Повышение эффективности выращивания сеянцев сосны Сибирской ресурсосберегающими технологиями : На примере Восточной Сибири Невзоров, Виктор Николаевич

Введение к работе

Актуальность проблемы. Лесовосстанопление является одной
из сложнейших технологических, экологических и хозяйственных
проблем. По данным Федеральной службы лесного хозяйства,
осуществление комплекса организационно-технических и

экономических мер для перехода на промышленные технологии лесозыращивания, создания единой генетико-селекционной базы, развития питомнического хозяйства объемам выполнения на 96 % приходится на долю лесхозов. Сосна кедровая сибирская (Pintis sibirica Du Tour) произрастает на территории 17-ти субъектов Российской Федерации и относится к основным поставщикам разнообразной лесной продукции. В принятой в 1991 году научно-технической программе по охране, комплексному использованию и воспроизводству кедровых лесов "Кедр" планируется создание культур кедра ежегодно до 200 тыс. га в 1996-2005 годах. Наращивание объемов лесовосстановления кедра сдерживается недостаточным количеством семенного ореха, сложностью его заготовки в горных, труднодоступных районах, большой трудоемкостью выращивания сеянцев в лесных питомниках, так как используемая технология выращивания трудоемка, не подлежит комплексной механизации, а рекомендуемая система машин и орудий для механизации в лесных питомниках в основном заимствована из сельского хозяйства и отличается мпогомарочностыо тяговых средств, машин и орудий, что вызывает у работников лесных питомников экономические, экологические и технологические проблемы. Решение проблемы по интенсификации выращивания посадочного материала кедра может быть решено путем создания ресурсосберегающих технологий (РСТ) на базе машин и орудий нового поколения, комбинированных и универсальных, позволяющих механизировать самые трудоемкие рабочие операции.

При любом варианте РСТ расходуются ресурсы: трудовые, энергетические, овеществленные в материалах, сырье и машинах. Денежная оценка вариантов РСТ зависит от конъюнктуры современной жизни, и для определения эффективности разрабатываемой РСТ использовались сравнения трудовых затрат за весь цикл выращивания сеянцев кедра в лесных питомниках.

Для районов Восточной Сибири, где выполнялась настоящая

работа, проблема интенсификации выращивания сеянцев кедра весьма актуальна, а выполненный почвенный анализ основных питомников позволил определить базовые питомники для внедрения РСТ с комплектом машин и орудий для комплексной механизации. РСТ и комплекты машин и орудий, испытанные в питомниках Восточной Сибири, могут быть рекомендованы для применения в других питомниках Российской Федерации, специализирующихся на выращивании сеянцев сосны кедровой сибирской.

Цель и задачи исследований. Цель работы заключалась и теоретическом обобщении и решении научной проблемы по разработке ресурсосберегающих технологий заготовки и переработки шишек, получения семенного ореха, выращивания посадочного материала сосны сибирской (Pinus sibirica Du Tour) на базе биологических, экологических и технологических требований в питомниках.

В задачу исследований входило: разработать алгоритм
исследований биологических факторов и требований к разработке
ресурсосберегающих технологий; изучить лесоводственно-

таксационную характеристику кедровых древостоев по диаметру, высоте и урожайности для обоснования параметрических рядов использования средств механизации; исследовать биометрические показатели семян кедра сибирского для решения вопросов целесообразности их калибровки при заготовке кедрового ореха; разработать научные предпосылки применения ресурсосберегающих технологий на основе моделирования производственных процессов; определить биоэкологические особенности использования машин и орудий в лесных питомниках; разработать методику расчета производительности использования новых машин и орудий в лесных питомниках; изучить влияние внедрения ресурсосберегающих технологий и новых машин и орудий на биометрические показатели сеянцев.

Научная новизна. Предложен алгоритм исследований и разработки биологических требований к РСТ по заготовке семенного ореха и выращивания сеянцев; проведен анализ лесоводственно-таксационных характеристик кедровых древостоев на урожайность семян и изучена биологическая характеристика кедрового ореха, обобщены результаты анализа почвенного и биологического состояния лесных питомников Восточной Сибири; установлены основные

биологические требования к выращиванию сеянцев сосны сибирской; разработана РСТ на основе моделирования производственных процессов заготовки посевного материала и выращивания сеянцев в питомниках; предложены новые методики для расчета основных технологических параметров РСТ.

Практическая ценность результатов исследований.

Предложенный алгоритм выполнения исследований обеспечил
разработку ресурсосберегающих технологий на основе

биоэкологических требований заготовки семенного ореха, подготовки территорий под питомник и выращивания сеянцев сосны сибирской. На основе моделирования процессов выполнения рабочих операций по РСТ были разработаны биотехнические требования к рабочим органам чашин и орудий, практическая ценность которых была подтверждена авторскими свидетельствами и патентами РФ на изобретения, :видетельствами на полезные модели. Разработанные рекомендации по трактическому использованию применения РСТ для выращивания -еянцев хвойных пород в питомниках Восточной Сибири обеспечивают .нижение трудозатрат при заготовке семенного ореха на 19,31%, тодготовки территории под питомник на 39,7% и выращивание сеянцев ;осны сибирской на 26,8%. По результатам внедрения РСТ разработаны методы расчета производительности новых машин и эрудий, рекомендованных для использования в питомниках при 5ыращивании сеянцев сосны сибирской.

