0,64 24,4а 6,1

Плантафид 20.20.20 77,3b 0,47 95,7b 0.47 4,50b 0,71 30,6а 4,5

Биостеп 75,0b 0,82 93,3a 0,47 3,95a 0,58 36,5b 6,5

НКИ, 1 мин. 81,3b 0,47 92,7a 0,47 3,15a ,64 32,0а 5,8

НКИ, 5 мин. 74,7b 0,47 84,3c 0,47 3,10a 0.54 22,2с 6,1

НКИ, 10 мин. 70,3a 0,47 81,7c 0,47 4,55b 0,68 35,5b 5,8

Примечание: х - среднее значение вариант; СКО - среднеквадратичное отклонение вариант, Средние значения, за которыми следуют разные буквы, статистически различаются при использовании НББ-теста Тьюки (а = 0,01)

6.2 Результаты апробации процесса сепарации семян сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) по спектрометрическому признаку в природно-производственных условиях

Семена сосны обыкновенной можно классифицировать по таким количественным показателям, как масса, объем и размер. Исходя из того, что в основе проектирования технических комплектующих высевающих аппаратов, в том числе и для аэросева [87, 123], лежат количественные показатели семян - целесообразно выравнивать последние для повышения качества и эффективности работы устройств. С точки зрения генетической и физиологической составляющей, при количественной сепарации семян возможно нарушение генетического разнообразия [206].

Онтогенез на ювенильном этапе развития древесных растений дает возможность в полной мере произвести оценку степени различия между фенетическими признаками, так как к «8-10-летнему возрасту отмечена тенденция к выравниванию высот деревьев разных типов морфогенеза, а также смена их рангов по интенсивности роста [104]».

Влияние спектрометрического эффекта [184, 277] семенной кожуры в видимом диапазоне длин волн на онтогенез сосны обыкновенной в ювенильной стадии обусловлен большим количеством мнений на этот счет [55, 56, 74, 95]. Например, «высота пятилетних сеянцев сосны обыкновенной, выращенных из светлых семян, составила 48,6±1,1 см, против 39,9±0,82 см у сеянцев из темных семян [56]». Существуют и обратное мнение - «темные семена показали высокие значения массы и жизнеспособности, тогда как все оттенки светлых семян показали меньшую массу и низкую интенсивность прорастания [250]». Некоторые исследователи [210] категорично указывают на отсутствие экономической выгоды от разделения семян по спектрометрическому признаку в видимом диапазоне оптического излучения. Отметим, что спектрометрические параметры семенной кожуры в подавляющем большинстве опытов определялись учеными органолептическим способом.

Применение технологии спектрометрического эффекта отклика семян позволяет выделять из партии семян пустые и окаменевшие семена, оставляя потенциально жизнеспособные. Однако влияние спектрометрического эффекта отклика семян сосны обыкновенной в ИК-диапазоне на онтогенез сосны обыкновенной в ювенильной стадии в научной литературе практически не представлен. Особенно для широко применяемой в настоящее время короткоротационной технологии получения лесного репродуктивного материала сосны обыкновенной в автоматизированном контейнерном питомнике при выращивании сеянцев с ЗКС и с последующей их посадкой в открытый грунт.

В пункте 6.2.1 изложены результаты эксперимента по получению лесного репродуктивного материала сосны обыкновенной. Эксперимент включил в себя: повышение качества семян сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L) сепарированием по спектрометрическому признаку, с их последующим прорастанием и ростом сеянцев (1+0) в питомнике, затем пересадка ЗКС-сеянцев (1+0) из контейнерного питомника в открытый грунт на площадях Учебно-опытного лесхоза ВГЛТУ и создания экспериментального объекта для изучения роста и развития сеянцев сосны обыкновенной.

6.2.1 Методика проведения полевого эксперимента и характеристика экспериментального участка для исследования биометрических параметров Pinus sylvestris L.

Стадии полевого эксперимента представлены на диаграмме Ганта (рисунок 6.5). Эксперимент проводили по стандартному сценарию 1+0 Fall-Plant для автоматизированных контейнерных питомников [192]:

1) Высев семян в контейнеры. Для данного сценария проводится с января по

март.

2) Для высева брали семена, предварительно обескрыленные [51, 83] по технологии мокрого обескрыливания с помощью барабанного обескрыливателя марки 800 (ВСС AB, Sweden). Затем проводили сепарирование семян по спектрометрическому признаку в видимом (I-C, II-СТ и III-Т) и инфракрасном (1-Ж, 2-НжК и

№ наиало 2017 2C1S 2ШЗ

ЯКБ У5Е ЛГЭР З^р V3ii k^rf ЗЕГ НН ^ОБ J-Sir ЧНЕ ЁЕЕ ■ Г=С ЭГС L^h rfij.l ЕЕГ AJ[Jjl je* "МБ 7-- .'.ГЕС Э,-р

± 01.012017 Высев семян

2 01.02.2017 А Сепарирование семян Р1гш5 зу|уе51л5 Ь (спектрометрические группы)

3 02.02.2017 ^ Высев семян Ртиз зукейпа (спектрометрические гругтпы)

4 04.03.2017 А Контроль трунтовсй Бсхожесш ¡30 день)

5 24.03.2017 ^ Контроль грунтовой всхожести {50 день)

6 01.02.2017 Рост сеянцев в теплице контейнер нога питомника

7 01.07.2017 Закаливание

а 03.072017 А Перестановке контейнеров Риг.ц£ 5у!уег1:п£ на площаднудля закаливании

9 01.0S.2017 Пересадка на лесси^льтурн>ю площадь

10 24.10.2017 А Пересадка К пив £у|уеяп£ Ь, (спектрометрические группы)

11 01.04.2018 Первый вегеташоннын период

12 25.05.20:18 ^ Контроль роста сеянцеэ

13 23.06.20:18 А Контроль роста сеянцев

14 31.07.2018 А Контроль роста сеянцев

15 03.0S.2018 А Контроль роста сеянцев

1В 2S.03.2019 Контроль первого вегетационного периода ^

чО

Рисунок 6.5

- Диаграмма Ганта апробации процесса улучшения семян сосны обыкновенной сепарированием по спектрометрическому признаку в природно-производственных условиях (проводили по стандартному сценарию 1+0 Fall-Plant для автоматизированных контейнерных питомников [ 192]

