Информация применительно к задаче моделирования параметров агротехнологических операций

Технологические операции - это часть технологического процесса обработки почвы. Обработка почвы - одна из важнейших составных частей системы земледелия, которая во многом определяет уровень урожайности сельскохозяйственных культур, сохранение и восстановление плодородия почв, экологическую ситуацию территории.

Эффективность деятельности агарного предприятия напрямую зависит от качества полевых работ. Отсутствие должной оперативности и запаздывание в подготовке и проведении сельскохозяйственных работ – серьезный недостаток организации производства на предприятии растениеводческой отрасли.

Важными агромероприятиями в значительной степени определяющими величину урожая являются определение сроков, способов и норм высева сельскохозяйственных культур.

Огромная территория Иркутской области, резко континентальный климат с зональными особенностями, наличие поздних весенних и ранних осенних заморозков, а также частые весенние засухи, — всё это требует тщательного планирования агротехники весеннего сева.

Определение обоснованных, с точки зрения оптимального прорастания культуры и получения высокого и качественного урожая, сроков технологических операций является важной проблемой при составлении технологических карт растениеводства. При этом важно не только определить критерии оптимальности, при достижении которых необходимо осуществлять ту или иную операцию. Имеет значение возможность прогнозирования времени наступления условий, удовлетворяющих таким критериям, то есть заблаговременное определение рекомендуемой даты выполнения операций [25].

В таблице 1.3 приведен примерный список агротехнологических операций и рекомендаций по срокам их выполнения.

Таблица 1.3 - Примерный список работ по технологической карте при возделывании яровой пшеницы и рекомендации по срокам их выполнения

Согласно этой таблице все сроки технологических операций можно привязать к датам следующих работ: закрытие влаги, посев и уборка (рисунок 1.4).

Закрытие влаги Посев Уборка

Рисунок 1.4 – Основные технологические операции по номерам на оси времени

Закрытие влаги производится весной после таяния снега, когда отсутствует грязь и физически возможно передвижение техники по полю (физическая спелость почвы). При этой операции разрушаются капилляры на поверхности почвы, по которым влага интенсивно испаряется, что способствует её сохранению для прорастания семян после посева [95].

Посев культур осуществляется, когда почва соответствует некоторым агроклиматическим параметрам. В зависимости от культуры и климатических условий территории они могут различаться.

Операции культивация, внесение удобрений, прикатывание, боронование и обработка ядохимикатами, связаны со сроками посевов.

Уборка сельскохозяйственной культуры осуществляется при достижении полной спелости (прямое комбайнирование). Одним из численных показателей спелости служит влажность зерна, которая не должна превышать 20% [85].

Интерес вызывает возможность прогнозирования рекомендуемых дат основных операций: закрытие влаги, посев и уборка. По этим датам можно рассчитать время осуществления остальных операций.

Оценка физической спелости почвы, при достижении которой производится закрытие влаги, весьма субъективна. Определенных численных показателей характеризующих спелость не существует. Поэтому прогнозирование дат закрытия влаги затруднительно.

Для получения высокого урожая зерна пшеницы хорошего качества большое значение имеют сроки уборки. При определении сроков уборки необходимо учитывать сортовые особенности накопления сухих веществ по фазам налива зерна.

Эксперты различают несколько способов определения сроков уборки, из которых наибольшее распространение получил визуальный: по состоянию посевов, окраске соломины, верхнего междоузлия, окраске и консистенции зерна. Но визуальный способ может привести к ошибке на 2-3 дня. В производстве более удобным и надежным является эозиновый метод [77].

Оптимальное сочетание всех показателей качества пшеницы наблюдается между серединой и концом восковой спелости, при влажности зерна 30…20%, в зависимости от сорта и технологии уборки.

Сроки уборки также зависят от даты посевных работ и продолжительности вегетационного периода сельскохозяйственной культуры, с которой связана скороспелость сорта. Для оценки приблизительных сроков уборочных работ необходимо к дате начала посева прибавить продолжительность вегетационного периода (для скороспелых – 75-80, среднеспелых – 90-100 и позднеспелых – 120-130 дней).

В таблице 1.4 приведены средние продолжительности вегетационного периода p_i зерновых культур Иркутской области по разным сортам.

Таблица 1.4 – Средние продолжительности вегетационного периода зерновых культур Иркутской области по сортам

При выборе рекомендуемых сроков посева учитывают следующие основные критерии, значения которых изменяется по зонам:

— общую длительность вегетационного периода культуры и совмещение ее с продолжительностью периода вегетации в зоне;

— требования сельскохозяйственных культур к температуре почвы в период прорастания и формирования всходов;

— требования сельскохозяйственных культур к потреблению влаги для формирования сельскохозяйственной продукции.