Обоснованность выводов и рекомендаций подтверждается
использованием современных методик для получения разнообразного и
гостоверного научного материала, методов математического
юделирования технологических процессов, результатами

еоретических и экспериментальных исследований, анализом данных с ірименением современных математических методов, результатами іатентньїх исследований и получения авторских свидетельств и іатентов РФ па новые машины и оборудование для лесных іитомнйков.

На защиту выносятся следующие основные положения [сследования:

1. Общий алгоритм исследования и разработки биологических

требований к РСТ по заготовке семенного ореха и выращивания посадочного материала.

2. Закономерности влияния биоэкологических факторов на
разработку РСТ при заготовке семенного ореха и выращивании
сеянцев кедра в лесных питомниках.

3. Исследования влияния РСТ на биометрические показатели
семян и сеянцев сосны сибирской.

2. Принципы моделирования и методики расчета
технологических процессов заготовки семенного ореха и выращивания
лесных культур.

3. Особенности использования новых машин и орудий на основе
биотехнических требований получения семян и выращивания сеянцев
сосны сибирской.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы,
отдельные разделы диссертации доложены, обсуждены и одобрены на
научно-технических советах Всесоюзного научно-исследовательского
института механизации лесного хозяйства (Красноярск - 1985, 1986),
научно-технических конференциях Сибирского технологического
института (Красноярск - 1978-1994), на заседаниях Головного совета
Российской научно-технической программы "Переработка

растительного сырья и утилизация отходов" (г. Улан-Удэ - 1993, г. Йошкар-Ола - 1995, Красноярск - 1996), научно-практической конференции по региональной программе "Экология, новые материалы и технологии Красноярского края", (Красноярск - 1994-1996), научно-практических конференциях "Проблемы химико-лесного комплекса" (Красноярск - 1994, 1995, 1996), Международной научно-практической конференции "Генетика и селекция на службе леса" (Воронеж - 1996), Всероссийской научно-практической конференции "Интенсификация выращивания лесопосадочного материала" (Йошкар-Ола - 1996), второй Международной научно-практической конференции "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири" (Новосибирск - 1996), первой Всероссийской конференции по ботаническому ресурсоведению (Санкт-Петербург - 1996).

Личный вклад автора. Диссертационная работа является результатом 20-летних (1976 - 1996 гг.) комплексных исследований, проведенных автором в ходе выполнения научно-исследовательских работ во Всесоюзном научно-исследовательском институте механизации

лесного хозяйства (1983, 1989); госбюджетной темы в Государственной научно-технической программе России "Комплексное использование и воспроизводство древесного сырья" тема 1.2.1 "Создание технологии и средств механизации для заготовки семян кедра в труднодоступных условиях (1992-1994), в Государственной научно-технической программе России "Российский лес", тема 1.4.2 "Разработка техники и технологии комплекса машин по заготовке семян, выращивания посадочного материала и создания лесных культур кедра сибирского" (1993-1996); региональной научно-технической программе "Экология, новые технологии и материалы Красноярского края" тема "Исследование и разработка универсального устройства для механизации работ в лесных питомниках" (1994-1996), Российской инновационной научно-технической программы "Переработка растительного сырья и утилизация отходов" тема "Машины для механизации работ в лесных питомниках" (1993-1995), Российской инновационной научно-технической программы "Переработка растительного сырья и утилизация отходов", тема "Разработка оборудования и технологий заготовки и переработки биомассы кедра сибирского (1994 - 1996). Разработана программа и методы проведения всего комплекса полевых и лабораторных испытаний, обработки и анализа полученных данных, подготовки публикаций и заявок на изобретения.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 67 работ, в том числе: "Рекомендации по выращиванию сеянцев хвойных пород в Восточной Сибири", получено 24 авторских свидетельств, 6 патентов РФ и два решения на полезную модель. Теоретические и практические положения научных исследований нашли отражение в патентных исследованиях, рекомендациях и методических разработках.

Структура и объём диссертации. Диссертация изложена на 572 страницах, включая введение, шесть глав, заключение, список литературы из 417 наименований, 45 приложений. Текст составляет 500 страниц, содержит 64 таблицы, 116 рисунков.

Сосна кедровая сибирская (Pinus sibirica Du Tour) по праву считается российским национальным деревом, из 40,5 млн. га естественного произрастания кедровников па Россию приходится 35,88 млн. га. Основные площади сосны кедровой сибирской сосредоточены в Сибири, только в Красноярском крае площадь естественного произрастания составляет 1054,3 тыс. га или 29,2 % от общей площади ее ареала в России. Изучению условий естественного произрастания кедровников, разработке типологической схемы выделения групп типов леса посвящены работы В.Н. Сукачева (1931); В.А. Поварлицына (1944); Г.В. Крылова (1962); Н.К. Таланцева (1981); И.В. Ссмечкина (1981); А.Б. Жукова (1966). Известны исследования по типам леса для Северо-Восточной части России ( Непомилуева ,1974), Северо-Восточного Алтая (Крылов, 1963), бассейна реки Кола-Кокиш (Кузнецова, 1963), северной части Западного Саяна (Назимова, 1963), Восточно-Сибирского района (Правдина, 1963), юго-восточной части Читинской области (Новосельцева, 1963), кедровых лесов Дальнего Востока (Кречетова, 1963). Проблема создания лесных культур кедра сибирского возникла в 50-е годы после массового вовлечения кедровых лесов в рубку и увеличения объемов выращивания сеянцев в лесных питомниках для их восстановления.