Таблица 6.8 - Технологические критерии сепарирования образцов семян для эксперимента

Спектрометрическая группа Длина волны (табл. 2.2), нм Критерий сепарирования R (табл. 2.2) Диаметр отверстий решета, мм Количество семян, шт. (число контейнеров х число семян в 1 контейнере)

К (Контроль) - - - 10 х 40

1-Ж 970 0,3417-0,3230 Без разделения по размерам 10 х 40

I-C 0.3010-0.1871 5 х 40

II-СТ 0.5229-0.3468 5 х 40

III-Т 0.1549-0.0706 5 х 40

I-C-2,5 0.3010-0.1871 2,5 10 х 40

I-C-3,25 675 0.3010-0.1871 3,25 10 х 40

П-СТ-2,5 0.5229-0.3468 2,5 10 х 40

П-СТ-3,25 0.5229-0.3468 3,25 10 х 40

Ш-Т-2,5 0.1549-0.0706 2,5 10 х 40

Ш-Т-3,25 0.1549-0.0706 3,25 10 х 40

3-НжП) диапазонах длин волн оптического излучения. Далее семена спектрометрических групп I-C, II-СТ и III-Т дополнительно с помощью решетного сепаратора Cleaner & Seed Sizer (Mini-Series) (BCC AB Corp., Швеция) разделили на две размерные фракции. Для этого были использованы решета с круглыми пробивными отверстиями диаметром 2,5 и 3,25 мм. Технологическим критерии сепарирования семян для полевого эксперимента представлены в таблице 6.8.

3) Высев семян производили с использованием автоматической линии точного высева Precision Seeder (BCC AB, Швеция) в 40-ячейные контейнеры Hiko V-120 SideSlit (BCC AB, Швеция) с размером ячейки 40 * 40 * 110 мм, наполненные торфяным субстратом. Контейнеры с семенами помещали в теплицу №2 с автоматизированным поливом, регулированием уровня температуры и влажности.

ГБУ ВО «Воронежский лесной селекционно-семеноводческий центр» (в настоящее время - Новоусманский филиал СГБУ ВО «Воронежский лесопожар-ный центр», СГБУ ВО «ВЛЦ»), в котором проводился высев семян в контейнеры,

а) участок подготовки семян; б) теплица в) автоматизированная рамка для орошения;

г) площадка для закаливания Рисунок 6.6 - Лесной контейнерный питомник Воронежской области (фотографии автора)

расположен в Российской Федерации, координаты узловой точки (51.567051; 39.243073). Он включает участок (рисунок 6.6, а) предпосевной подготовки и автоматического высева семян в контейнеры, теплицы (рисунок 6.6, б) с автоматическим поддержанием влажности и температуры, площадки (рисунок 6.6, в) для закаливания рассады.

4) Контроль грунтовой всхожести на 30 день.

5) Контроль грунтовой всхожести на 50 день.

6) Рост сеянцев сосны обыкновенной (1+0) в теплице контейнерного питомника.

7 и 8) Закаливание сеянцев на площадке для закаливания вне теплицы.

9) Пересадка ЗКС сеянцев (1+0) в открытый грунт проводится в осенний период с сентября по октябрь. Согласно существующим исследованиям [192], такой сеянец характеризуется повышенной стойкостью к засухе, начальной морозостойкостью, в меру интенсивным ростом корней и сбалансированным питанием сеянцев (1+0). Однако, выбирая в качестве периода посадки - осенний, необходимо учитывать биологические риски в соответствии с данными рисунка 6.7, а именно: «хотя сеянцы сосны обыкновенной, посеянные в текущем году и посаженные осенью, могут иметь несколько сниженный рост при неизменной сохранности [239]», их можно высаживать, если климатические условия благоприятны [238].

Для апробации технологии сепарирования семян по спектрометрическому признаку в полевых условиях была произведена закладка экспериментального участка (рисунки 6.8 и 6.9).

Environmental Stress Spring Planting Summer Planting Fall Planting

Atmospheric

Air Temperature (Frost) High Low Moderate

Air Temperature (Heat) Low High Moderate

Vapor Pressure Deficit Low High Moderate

Edaphic

Drought Moderate High Moderate

Flooding High Low Low

Low Soil-Root Temperature High Low Moderate

Soil Surface Temperature Low High Moderate

Frost Heaving Moderate Low Moderate

Рисунок 6.7 - Уровень биологического риска контейнерных сеянцев, пересаженных на лесокультурную площадь (приводится по [192])

б

Рисунок 6.8 - Экспериментальный объект на площадях Учебно-опытного лесхоза ВГЛТУ, на который пересажены ЗКС-сеянцы (1+0) Pinus sylvestris L, полученные в процессе посева спектрометрически улучшенных семян: снимок со спутника в картах Google (а) и лесоустроительном планшете (б) (фотографии автора)

Данный участок является официальным научным объектом Учебно-опытного лесхоза Воронежского государственного лесотехнического университета [24]. Он соответствует принципу активации наследственных признаков, предложенному Н.А. Коноваловым и Е.А. Пугачем, позволяющему «спровоцировать» генотипы испытательных растений на максимальное проявление признаков и свойств [220]». Участок расположен (51.827861; 39.363806; 100,8 н.у.м) на пирогенно нарушенных в 2010 году площадях 27 выдела 27 квартала Левобережного лесничества Учебно-опытного лесхоза ВГЛТУ (394050, г. Воронеж, Железнодорожный район, кордон Кожевенный).

а - посадочная бороздка с 1+0-сеянцами ; б - 1+0-сеянец сосны обыкновенной в первый год роста и развития после пересадки из контенерного питомника. Сеянцы получены из улучшеннных семян сосны обыкновенной, отсортированных по спектрометрическому признаку Рисунок 6.9 - Экспериментальный объект на площадях Учебно-опытного лесхоза ВГЛТУ (фотографии автора)

10) Для закладки опытной площади предварительно вырастили сеянцы ЗКС (1+0) в СГБУ ВО «ВЛЦ». Был применен стандартный ротационный цикл для получения сеянцев сосны обыкновенной ЗКС (1+0) в период с 02.02.2017 по

23.10.2017 года. Согласно имеющимся исследованиям Б.В. Раевского [103]: «Происхождение семян для посева и посадки леса не должно отличаться более чем на 1,3° по широте от соответствующей координаты лесокультурной площади», поэтому место сбора семян сосны обыкновенной - Павловский район Воронежской области, что удовлетворяет критерию Б.В. Раевского.