Научной основой для разработки технологии создания лесных культур сосны кедровой сибирской послужили фундаментальные исследования, опубликованные в работах М.К. Турского (1881, 1884, 1900), В.В. Огневского (1904), Н.П. Кобранова (1911), Г.Н. Высоцкого (1912), М.М. Орлова (1917), А.П. Тольского (1927, 1932), Н.И. Суса (1959), Г.Ф. Морозов (1970) и получившие дальнейшее развитие в исследованиях, В.В. Огиевского (1949), Н.И. Рубцова (1960), В.И. Писаренко (1977), Г.И. Редько (1980), А.Р. Родина (1977).

Обобщению опыта по выращиванию хвойных пород в различных регионах посвящены работы М.Ф. Петрова (1961), Н.М. Ведерникова (1964), Г.И. Зайкова (1981), В.Б. Ларина (1980), А.И. Новосельцевой (1988), В.И. Пчелина (1996). Специальные работы, посвященные созданию культур кедра, были выполнены М.Н. Широкой (1955, 1960), Р.Н. Ивановой (1956, 1958), О.П. Олисовой (I960), М.П. Гуляевым (1960), Н.А. Луганским (1961), В.Н. Габеевым (1964), Р.Н. Лоскуновым (1965), А.В. Хохриным (1965), В.В. Огневским (1967, 1971), A.M. Шмоновым (1971).В последний

іериод времени опубликован целый ряд работ, обобщающих исследования по культурам кедра. Известны научные работы В.Н. Зоробьева (1982, 1987), А.Н. Ирошникова (1977), Н.К. Таланцева :1983), II.И. Дроздова (1982, 1989), Р.Н. Матвеевой (1986, 1996).

Повышение продуктивности лесных питомников сдерживается
із-за медленного роста сеянцев кедра, больших трудозатрат на
выполнение многократных агротехнических уходов, обеспечивающих
термальное развитие сеянцев. Высокая эффективность

лесовыращивания обусловлена использованием высококачественных земян на основе лесосеменного районирования по данным А.С. Яковлева (1980), Г.В. Крылова (1983), М.М. Котова (1983). Изучение биологической характеристики семян кедра позволяет определить наиболее высокопродуктивные деревья и разработать технологию сбора высококачественных семян.

В работах Ы.В. Кречетовой (1962, 1963, 1978), А.Н. Ирошникова (1963), Т.П. Некрасовой (1961, 1967, 1972) отмечается связь урожаев кедрового ореха лесоводственно-таксационными характеристиками древостоев. Биоэкологические и лесосеменные особенности заготовки кедрового ореха со средствами механизации требуют более детального анализа с обобщением имеющегося и вновь собранного экспериментального материала. В работах Т.П. Некрасовой (1972), Е.Г. Мининой, Н.А Ларионовой (1979), И.Н. Третьяковой (1990) изучались процессы, протекающие в семяпочках при формировании семян и внутрисемейном росте зародыша при стратификации (Данович, 1985), а также определялось качество семян (Щербакова, 1985; Ирошииков, 1974; Титов, 1975; Матвеева, 1988).

Данные о влиянии величины семян на их качество и рост сеянцев кедра различны. А.П. Тольский (1927), Е.А. Леухина (1961), М.Д. Дашкевич (1961) считают, что крупные семена имеют большее селекционное значение, другие исследователи (Мишуков, 1963; Прилуцкая, 1965; Черепний, 1974) не находят существенного изменения в потомстве семян разной величины. Известно, что рост лесных культур непосредственно зависит от места расположения лесного питомника и почвенных условий произрастания сеянцев.

В работах П.Н. Савина (1976), Н.П. Поликарпова, Н.В. Дашко (1985), М.М. Котова (W82), А.Х. Газизулина (1989, 1993), Н.А. Смирнова (1981, 1996), А.Р. Родина (1996) рекомендуется располагать питомники в пределах лесного пояса естественного произрастания сеянцев. Учитывая микротрофность кедра сибирского и

необходимость обеспечения микоризой корневой системы сеянцев (по данным Ивановой, 1958; Лобанова, 1971), возникает необходимость изучения почвенно-биологического состояния существующих питомников Восточной Сибири.

Особенности роста сеянцев кедра в условиях Сибири исследовались A.M. Калининым (1970), Р.И. Лоскутовым (1971), В.В. Огиевским (1981), А.Г. Крыловым (1962), Н.К. Таланцевым (1981), Р.Н. Матвеевой (1976, 1988), О.Ф. Буторовой (1993) и др. Выполненные ими работы затрагивали в основном вопросы подготовки семян к посеву, совершенствования некоторых технологических приемов и способов выращивания сеянцев. При этом отсутствуют данные по разработке ресурсосберегающих технологий на основе биоэкологических требований к интенсификации процесса выращивания на основе комплексной механизации производственных процессов, начиная от заготовки семенного ореха, его сортировки и калибровки, посева и выращивания сеянцев кедра.

Методология выполнения работы базировалась на трех основных положениях: историзме, географизме и преемственности проведения научных исследований. Исходя из аналитического обзора, цели и задач исследования, определена программа решения поставленной проблемы:

1.Изучить лесоводственно-таксационные показатели кедровых древостоев по высоте, диаметру и урожайности в Восточной Сибири и определить параметрические ряды для механизации работ при заготовке семенного ореха в труднодоступных горных районах.

2. Исследовать биологическую характеристику семян кедра,
установить зависимости жизнеспособности семян в зависимости от
размера и массы, определить биологические требования к механизмам
для калибровки и сортировки семян.

3. Провести исследования почв лесных питомников Восточной
Сибири, процессов микоризообразования и влияния микоризности на
биометрические показатели сеянцев кедра.

4. Обосновать и определить влияние мульчирования на
грунтовую всхожесть семян кедра и фитопатологического состояния
питомников на развитие сеянцев.

технологиям выращивания лесных культур

Методология и методы

исследования технологических

процессов выращивания сеянцев

воспроизводства и ведения хозяйства в кедровых лесах

Анализ технологии

и орудий для заготовки

семенного ореха

Лесокультурные приемы

и способы выращвания

сеянцев кедра

Л

Состояние проблемы научного обеспечения разработки РСТ выращивания сеянцев кедра

Научные основы разработки РСТ на основе

биоэкологических требований к заготовке

семенного ореха и выращивания сеянцев кедра

Методы исследований

биологического качества

семенного ореха

Исследование таксационного строения и урожайности кедровников

Ж.

Исследование

биологического

качества

семян кедра

Агротехнологическая

характеристика

почв лесных

питомников

Фитопатологические

обследования

лесных

питомников

Процессы микоризооб-разования и биомасса сеянцев

Исследование процессов формирования корневой системы сеянцев

±

Разработка биоэкологических требований к РСТ по заготовке семенного ореха и выращивания сеянцев кедра

±

Технология и оборудование для подготовки почвы под лесной питомник

Технология и оборудование для

заготовки шишек, их переработки

и калибровки семенного ореха

! Технология и оборудование для
; выращивания сеянцев кедра в

I механизированных лесных питомниках

Исследование технологических параметров заготовки семенного ореха, выращивания сеянцев и разрвботка методов определения эффективности новых машин и орудий

Ж

Экспериментальные исследования

Исследование влияния

РСТ на биомассу

сеянцев кедра

Рекомендации по направлению научных работ по повышению эффективности РСТ

Общие выводы и предложения

Исследование влияния РСТ на биологические качества семян кедра

Рис. 1 Общий алгоритм исследований

5. Разработать ресурсосберегающие технологии по заготовке семенного ореха и выращивания сеянцев кедра в механизированных питомниках на базе новых машин и орудий.

Оценка состояния проблемы позволила уточнить основные направления и цели научного поиска и разработать общий алгоритм исследования, приведенный на рис. 1.

Методика исследований. Наблюдения по оценке урожайности кедровников проводились в трех регионах Восточной Сибири путем анализа наблюдений на 18 пробных площадях в кедровниках высокотравно-папоротниковых, на 8 пробных площадях в чернично-зеленомошных и на 10 пробных площадях в зеленомошно-мелкопапоротниковых типах леса. При оценке урожайности кедра использовались методические подходы Н.В. Кречетовой (1963), Т.Н. Некрасовой (1961, 1967), Е.В. Титова (1990, 1995). Взаимосвязь между таксационными показателями кедровых древостоев с урожайностью определялась с использованием методов, разработанных А.В. Тюриным (1945), И.В. Семечкиным (1965), P.M. Бабинцевой (1970), Б.П. Колесниковым (1960), П.М. Верхуновым (1970).

Исследования биологической характеристики семян разной крупности проводились на семенах кедра сибирского, собранных на 11 пробных площадях от плюсовых деревьев и разделенных на 5 фракций. У каждой фракции семян проводились определения размеров семян, длины и ширины семени, эндоспермы, зародыша и веса 1000 семян, а также определялись закономерности внутрисемейного роста зародыша в период стратификации и прорастания семян. Качество семян оценивалось с помощью рентгенографического метода и гистохимической окраски (Саляева, Данович, 1983). Анализ и обработка экспериментального материала по внутрисеменному развитию зародыша проводились с использованием методических разработок Т.Н. Некрасовой (1972), Е.Г. Минина, Н.А. Ларионова (1979), И.М. Третьяковой (1990); влияние размеров семян на их качество и рост - по работам А.П. Тольского (1927), М.Д. Дашкевича (1961).

Почвы лесных питомников изучались на базовых питомниках Восточной Сибири, причем всего было обследовано 16 питомников. При сборе данных использовались данные паспортизации лесных питомников и экспериментальные исследования, выполненные в питомниках; гранулометрический, микроагрегатный состав, объемная и удельная масса определялась по А.Н. Качинскому, гумус - по

А.В.Тюрину, общий азот (Аринушкин, 1970; Кауричев, 1973).