Затем 24.10.2017 года полученные сеянцы сосны обыкновенной ЗКС (1+0) высадили в бороздки на экспериментальном объекте на территории Учебно-опытного лесхоза ВГЛТУ.

11-16) Контроль роста и развития сеянцев сосны обыкновенной ЗКС (1+0) в первый год после высадки из контейнерного питомника.

Для осуществления контроля высоты и диаметра корневой шейки (ДКО) сеянцев сосны обыкновенной ЗКС (1+0) определили начало и завершение вегетационного периода исходя из научных исследований Г.И. Редько и др. [106], согласно которым биологический (термофизиологический) минимум вегетации для сосны равен 4,5 0С. Таким образом, условной точкой отсчета первого вегетационного периода стал день, когда значение среднесуточной температуры было выше 4,5 0С. Конец вегетационного периода определили исходи из исследований С.М. Матвеева и др., «рост диаметра сосны обыкновенной в условиях Воронежской области прекращается в конце августа-начале сентября [246]». С другой стороны, существуют исследования R.-L. Petaisto (Финляндия), в которых [271] указано, что в питомнике у сеянцев сосны наблюдается «незначительный рост в высоту в сентябре-октябре». Учитывая исследования в области вегетации сосны обыкновенной, моментом завершения первого года измерений роста и сохранности сеянцев (1+0) после пересадки из контейнерного питомника является момент начала второго года, а именно, день, после которого прогнозируется (по данным Гидрометцентра) значимое превышение термофизиологического минимума (для нашего28.03.2019). Временные вехи для измерения биометрических параметров устанавливали 25 мая 2018 г., 28 июня 2018 г., 31 июля 2018 г., 03 сентября 2018 г. [267]

В указанные временные промежутки (см. рисунок 6.5) в каждой бороздке производили замеры биометрических параметров ЗКС-сеянца сосны обыкновен-

ной (1+0): линейкой от корневой шейки до верхней точки сеянца (апикальная почка) высоту с точностью до 0,5 см; и диаметр корневой шейки с помощью цифрового штангенциркуля с точностью до 0,1 мм [205]. Так же определяли приживаемость и сохранность ЗКС-сеянцев. Под приживаемостью и сохранностью понимали процент прижившихся со дня высадки до дня первого замера ЗКС-сеянцев и сохранившихся ЗКС-сеянцев на момент второго и последующего замеров от общего числа высаженных соответственно. Высота сеянцев [211], равно как и диаметр корневой шейки [205, 207, 245], является достаточно устойчивым и статистически значимым показателем для характеристики роста. Для каждого периода замеров, начиная со второго, определяли относительную (в некоторых источниках удельную [318]) скорость роста RGRH сеянцев по высоте в исследуемых группах, руководствуясь методикой, изложенной в [310]. При обработке биометрических данных руководствовались рекомендациями, изложенными в работах [47, 63, 318].

Для распределения высот рассчитывали основные показатели описательной математической статистики и дисперсионного анализа, используемых в лесном хозяйстве, например, в этой работе [215]. Уровень изменчивости фактора оценивали исходя из значений коэффициента вариации [66]: очень низкий (менее 7 %); низкий (7-15 %); средний (16-25 %); повышенный (26-35 %); высокий (36-50 %); очень высокий (более 50 %). Характер вариаций средней нормы изменчивости показателя высоты сеянцев оценивали по критериям асимметрии и эксцесса, рассмотренным для хода роста культур сосны обыкновенной, например, в работе [92]. Для проверки нулевой гипотезы о незначимом различии в росте и его темпах между группами сеянцев, выращенных из сепарированных по спектрометрическому признаку семян, результаты обрабатывали по стандартной методике [153, 286], заключающейся в сравнении расчетного значения критерия Фишера с критическим значением и определении вероятности ошибки при отклонении нулевой гипотезы (ошибки первого рода).

6.2.2 Исследование показателя грунтовой всхожести семян сосны

обыкновенной (Pinus sylvestris L.) в природно-производственных условиях контейнерного питомника

Для семян сосны обыкновенной одним из значимых показателей качества является грунтовая всхожесть, характеризующая первый этап ротации контейнерных сеянцев после автоматизированного высева, проходящий в теплице. Грунтовая всхожесть зависит от «года формирования урожая, субстрата стратификации и индивидуальных особенностей маточных деревьев» [23], температурных условий [233] и жизнеспособности семян [155].

Тест на грунтовую всхожесть, проводимый в контейнерном питомнике [155], резко отличается от значений теста в открытом грунте только при низкой жизнеспособности семян. Прорастание в грунте семян хвойных пород тесно взаимосвязано с температурными условиями [233] и происходит медленнее и неустойчивее [170] по сравнению с семенами сельскохозяйственных культур, что приводит к дополнительным затратам на обогрев теплиц в питомниках. Основанием для исследования послужило довольно малое количество данных о прорастании в контейнерах семян сосны обыкновенной, разделенных по спектрометрическому признаку.

Результаты этапов (4) и (5) (см. диаграмму Ганта на рис. 6.5) для всех спектрометрических групп семян (см. таблицу 6.8) и контроля приведены в таблице 6.9.