Исследования влияния микоризообразования на рост сеянцев кедра проводились по методике Власовой (1952) с добавлением балла (0) по Ванину, Ахремовичу (19.52). Фитопатологические обследования лесных питомников Восточной Сибири проводились по методам, разработанным М.Н. Ширской (1964), Н.М. Ведерниковым (1977, 1996). Разработка РСТ проводилась путем моделирования агротехнических приемов выращивания сеянцев с применением средств механизации па основе методических разработок и результатов О.П. Олисовой (1956), М.Н. Ширской (1961, 1964), В.В. Огиевского (1960), А.Р. Родина (1978), Г.Н. Редько (1983).

Разработка новых машин и орудий проводилась с использованием метода активного патентного поиска и методических основ проектирования специальных машин с учетом экологии и надежности (Зима, 1994; В.В. Цыплакова, 1994, 1995). Методики расчета производительности новых машин и орудий доработаны автором.

Исследования агротехнических приемов выращивания сеянцев кедра по РСТ проводились на базовых питомниках, расположенных в Красноярском крае. Глубину заделки определяли по результатам исследования биологических качеств семян и готовности их к посеву. Было заложено три опыта со сроком посева 5 дней, по объемам посева 600 семян при глубине посева 2, 4, 6 см и фракциям (очень крупные, крупные и средние). Динамика появления всходов из стратифицированных семян фиксировалась через 5 дней, а определение энергии прорастания и грунтовой всхожести проводилось по методам Г.Н. Редько (1976), Н.А. Смирнова (1977), Р.Н. Матвеевой (1988), А.С. Яковлева (1981), О.Ф. Буторовой (1994). Определение влияния мульчирования и разрушения почвенной корки на сохранность сеянцев проводилось путем наблюдений за массовыми всходами сеянцев кедра в опытах без мульчирования, мульчирования опилками 2, 4 см, без фрезерования корки и с фрезерованием почвенной корки на 10-й и 20-й день после посева сеянцев. Все варианты опытов закладывались в трехкратной повторности, учет всходов велся па 1 погонном метре рядка с выкопкой 100 сеянцев для анализа. Влияние подрезки боковых и центральных корней на формирование корневой системы проводилось путем закладки опытов при подрезании пассивным подрезающим ножом и подрезке и выкопке сеянцев с помощью вибрационных устройств. Результаты

экспериментов обрабатывались по методам В.В. Огиевского (1960), Н.В. Лобанов (1963), А.С. Яковлева (1970). Экспериментальные данные обработаны статистически, включая корреляционный, регрессионный и дисперсионный анализы (Дворецкий, 1971; Лакин, 1973; Соколов, Черных, 1990). В диссертации использованы материалы исследований с 1978 по 1996 годы.

3. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ НА ОСНОВЕ БИОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ К ПРОИЗВОДСТВЕННЫМ ПРОЦЕССАМ

Проблема разработки РСТ на основе биоэкологических факторов к процессам заготовки семенного ореха и выращивания сеянцев кедра в лесных питомниках на первый план выдвигает научное обоснование перечня технологических параметров и параметров средств механизации для их выполнения. В методическом подходе к разработке РСТ и средств механизации для выполнения рабочих операций основывались на единой системе "окружающая среда - машина". Термин "окружающая среда» охватывает растения, почву и атмосферу, а под термином "машина" понимается любое механическое средство, изготовленное для выполнения технологических операций.

При комплексном анализе взаимосвязей "окружающая среда -машина" при разработке РСТ принято:

q - поток, количество энергии, масса; 1у . безразмерный коэффициент, служащий для оценки интенсивности потока в долях единицы на всех участках его движения; і - порядковый номер источника; j - порядковый номер стока.

Стрелками в технологических схемах показаны направления потоков и при комплексном анализе выделено три потока:

энергетический, оценивающий затраты механической энергии для выполнения технологических операций;

гидравлический, характеризующий движение жидкости (воды, жидких удобрений, гербицидов и т.д.) между отдельными

составляющими системы;

- массовый, характеризующий перемещение в пространстве массы почвы, воды, удобрений, мульчи, растений и т.д.

Моделирование технологических операций заготовки семенного ореха и выращивания сеянцев кедра производилось по формализованной схеме производственного процесса, а решение составленных уравнений - по теореме Букингема (Шенк, 1972), которая позволила преобразовать их к соотношению, содержащему комбинации безразмерных величин.

По результатам моделирования производственного процесса заготовки шишек была разработана биотехническая схема взаимодействия объекта исследования - дерево кедра с плодоносящими ветвями и средства механизации - гидромеханический отряхиватель с верхним защитным экологобезопасным устройством (рис 2.).

1. - отряхиватель;

   - поверхность растущего дерева;

   - ствол дерева;

   - скелетные ветви;

   - боковые ветви;

   - плодоносящие ветви; 7,7' - плоды (шишки),

   8 - поверхность почвы (полог)

   Рис. 2. Схема взаимодействия кедра с биотехническими орудиями

   Технологический процесс получения семенного ореха по фракциям крупности путем моделирования последовательного выполнения операций представлен на рис. 3

   7. - неочищенная масса ореха;

      - очислительио-

      сортировочная установка;

      3 - источник энергии

      (привод);

      4 - крупная фракция

      очищенного ореха;

      5 - средняя фракция

      очищенного ореха;

      7. - очень мелкие орехи;

      8. - поверхность почвы;

      9, 10, 11 - тара для фракции

      очищенного ореха; 12 - крупные отходы

      Рис. 3. Схема взаимодействия кедровых шишек с биотехническими орудиями

      Используя общий методический подход для разработки технологических операций, охватывающих весь комплекс агротехнических приемов выращивания сеянцев сосны кедровой сибирской, была разработана схема взаимодействия сеянцев кедра с биотехническими орудиями (рис. 4)

      Рис. 4. Общая схема взаимодействия сеянцев кедра с биотехішческими орудиями.