Грунтовая всхожесть семян сосны обыкновенной (таблица 6.9) в контейнерах демонстрирует одинаковые средние значения [264], сопоставимые с контрольной группой, для спектрометрических групп семян II-СТ и III-Т (см. таблицу 2.2) на 30 и 50 день с момента высева, превышающие среднее значение для группы I-C. Для спектрометрической группы 1-Ж средние значения грунтовой всхожести на 30-й и 50-й дни статистически значимо (p = 0,000186) превышают показатели контрольной группы и остальных спектрометрических групп. В целом, для всех спектрометрических групп средние значения грунтовой всхожести в контейнерах выше, чем стандартные показатели при проведении эксперимента в открытом грунте, что объясняется, по-видимому, стабильными температурными и влажностными пока-

зателями внутри теплицы. При дополнительном сепарировании спектрометрических групп семян по размеру наблюдается увеличение грунтовой всхожести в группе 1-С-2,5 и снижение в группе Ш-Т-3,25 (р = 0,000013). В целом во всех группах 1-С-2,5; 1-С-3,25; П-СТ-2,5; П-СТ-3,25; Ш-Т-2,5 и Ш-Т-3,25 происходит некоторое увеличение грунтовой всхожести в динамике с 30 по 50 день, и только в группе Ш-Т-3,25 отсутствует динамика (76,00 ± 4,09) % и наблюдается довольно значительный разброс средних величин (рисунок 6.10) [85].

С точки зрения технологии производства сеянцев в контейнерных питомниках сепарирование семян на дискретные группы будет иметь положительное влияние. Рабочий процесс автоматических высевающих аппаратов требует выровненных по размеру семян, в противном случае возможно попадание в одну ячейку как больше одного семени, так и ни одного. Это увеличивает затраты на производство сеянцев, поскольку нарушается равномерность их площади питания, а при пересадке в открытый грунт единым блоком двух и более сеянцев из одной ячейки контейнера нарушается их нормальный рост из-за конкуренции. По мнению ряда авторов, равномерные геометрические параметры, следовательно, и масса семян, во фракциях предпочтительны, поскольку влияют на скорость прорастания семян [173, 308], размер сеянцев [262, 282].

Таблица 6.9 - Результаты грунтовой всхожести семян сосны обыкновенной, высеянных в

контейнеры

Спектрометрическая группа Грунтовая всхожесть, %

30 дней 50 дней

К 82,25а ± 3,83 86,25а ± 2,45

1-Ж 96,50Ь ± 0,41 99,00Ь ± 0,41

1-е 77,50с ± 2,62 79,50с ± 2,78

11-СТ 86,00а ± 3,22 88,00а ± 3,48

Ш-Т 86,00а ± 3,22 88,50а ± 3,41

1-е-2,5 92,00а ± 1,53 94,50а ± 1,43

1-е-3,25 89,25а ± 1,29 92,00а ± 1,28

11-СТ-2,5 82,50а ± 3,84 86,50а ± 2,48

11-СТ-3,25 87,00а ± 2,26 89,25а ± 2,24

Ш-Т-2,5 89,00а ± 2,15 92,00а ± 2,03

Ш-Т-3,25 76,00с ± 4,43 76,00с ± 4,09

Примечание - Для каждого столбца показаны средние зачения вариант ± SE (стандартная ошибка среднего). Средние значения, за которыми следуют разные буквы, статистически различаются при использовании HSD-теста Тьюки (а = 0,01)

Рисунок 6.10 - Динамика грунтовой всхожести различных спектрометрических групп семян сосны обыкновенной в сравнении с контролем

Относительно целесообразности разделения семян [83] по количественным признакам существуют как мнение ученых об элиминации при этом целых генотипов [201, 206], так и мнение о влиянии на исключение определенных материнских генотипов не столько операций сепарирования, сколько широкого диапазона ежегодных вариаций в генетической структуре семян, произведенных на постоянных лесосеменных участках [200]. Результаты, приведенные выше, показывают, что размер семян сам по себе не связан с грунтовой всхожестью, но может быть связан с ней через генетические линии.

Сепарирование семян на дискретные спектрометрические группы 1-С, П-СТ, Ш-Т может иметь определенное значение при проведении фенетических исследований [39], связанных с изучением особенностей цветосеменных форм сосны

обыкновенной, за счет обеспечения четкой градации спектрометрических характеристик по сравнению с используемым органолептическим методом.

Проблема максимального получения сеянцев из семян не может быть вполне решена сепарированием в видимом диапазоне длин волн. В любой партии семян независимо от геометрических, размерных и цветовых характеристик семян сосны обыкновенной имеют место нежизнеспособные окаменелые или пустые семена, которые не имеют корреляционной связи с показателем поглощения оптического потока в видимом диапазоне или геометрическими параметрами семени. Наличие нежизнеспособных семян в высеваемом материале будет приводить к неэффективному использованию объема одного контейнера и, как следствие, неэффективному использованию площадей теплицы и автоматизированного питомника в целом.

Следовательно, хозяйственно ценной операцией процесса улучшения качества семян для эффективного использования площадей контейнерного питомника и максимального выхода репродуктивного материала является сепарирование по спектрометрическому признаку в инфракрасном диапазоне длин волн (группа 1-Ж; R970 = 0,3417-0,3230). Это позволит наиболее полно реализовать энергетический потенциал семян (W50 = 99,00 ± 0,41 %) в условиях благоприятной контролируемой температуры и влажности до пересадки контейнерных сеянцев в открытый грунт.

6.2.3 Исследование природно-производственных условий произрастания сеянцев сосны обыкновенной, полученных из семян, сепарированных по количественному признаку

С точки зрения проектирования устройств для классификации и высева, размер семян является важным инженерным свойством (engineering properties) [147], позволяющим определять основные конструктивные параметры [81] оборудования. Цитируя [182], отметим: «Hence, rapid, cost-effective and efficient seed sorting technology is needed to upgrade the quality of larch seed lots, which in turn ensures precision sowing (single seed sowing) in the nursery. Precision sowing is highly desirable in nurse-

ries to maintain lower cost of containerized seedlingproduction1 ». Классификация (seed grading) лесных семян по заданному признаку имеет определенное и неоднозначное влияние на всхожесть и жизнеспособность [199].

На рост сеянцев, выращенных в контейнере, влияют «the combined effects of fertilizer and watering rates» [294], влажность и режим полива, размер контейнера и другие параметры. Существует ли взаимосвязь между размерами семян и ростом контейнерных сеянцев сосны обыкновенной при стандартном способе разделения семян? Существует ли взаимосвязь между месторасположением контейнера и ростом сеянцев? Какова эффективность и перспективы разделения семян?

На рисунке 4.16, а показано распределение высот контейнерных сеянцев из семян разных размерных групп в конце активной фазы роста [262]. Пустые красные ячейки обозначают отсутствие сеянцев по различным причинам. Вероятней всего, поскольку проводилась обработка на гравитационном сепараторе, среди семян присутствуют окаменелые (petrified) семена [182], по плотности не отличающиеся от жизнеспособных семян. Возможно, недостаточная эффективность работы высевающего аппарата. Ячейки, окрашенные в оттенки желтого цвета, обозначают наличие сеянцев, высота которых приближена к среднему значению в размерной группе. Ячейки, окрашенные в оттенки красного цвета, означают наличие сеянцев, высота которых статистически значимо ниже среднего значения в размерной группе. Ячейки, окрашенные в оттенки зеленого цвета, означают наличие сеянцев, высота которых статистически значимо выше среднего значения в размерной группе. По каждой размерной группе приведены фотографии (рисунок 6.11, б) характерных образцов сеянцев в сравнении с контрольной группой. Видно, что количество ячеек без сеянцев выше в контрольной группе по сравнению с остальными, между группами отсутствие сеянцев более выражено в размерных группах ES и S. В процентном соотношении количество пустых ячеек составило 21.67, 25.00, 11.67 и 11.67 % в первой,

1 Следовательно, для повышения качества партий семян необходима быстрая, экономичная и эффективная технология сортировки, что, в свою очередь, обеспечивает точность высева одного семени в питомнике. Точность высева крайне желательна в питомниках для поддержания более низкой стоимости производства контейнерных сеянцев.

второй, третьей и четвертой группах соответственно по сравнению с контрольной группой (53.75 %).

Размер семян оказывает значительное влияние на высоту однолетних контейнерных сеянцев Pinus sylvestris L. (рисунок 6.11, таблицы 6.10 и 6.11). Однако этот эффект не всегда положительный. Наибольшее среднее значение высоты (116,3 мм) наблюдается у сеянцев из крупных семян из группы L (>3.25 мм), а наименьшее среднее значение высоты (98,8 мм) - у сеянцев из мелких семян размерной группы S (2.25 - 2.75 мм) - значительно ниже, чем у сеянцев из семян размерной группы ES (108,6 мм). Среднее значение высоты сеянцев из семян контрольной группы выше среднего для сеянцев из семян групп ES, S и M.

Из визуализированных матриц (рисунок 6.11) видно, что нет явного характера распределения высот контейнерных сеянцев семян из разных размерных групп. Однако очевидно, что сеянцы из семян контроля показывает значительно больше пустых ячеек (53,75 %) по сравнению с экстрамалым, малым, средним и большим классами (21,67, 25, 11,67 и 11,67 % соответственно).

Существует ли связь между размером семян и высотой сеянцев? Имеются данные, что размер и масса семян положительно влияют на высоту проростков Pinus sylvestris L. [247, 282, 339]. Результаты показывают аналогичный эффект, хотя сеянцы из очень маленького класса (ES) семян значительно выше, чем саженцы из малого класса (S). Однако из-за небольших различий в высоте сеянцев разных размерных классов мы не можем рекомендовать сепарацию семян более чем на две размерные фракции. Граница между этими двумя классами должна зависеть от происхождения семян, так как масса семян Pinus sylvestris L. разного географического происхождения отличается [282]. Среднее значение высоты сеянцев контрольной группы выше среднего, превышая все классы размеров семян, кроме сеянцев крупного класса L. Так, с точки зрения высоты сеянцев, к аналогичным выводам пришли Domroese [172] для Pinus monticola Dougl. ex D. Don и Blade [153] для Pinus halepensis Mill. Поэтому небольшое повышение высоты сеянцев в питомнике, полученное при сепарации семян по размеру, не оправдывает увеличение эксплуатационных затрат.

А-Control

R20-Ctrl

R19-Ctrl

R18-Ctrl

R17-Ctrl

R16-Ctrl

R15-Ctrl

R14-Ctrl

R13-Ctrl

R12-Ctrl

R11 -Ctrl

R10-Ctrl

R9-Ctrl

R8-Ctrl

R7-Ctrl

R6-Ctrl

R5-Ctrl

R4-Ctrl

R3-Ctrl

R2-Ctrl

R1 -Ctrl

S

C1-Ctrl C2-Ctrl C3-Ctrl C4-Ctrl C5-Ctrl C6-Ctrl C7-Ctrl C8-Ctrl

N

W

A1 и Б1) первая размерная группа; A2 и Б2) вторая размерная группа; A3 и Б3) третья размерная группа; A4 и Б4) четвертая размерная группа; A-Control) контрольная группа Рисунок 6.11 - Матрица распределения высот сеянцев (А) [мм], выращенных в контейнере, и их общий вид (Б)

Таблица 6.10 - Описательная статистика (N=470) высот однолетних контейнерных сеянцев Pinus sylvestris L. разных размерных групп:

E

Размерные группы HT (мм) N SD Var Min Max

Control 113,2a 74 17,71 313,6 40 140

ES 108,6a 94 23,12 534,4 33 151

S 98,8b 90 23,19 538,0 20 142

M 111,7a 106 24,31 590,9 36 160

L 116,3a 106 22,49 506,0 60 183

Все группы 109,9 470 23,20 538,1 20 183

Примечания: N-количество сеянцев, SD-стандартное отклонение, Var - дисперсия, Min - минимальное значение, Мах-максимальное значение). Средние значения, за которыми следует разные буквы, статистически различны (p<0,05).

Таблица 6.11 - Дисперсионный анализ (однофакторный ANOVA) высоты однолетних

контейнерных сеянцев Pinus sylvestris из разных семенных групп

SS df MS SS df MS F P

HT (mm) 16734,89 4 4183,722 235645,2 465 506,7639 8,255762 0,000002

Существует ли связь между положением рассады / контейнера относительно сторон света и высотой рассады?

Нет очевидного рисунка высоты сеянцев Pinus sylvestris или пустых клеток, связанных с их положением. Это можно объяснить однородностью условий выращивания, достигаемой как в теплице питомника, так и в зоне закаливания. Здесь следует подчеркнуть, что это был мелкомасштабный эксперимент (13 контейнеров), который позволил легко достичь оптимальных и однородных условий выращивания. При крупномасштабном производстве сеянцев можно ожидать, что положение сеянцев и в ячейках контейнера влияет как на высоту проростков, так и на количество пустых клеток в конце первого вегетационного периода.