      1 - рабочий орган машины; 2 - поверхность почвы (базовая составляющая); 3 - обрабатываемый (пахотный) горизонт почвы; 4 -внутренние горизонты почвы; 5 - атмосфера; б - органические и минеральные удобрения; гербециды, мульча, стеблевые остатки сорных и культурных растений; 7 - корневые остатки сорных и культурных растений; 8а, 86, 8в - соответственно корневая система, стебли (ткани) и верхняя часть сорных растений; 9а, 96 - масса почвы между формируемыми грядками; 10а, 106, 10в - соответственно корневая система, стебли (ткани) и верхняя часть сеянцев. По результатам моделирования производственных процессов и решения уравнений, содержащих безразмерные величины, были определены наиболее значимые условия выполнения технологических операций по РСТ в которые входили: минимум потерь массы вносимого вещества (материала) в атмосферу; равномерное распределение массы вносимого вещества (материала) по поверхности объекта; улучшение структуры и водно-воздушного режима почвы; исключение повреждения всходов и сеянцев при проведении всего комплекса агротехнических уходов, включая подрезку и выкопку сеянцев; обеспечение минимальных энергетических затрат на проведение всего

      комплекса работ при выращивании сеянцев.

      Для реализации РСТ были разработаны биотехнические устройства, обеспечивающие биоэкологические требования к производственным процессам. Защиту кедровых деревьев от повреждения обеспечивает захватное устройство по патенту РФ №2032309; механические отряхиватели, защищенные полезными моделями РФ № 1785, № 95107417 от 22.09.95 (положительное решение); обработку почвы по патенту РФ № 2004099; шасси транспортного средства для лесных питомников по патентам РФ № 2059472, № 2059479, а.с. № 1772036 (СССР), а.с. № 1898119 (СССР); полив и защита сеянцев от сорняков и энтомовредителсй по патенту РФ № 2006196; культиватор для ухода за лесными культурами по а.с. № 1002373 (СССР); устройства для подрезания корней с гибкими и вибрационными подрезающими ножами по а.с. № 1542481 (СССР), а.с. № 1542437 (СССР), а.с. № 1553020 (СССР); выкопку сеянцев обеспечивает комбинированное орудие но а.с. № 1012010 (СССР), а.с. № 1591825; работу универсальных и комбинированных орудий обеспечивает гидравлическая система по а.с. № 1643823, а.с. № 1236439 (СССР), а.с. № 1391518 (СССР).

      Глава 4. БИОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ

      Создание новой технологии и разработка средств механизации заготовки шишек и получения семенного ореха производилось путем построения биологической и физической моделей дерева кедра. На основе схемы взаимодействия, представленной на рис.2, была разработана теория ударных нагрузок на растущее дерево и определены основные параметры устройства для защиты коры от повреждений, защищенного патентом № 2032309 (РФ), а конструкция устройства для околота шишек, защищенная авторским свидетельством на полезную модель № 1785 (РФ). Для расчета параметров и системы "отряхиватель - дерево" использовалась модель дерева, приведенная на рис. 5.

      H - высота кедра, м;

      Нк - высота кроны, м;

      Дк - диаметр кроны, м;

      Но - расстояние от земли

      до центра тяжести, м;

      ВЗУ - верхнее захватное

      устройство;

      НЗУ - нижнее захватное

      устройство;

      ГМУ - гидромеханический

      ударник;

      С - стойка;

      Тті - трос натяжения;

      Пр - защитный слой резины;

      Пт - Защитный слой металла

      Рис. 5. Биологическая модель кедра

      По результатам теоретических исследований были получены расчетные формулы для определения: Ig - момента инерции дерева относительно оси, проходящей через его

      вершину, кг м (6830,2 < I_g < 65210,0); S - величины ударного импульса, Н с (637 < S < 1019); Р_м - силы удара механического бойка, Н (42467<Р_М< 67947); Р_г - силы удара гидромеханического бойка, Н (65057 < Р_г < 90537); n_m - толщины наружного металлического защитного хомута, мм

      (8<п_[П< 10); п_р - толщины внутреннего защитного слоя резины, мм (35 < п_р < 50).

      По результатам теоретических и экспериментальных исследований были определены основные параметры гидромеханического отряхивателя: длина установочного рычага - 1,7м; скорость бойка в

      момент удара по стволу - 4,2 м/с; угловая скорость - 2,47 с¹; длина цилиндра бойка - 1 м; наружный диаметр цилиндра бойка - 0,15 м; толщина стенки цилиндра - 0,004 м.