Улучшает ли сепарация семян по размеру эффективность использования семян?

С оперативной точки зрения сортировка семян представляется вполне оправданной. Более половины ячеек контейнера, засеянных семенами из контрольной (неклассифицированной) группы, остались пустыми после первого вегетационного периода. В то же время процент пустых ячеек, засеянных семенами из разных размерных групп, колебался от 11,67% (средний и крупный размерный класс) до 25% (малый размерный класс). Причин этого может быть множество, в том числе: очистка путем удаления пустых и поврежденных семян и других примесей; эффективность высевающего аппарата, которая в определенной степени зависит от однородности размеров семян; улучшение параметров прорастания семян (всхожесть, энергия прорастания, однородность). Сортировка семян улучшила общее качество семян, что может привести к повышению выживаемости и темпов роста, как это было ранее показано для Pinus sylvestris [339]. Проведенное нами исследование показало, что сепарирование по размеру семян сосны обыкно-

венной повысило эффективность использования семян сосны обыкновенной - соотношение сеянцев к высеянным семенам [149].

6.2.4 Исследование природно-производственных условий произрастания сеянцев сосны обыкновенной, полученных из семян, сепарированных по качественному признаку Результаты биометрических исследований представлены в таблице 6.12, их графическое отображение - на рисунках 6.12 и 6.13.

Таблица 6.12 - Динамика роста сеянцев из семян, сепарированных по спектрометрическому

признаку, в сравнении с контролем

Спектромет- Д ,ата измерений

Параметры рическая группа 25.05.2018 28.06.2018 31.07.2018 03.09.2018 28.03.2019

К 8.0 ± 0.18 9.5 ± 0.19 11.4 ± 0.22 12.0 ± 0.23 12.4а±0.22

Средняя 1-Ж 8.5 ± 0.17 10.1 ± 0.20 12.6 ± 0.23 14.3 ± 0.27 14.8Ь±0.25

высота се- 1-е 7.5 ± 0.25 9.8 ± 0.24 11.7 ± 0.33 12.4 ± 0.33 12.7а±0.31

янца, см П-СТ 5.9 ± 0.23 6.9 ± 0.26 9.4 ± 0.32 10.1 ± 0.33 10.3с±0.29

Ш-Т 6.1 ± 0.18 7.2 ± 0.18 9.8 ± 0.25 10.5 ± 0.25 10.7с±0.25

20,81 17,46 16,72 16,63 15.40

К (средний) (средний) (средний) (средний) (средний)

Коэффици- 20,54 17,38 16,42 15,38 14.28

ент вариа- 1-Ж (средний) (средний) (средний) (средний) (средний)

ции (уро- 29,90 20,73 23,58 22,89 19.76

вень из- 1-е (повыш.) (средний) (средний) (средний) (средний)

менчиво- 31,88 29,21 26,69 25,34 21.72

сти [66]) П-СТ (повыш.) (повыш.) (повыш.) (средний) (средний)

26,47 21,41 20,99 19,75 19.40

Ш-Т (повыш.) (средний) (средний) (средний) (средний)

Приживае- К 96,6 89,7 88,5 88,5 85.1

1-Ж 100,0 100,0 100,0 98,9 98,9

мость и со- 1-е 94,3 83,9 82,8 82,8 78.2

хранность, о/. П-СТ 79,5 75,9 73,5 73,5 72.3

% Ш-Т 95,3 87,1 84,7 84,7 80.0

и

03 16

ш J

сс 14

и СП

о

и .0 CD

12

10

8

6

4

2

0

II-СТ

К

III-Т 1-Ж

I-С

25.05.2018 28.06.2018 31.07.2018 03.09.2018 28.03.2019

Рисунок 6.12 - Динамика роста сеянцев Pinus sylvestris L. по высоте на первом ювенильном этапе

100

£ 90

0

1 80 го

CL

X

° 70 (_) 70

60 50 40 30 20 10

25.05.2018

28.06.2018

31.07.2018

03.09.2018

28.03.2019

Рисунок 6.13 - Динамика сохранности сеянцев (1+0, Fall plants, Pinus sylvestris L), пересаженных на экспериментальный участок

0

Высота сеянцев, полученных из семян спектрометрической группы 1-Ж, статистически значимо превосходит высоту сеянцев контрольной группы (p = 1,58 ■ 10-8). Высота сеянцев, полученных из семян спектрометрической группы I-C, статистически неотличимы от высоты сеянцев контрольной группы. Сеянцы спектрометрических групп II-СТ и III-Т статистически значимо ниже сеянцев контрольной, I-С и 1-Ж групп, но статистически неотличимы между собой. С точки зрения дисперсионного анализа это может быть интерпретировано как отсутствие статистически значимой необходимости в разделении II-СТ и III-Т групп, равно как I-C и контрольной.

Сохранность сеянцев сосны обыкновенной распределилась в порядке возрастания: II-СТ (72,3 %), I-C (94,3 %), III-Т (95,3 %), контрольная (85,1 %), 1-Ж (98,9 %). Лучшую сохранность демонстрируют сеянцы спектрометрической группы 1-Ж (98,9 %), а худшую - II-СТ (72,3 %). Наименьшая динамика выпадения сеянцев в группе 1-Ж (- 1,1 %), наибольшая - I-С (- 17,1 %).

Таким образом, наилучшем ростом при стабильной сохранности обладают сеянцы, полученные из семян, сепарированных по спектрометрическому признаку в инфракрасном диапазоне длин волн (группа 1-Ж), что предполагает целесообразность использования данного процесса в лесохозяйственном производстве.

Использование сепарирования семян по спектрометрическому признаку в видимом диапазоне длин волн для улучшения качества репродуктивного материала по результатам данного эксперимента не подтверждается. Однако сепарирование семян на дискретные спектрометрические группы I-C, II-СТ, III-Т (целесообразность доказана результатами исследованиями грунтовой всхожести), так же значимо при фенетических исследованиях [39], которые изучают особенности цветосеменных форм сосны обыкновенной Pinus sylvestris L. Это возможно за счет обеспечения четкой градации спектрометрических характеристик по сравнению с используемым в настоящее время органолептическим методом.