      Теоретическими предпосылками для разработки устройства для дробления кедровых шишек, очистки и калибровки семенного ореха явились исследования кедровых шишек в период разрушения, выхода ореха из разрушенной шишки и анализа остатков неразрушенной части шишек. На рис. 6 представлена эпюра подбарабанья, полученная по результатам теоретических расчетов и учитывающая особенности разрушения кедровых шишек.

      1. - зона загрузки;

         - зона первичного сжатия;

         - зона расширения;

         - зона вторичного сжатия

         Рис. 6. Схема дробления шишек кедра

         В первичной зоне сжатия (d_c = 90) происходит разрушение кедровой шишки, затем разрушенная шишка попадает в зону расширения (dp = 40), в которой осуществляется выход ореха и оставшаяся масса попадает в зону вторичного сжатия (d_h = 80), где происходит окончательное разрушение шишки и выход оставшегося ореха.

         Выполненный анализ тяговых средств по биотехническим требованиям и экологическим воздействиям на почву лесного питомника позволил определить базовую машину в виде самоходного шасси Т-16М с доработкой конструкции по патенту № 2059472 (РФ).

         Для определения основных параметров наиболее трудоемких РСТ по подрезке корней и выкопке сеянцев на самых тяжелых почвах был выполнен тяговый расчет новых орудий, защищенных а.с. 1591825 (СССР), а.с. 1674707 (СССР), а.с. 1761006 (СССР). Схема возникающих и действующих сил на новые устройства приведена на рис. 7.

         Рис.7. Схема действующих сил на универсальные устройства:

         Y_n> Y₃ - нормальная реакция почвы на передние и задние

         колеса, Н; Rx - горизонтальная составляющая реакцию почвы на рабочие

         органы орудия, Н; Ry - вертикальная составляющая реакцию почвы на рабочие

         органы орудия, Н; G_a - общая масса агрегата, кг; Cj,. масса навесного орудия, кг; С_ш - масса самоходного шасси, кг; Pf - сила сопротивления качения, Н; Рк - касательная сила тяги, кН; a, ajj, 1, L - расстояния действия сил, м

         Параметры тяговой характеристики для работы

         комбинированных орудий в лесном питомнике приведены в табл. 1.

         Таблица 1

         Тяговая характеристика универсального устройства

         Используя параметры тягового расчета при выполнении технологических операций в лесных питомниках, были разработаны основные требования к РСТ: потребляемая мощность, кВТ - не более 7,5; тяговое сцепление, кН - не более 5,54; рабочая скорость, 3-6 км/ч; дорожный просвет, м - не менее 0,2; глубина подрезки, м -0,08-0,15; глубина выкопки, м 0,2-0,25; глубина культивации, м - 0,05; ширина захвата при подрезке корней, м - 1,24 отклонение от заданной глубины подрезки корней и выкопки сеянцев, кг - не более 230; емкость баков для жидких препаратов, л не менее 500.

         Выбор типа рабочего органа для выполнения рабочих операций по внесению жидких препаратов в лесном питомнике по РСТ определялся по результатам теоретических и экспериментальных исследований, патент №2006196 (РФ) "Устройство для уничтожения сорняков".

         При внесении жидких препаратов (полив, обработка гербицидами, фунгицидами, подкормка) исходили из предпосылок о том, что рабочий орган - контактор наряду с продольным перемещением вместе с тракторным средством должен иметь поперечные колебания (рис. 8).

         5. - распределительный контактор;

            - фитили;

            - рама шасси;

            - шарнирные тяги;

            - ограничивающие пружины.

            Рис. 8. Схема установки контактора

            Для выбора рациональной компоновки колеблющейся части установки для внесения жидких препаратов в период агроуходов за сеянцами кедра были рассчитаны и получены графические зависимости между периодом свободных колебаний и циклической (круговой) частотоіі в записимости от расстояния расположения демпфорных пружин (рис. 9).

            s т ш ю а> п;

            S х

            х О

            ю о ев о

            п о

            о. ф

            Расстояние расположения демпферов, м

            
            -к—

            Рис.9. Зависимость периода колебаний от места размещения

            демпферов

            Составленные уравнения и их графическое представление позволили предложить для механизации работ при внесении жидких препаратов установки, которая позволила за счет взаимодействия колеблющихся фитилей с сеянцами кедра за один проход производить смачивание поверхности сорняков по всей поверхности.

            Методика расчета производительности культиватора, используемого для ухода за сеянцеми, разрабатывалась применительно к а.с. №1662373 (СССР) "Культиватор для ухода за лесными культурами". Используя результаты анализа почвенного состава лесных питомников Восточной Сибири, расчет параметров был выполнен применительно к горизонтальному ротору культиватора с Г-образными ножами. При высоте сеянцев 0,4 м угловой скорости ротора 21,6 с¹, и поступательной скорости самоходного шасси 1,67 м/с, частоты вращения ротора 3,33 с¹, длины дуги резания почвы 0,192 м, толщины почвенной стружки 0,11 м, угла резания в момент входа ножа в почву 17 мощность, потребляемая культиватором, равна 2,76 кВт.

            Методика расчета производительности корнеподрезчиков с пассивными и активными ножами для подрезания центрального корня и дисковых ножей для подрезки боковых корней базировалась на исследованиях механических свойств почв питомников Восточной Сибири.