6.3 Выводы

1. Использование в качестве инструмента для детектирования семян сосны обыкновенной по степени жизнеспособности отраженного электромагнитного излучения в инфракрасном диапазоне длин волн (с пиком 970 нм) имеет определенную хозяйственную ценность при получении качественного репродуктивного материала.

2. Образцы семян спектрометрической группы 1-Ж ^970 = 0,3417-0,3230) статистически значимо превосходят образцы остальных спектрометрических групп и контроля по показателям энергии прорастания, лабораторной всхожести, длине и массе проростка как без воздействия, так и при воздействии когерентного излучения с длиной волны 632,8 нм при интенсивности I = 3,185 Вт м-2.

3. Создание специальной верхней искусственной полимерной оболочки на образцах семян сосны, предварительно отсортированных в диапазоне 970-990 нм, увеличивает время прорастания в лабораторных условиях, особенно при увеличении максимального размера драже, не снижая показателей лабораторной всхожести и биомассы проростков, статистически значимо превосходящих показатели остальных спектрометрических групп и контроля. При этом выровненные геометрические характеристики и форма дражированных семян будут способствовать лучшему протеканию технологического процесса автоматизированного точечного высева в питомнике, исключая попадание в ячейки высевающего аппарата более одного драже.

4. Применение биомоделирующих препаратов и НКИ-активации в сочетании с накаткой внешней оболочки дает разные результаты с превалированием по показаниям посевных качеств и биомассе проростков, полученных из семян спектрометрической группы 1-Ж. Эффект применения плантафида 20.20.20 сопоставим с воздействием НКИ-излучения в диапазоне 1 мин, особенно значимо он проявляется для значений энергии прорастания и лабораторной всхожести. Наибольший эффект увеличения биомассы проростков наблюдается при воздействии Биостепа и 10-минутной экспозиции НКИ.

5. Хозяйственно ценной операцией процесса улучшения качества семян для эффективного использования площадей контейнерного питомника и максимального выхода репродуктивного материала является сепарирование по спектрометрическому признаку в инфракрасном диапазоне длин волн (группа 1-Ж; R970 = 0,3417-0,3230). Это позволит наиболее полно реализовать энергетический потенциал семян ^50 = 99,00 ± 0,41 %) в условиях благоприятной контролируемой температуры и влажности до пересадки контейнерных сеянцев в открытый грунт.

6. Сепарация семян сосны обыкновенной по качественному признаку в диапазоне длин волн 960-980 нм обеспечивает статистически значимые различия между распределением высот сеянцев на первом ювенильном этапе в открытом грунте экспериментального участка. Высота сеянцев в конце первого вегетационного периода характеризуется средним уровнем хронографической изменчивости, при этом средние значения высоты сеянцев в группе 1-Ж превосходят (р = 1,58 ■ 10-8) средние значения высоты сеянцев остальных спектрометрических групп семян сосны обыкновенной и контроля.

7 Технико-технологические решения и эффективность процесса получения качественного лесного репродуктивного материала для лесовосстановления

7.1 Эффективность применения технических средств улучшения качества лесных семян сепарированием по спектрометрическому признаку

7.1.1 Структура затрат на сепарирование

Применение того или иного способа механизированного сепарирования семян в структуре затрат на искусственное лесовосстановление должно складываться исходя из следующих критериев (рисунок 7.1) [30, 35]:

Рисунок 7.1 - Критерии выбора технологии сепарации семян [35]

1) свойств лесных семян (физиологических, морфометрических и спектрометрических);

2) назначения полученных семян: для хранения, для наземного высева (в питомнике или в открытый грунт), или аэросева, в зависимости от способа и вида используемых технических средств;

3) экономической эффективности применения конкретного способа сепарации в определенных условиях;

4) положений лесохозяйственного регламента;

5) возможностей (наличия кадрового резерва, технических средств и пр.) и временного диапазона применения способа сепарации;

6) наибольшей вероятности получения положительного результата.

К первому критерию. Большие или меньшие затраты на использование того или иного способа сепарации семян определяются:

- при высеве семян лесных культур, имеющих на ювенильном этапе стержневое анатомическое строение корневой системы;

- при высеве быстрорастущих лесных культур между медленно растущими.

Ко второму критерию. Назначение лесных семян предопределяет использование различных технологий сепарации. Например, при закладке семян на хранение нецелесообразно использовать способы, оказывающие механическое, разрушающее воздействие на семена. Наоборот, для некоторых видов семян древесных растений перед посевом необходима скарификация.

К третьему критерию. Большие или меньшие затраты на использование того или иного способа сепарации семян определяются:

- стоимостью семян: там, где затраты на сбор семян выше, посадка сеянцев на значительных площадях целесообразнее; там, где себестоимость сбора семян дешевле, посев имеет преимущество; следовательно, применим способ сепарации семян для посева в открытый или закрытый грунты.

- интервалом времени на проведение операций сепарации семян: там, где необходима централизованная транспортировка в специализированные центры тестирования и подготовки семян, затраты выше, и наоборот, при установлении

надежного протокола экспресс-анализа, например, биофизическими методами [82], затраты возможно снизить за счет проведения обработки семян на местах.

- стоимостью обработки почвы [345]: в случае, если семена необходимо высевать в необработанную почву, затраты на их подготовку возрастают за счет введения дополнительных операций капсулирования, и наоборот.

- стоимостью последующих лесоводственных уходов.

При этом экономическая эффективность в целом определяется издержками на лесовосстановление полноценного древостоя, то есть при отсутствии должных результатов от создания лесных насаждений, в котором использовались самые дешевые способы сепарации семян, эффективность может стремиться к нулю из-за напрасно проведенных мероприятий.

К четвертому критерию. Большие или меньшие затраты на использование того или иного способа сепарации семян определяются указанными в лесохозяй-ственном регламенте технологическими схемами создания лесных культур. Если преобладающим способом производства культур является посадка, то семена главных пород необходимо подготавливать в соответствии с правилами выращивания сеянцев в питомнике, в случае прямого посева на площадях для лесовосстановле-ния затраты на подготовку семян возрастают.