            Учитывая специфику территориального размещения лесных питомников в Восточной Сибири на бывших вырубках или на площадях пройденных лесными пожарами, почвообрабатывающие орудия обеспечивались специальным устройством по а.с. 1665899 «Предохранительное устройство».

            Расчет производительности подрезающего ножа, совершающего плоско-параллельное движение, производили применительно к устройству, защищенному а.с. 3155302 (СССР) "Вибрационный подрезающий аппарат". Расчет производительности скобы проводили применительно к устройству, защищенному а.с. №1591825 (СССР) "Устройство для подрезки корней и выкопки сеянцев". Основные результаты тягового расчета представлены в табл.2.

            Таблица 2 Тяговое сопротивление орудий

            Выкопочное устройство с транспортером при равных условиях имеет тяговое сопротивление. в 1,3 раза выше, чем скоба, однако обеспечивает въткопку сеянцев с гряды за 1 проход, скоба - за 2 прохода, то есть при росте производительности труда в 2 раза энергетические затраты возрастают в 1,31 раза.

            Технология заготовки кедровых шишек предусматривает использование устройства, устанавливаемого на расстоянии 0,8 м от дерева, установку защитного хомута на высоте 1,7 - 1,9 м с резиновой прокладкой толщиной 0,40 м и нанесение ударов гидромеханическим бойком по защитному хомуту. После опадения шишек с дерева установка монтируется на другом дереве, а рабочие производят сбор шишек и доставку их на место дробления и сортировки на специальном устройстве. Калибровка и сортировка семенного ореха

            производится на три фракции: очень крупные и крупные орехи, средние орехи и мелкие, очень мелкие. Очень крупные и крупные орехи от плюсовых деревьев отбираются в семенной фонд, а средние и мелкие - на промышленную переработку. Трудоемкость выполнения технологических операций приведены в табл. 3.

            Таблица 3 Трудоемкость технологических операций заготовки семенного ореха

            ТТ - типовая технология; РСТ - ресурсосберегающая технология.

            Анализ трудоемкости рабочих операций по заготовке семенного ореха показал, что использование РСТ позволяет снизить трудоемкость обработки одного дерева на 19,31%, причем при экологии - на 7.93%, а при дроблении и калибровке - на 8,735.

            Новая технология выращивания сеянцев кедра базируется на основе биэкологических требований к выбору места под питомник, которые должны учитывать прежде всего климатические условия территории и степень соответствия их биологическим свойствам кедровых культур. Кроме того, территория питомника должна располагаться в пределах лесного пояса естественного произрастания кедра, что соответствует требованиям к температуре и влажности произрастания сеянцев. При этом участок питомника должен быть ровным или слабо покатым и иметь легко суглинистые и супесчаные хорошо дренированные почвы.

            Комплекс мероприятий по РСТ включает: подготовку территории под питомник, систему обработки почвы, севообороты , систему внесения удобрений, ухода за посевами с использованием серийно выпускаемых, опытных и экспериментальных машин и орудий, которые включали: трактор лесохозяйственный ЛХТ-4, подборщик - транспортировщик сучьев ППС-3,2, клин для расчистки

            Таблица 5

            Трудоемкость технологических операций для выращивания сеянцев

            кедра на 1 га

            Анализ трудоемкости выполнения рабочих операций по выращиванию сеянцев кедра по РСТ позволяет снизить время работы машин и орудий на 27,3% за счет использования единого тягового средства, трудоемкость ухода за сеянцами па 26,8% за счет использования комбинированных и универсальных орудий и обеспечивания возможности выполнения технологических операций за один проход.

            В комплексе агротехнических мероприятий по выращиванию сеянцев на основе РСТ входят меры по защите растений от неблагоприятных факторов или болезней:

            1) от выжимания - на тяжелых почвах посев семян проводят в
            повышенные гряды. На зиму однолетние сеянцы мульчируют
            опилками или торфом слоем не менее 4 см;

            2) от зимне-весеннего иссушения - необходимо проводить
            снегозадержание, расставляя щиты рядами через 5-10 м или размещая

            посевы между рядами саженцев. Однолетние сеянцы на зиму необходимо полностью закрывать опилками. После оттаивания почвы опилки удаляют в межленточное пространство;

            3. от выдувания и засекания - необходимо создавать сеть полезащитных полос. Можно создавать кулисы из сельскохозяйственных растений (в лесной зоне из люпина многолетнего, в лесостепной - из кукурузы, подсолнечника). Кулисы шириной 2-3,5 м размещают через 25-35 м, оставляя их на зиму для снегозадержания;

            4. от болезней и вредителей - для профилактики полегания сеянцев протравливают семена фунгицидами;

            5. от птиц - применяют отпугивающие и защитные средства. Обязательная сторожевая охрана;

            6. от грызунов - затравка питомника за неделю до посева кедра приманками (бактокумарин 0,2-2,0 кг препарата на 1 га или бактероденцид зерновой).

            Подрезка корней производится подвижным ножом, а выкопку
            сеянцев осуществляют специальной скобой. Выкопанный и
            отсортированный посадочный материал увязывают в пучки по 50-

            100 шт., корневую систему обмакивают в болтушку. Хранить сеянцы следует в снежных кучах, специальных хранилищах или в прикопке.