К пятому критерию. Большие или меньшие затраты на использование того или иного способа сепарации семян определяются:

- наличием лесосеменных центров в регионе заготовки лесных семян с соответствующим оборудованием и персоналом высшей квалификации;

- при отсутствии специализированных центров подготовки семян наличием портативного специализированного оборудования у организаций, осуществляющих использование лесов в соответствии с Лесным Кодексом РФ, для экспресс-анализа семян неразрушающими методами.

К шестому критерию. Не рассматривая применение посадки, а только посева, вероятность положительного результата, а равно и выбор наиболее рационального способа сепарации семян, зависит от многовекового накопленного опыта

лесоразведения применительно большей частью к характеристике и местоположению участка:

- сложного рельефа, представленному почвами с каменистыми включениями;

- под пологом леса;

- менее подверженному хищничеству;

- не переувлажненного или не затопленного водой.

7.1.2 Экономическая эффективность

Прототип сепарирующего аппарата является основой улучшения качества семян сосны обыкновенной после операций извлечения из шишек, и обескрыливания и сушки до необходимой влажности. Аппарат такого типа разрабатывается впервые, производит сепарацию лесных семян по спектрометрическому признаку и может использоваться как альтернатива традиционным сепараторам как в составе стационарного технологического комплекса, так и непосредственно в месте сбора семян.

Направлениями проведения расчета экономической эффективности использования сепарирующего аппарата целесообразно выбрать либо улучшение качества семян с одновременным повышением класса качества и снижением нормы высева, либо увеличение выхода сеянцев на единицу восстанавливаемой труднодоступной площади [78].

Как в первом, так и во втором случаях должны учитываться капитальные вложения и прямые издержки эксплуатации аппарата. Предварительная оценка установила эффект использования аппарата при учете стоимости 1 кг семян сосны обыкновенной (в ценах 2020 года 20-23 тыс. руб. без указания класса) в размере 9095 тыс. руб. на 1 единицу оборудования или 1,5-1,7 тыс. руб. на 1 кг обработанных семян. Следует отметить, что при принятии базовой методики расчета исходя из увеличения выхода сеянцев с единицы площади необходимо учитывать остальные технологические операции групп мониторинга, подготовки площади, аэросева и др.) в альтернативной технологии восстановления труднооступных площадей.

Поэтому спрогнозировать процент влияния технических и технологических решений на структуру затрат довольно трудоемкий процесс.

Учитывая имеющиеся в научной литературе сведения о максимальной доле в структуре затрат на восстановление труднодоступных площадей аэросевом стоимости семян [68], расчет эффективности достигается за счет улучшения качественного состава семян и снижения нормы высева. При расчете экономической эффективности необходимо учесть стоимость сепарирующего аппарата и прямые издержки его эксплуатации. Общую экономическую эффективность применения аппарата вычислим как разницу между стоимостью сэкономленных семян при выращивании лесного репродуктивного материала и стоимостью разрабатываемого устройства плюс прямые издержки эксплуатации:

Эг.общ = Эг.с.-(Ц + Иг ), руб. (7.1)

где Эг.с. - экономический эффект, достигнутый за счет стоимости сэкономленных семян при аэросеве, руб.; Ц - цена разрабатываемого сепарирующего аппарата, руб., Иг - прямые издержки эксплуатации на расчетный годовой объем выработки аппарата, руб.

Годовой экономический эффект от сэкономленных семян определится выражением:

Эг.с. = <2с • Сс,РУб., (7.2)

где Qс = Яс = ~~~ - экономия семян от расчетного годового объема выработки

разрабатываемого сепарирующего аппарата, здесь Жр - расчетный годовой объем выработки устройством (принимается минимальная величина, равная 50-55 кг); Qlга - средняя норма расхода семян хвойных пород на 1 га труднодоступной площади при аэросеве (для семян сосны обыкновенной Q1га = 30 кг/га); 12 - процент экономии сепарированных семян от общей массы высеваемых семян (на основании экспериментальных исследований принимается его средняя величина, равная 12 %).; Сс - средняя стоимость 1 кг семян хвойных пород, Сс = 23 000 руб.

Окончательно выражение (7.2) имеет вид:

Эг с = (7.3)

гс 100 4 7

Тогда эффект от сэкономленных семян составит

50 • 12 • 23000 Эг.с =-Ш-= 138 000 руб.

Цену разрабатываемого сепарирующего аппарата определим из выражения:

Ц = Цф + (20%НДС + 6%„р), (7.4)

где Цс/с - себестоимость сепарирующего аппарата, руб.; 20 %НДС - налог на добавленную стоимость, руб.; 6 %пр - налог с продаж (реализации), руб. Себестоимость сепарирующего аппарата представим в виде:

Цс/с = Мс • С1кг, (7.5)

где Мс - масса разработанного сепаратора, Мс = 2 кг; С1кг - средняя стоимость 1 кг изделия для существующих оптоэлектронных устройств, С1кг = 15000-17 000 руб. Подставив значения в выражения (7.5), получим Цс/с = 2 • 15 000 = 30 000 руб. Принимая во внимание выражение (7.5), найдем цену серийно разрабатываемого сепаратора

Ц = 30 000 + (6 000 + 1 800) = 37 800 руб. Расчет прямых издержек эксплуатации проведем в следующей последовательности. Прямые издержки эксплуатации на 1 кг сепарированных семян определим из выражения

и=Ас+Рс+дэн+а, руб., (7.6)

где Ас - отчисления на амортизацию, руб.; Рс - затраты на текущий ремонт и обслуживание сепарирующего аппарата, руб.; Qэн - расходы на электроэнергию, руб.; Qз - оплата труда обслуживающего персонала, руб.

Отчисления на амортизацию представим в виде

Ас = Цб • На руб (7.7)

с 100

где Цб - балансовая стоимость сепаратора, определяемая как

Цб = л • Ц = 1,1 • 30 000 = 33 000 руб., здесь л - коэффициент, выражающий средние затраты на транспортировку и монтаж сепаратора (для технических средств, не требующих монтажа, л = 1,1).

На - норма амортизационных отчислений, ам = 14,2 %.

Затраты на текущий ремонт и обслуживание сепарирующего аппарата