Каждая сельскохозяйственная культура имеет свои требования к теплу и увлажнению, необходимые для ее выращивания. В разные периоды вегетации требования к температуре и влажности почвы различны. Особое значение имеет температурный режим на начальных стадиях развития культур - в период прорастания семян. В таблице 1.5 приведены минимальные температуры почвы, необходимые для прорастания и оптимальные температуры для появления всходов для различных культур.

Таблица 1.5 – Минимальные и оптимальные температуры прорастания семян различных культур

Сроки посевов определяются исходя из оптимальной температуры появления всходов и агроклиматических условий территории возделывания. Обычно в практике посев сельскохозяйственных культур начинают, когда почва становится физически спелой, а температура на глубине заделки семян устанавливается в пределах от температуры на 2-3°С выше минимальной температуры, необходимой для прорастания до оптимальной температуры появления всходов. Эта температура прогрева почвы t_d, при достижении которой осуществляется посев, меняется в зависимости от климатической зоны возделывания. Поэтому рекомендуемый срок сева каждой культуры для различных районов устанавливается опытным путем.

Для зерновых культур, возделываемых на территории Иркутской области, значение t_d колеблется от 6 до 12°C, в зависимости от климатической зоны [11].

Продолжительность периода, благоприятного для вегетации сельскохозяйственных культур, для разных зон области неодинакова. Очевидно, что на территории с более высокими средними температурами дата прогрева почвы до температуры, благоприятной для формирования всходов, будет более ранней, чем на территории с более низкими температурами. С другой стороны, продолжительность вегетационного периода сельскохозяйственных культур одного сорта примерно одинакова для всей территории Иркутской области. Поэтому для южных районов региона, с более теплым климатом, в качестве рекомендуемой даты посева (обозначим как T_i, где i – год)используется в основном дата прогрева почвы до 10-12ºС, а в северных – дата прогрева до 6-8ºС [25].

Даты начала внесения удобрений и культивации совпадают с датой посева, так как они осуществляются либо одновременно с ним (в первом случае), либо непосредственно перед ним (во втором случае).

Дата начала операции прикатывания устанавливается на 1-2 дня позже даты посева, а дата боронования до всходов - на 3-5 дней позже её.

Таким образом, среди всех дат технологических операций количественным критерием (прогрев почвы до определенной температуры t_d) обладают только даты начала посева.

В связи с значительной изменчивостью природно-климатических условий Иркутской области интерес вызывает возможность заблаговременного определения рекомендуемой даты посева T_i с помощью моделей зависимости относительных дат прогрева почвы от агроклиматических факторов, общий вид которых описан в разделе 1.2.

При исследовании изменчивости рекомендуемой даты посева зерновых культур в качестве результативного признака применялась относительная дата прогрева почвы на глубине заделки семян до некоторой температуры t_d.

Для всестороннего анализа зависимости результативного признака и факторов необходимы данные пунктов наблюдений с разными природно-климатическими зонами и развитым зерновым производством.

Сельскохозяйственные угодья Иркутской области расположены в трех природно-географических зонах: подтаежно-таежной, лесостепной и степной. Внутри зон по комплексу подзональных признаков и особенностям почвенно-климатических условий выделено 8 агроландшафтных районов [85].

В качестве исходных данных для реализации сформулированной в разделе 1.2 задачи прогнозирования сроков посева использованы агрометеорологические сведения трех пунктов наблюдений региона, находящихся в разных агроландшафтных районах: юго-восточном лесостепном (г. Иркутск, г. Усолье-Сибирское) и центральном лесостепном (г. Тулун).

Юго-восточный лесостепной район является самым благоприятным районом региона для возделывания зерновых культур по комплексу гидротермических и почвенных условий.

Центральный лесостепной район является умеренно-теплым и умеренно-влажным. Природные условия способствуют производству зерновых культур [85].

Для исследования влияния агроклиматических факторов на рекомендуемые даты посева использовались следующие данные по выбранным пунктам наблюдений за 1987-2012 гг.:

- даты прогрева почвы на глубине 5 и 10 см до температуры 6, 8, 10 и 12ºC;

- средние, минимальные и максимальные суточные температуры воздуха за весенний период (апрель - май);

- температура почвы на глубине 5 и 10 см за весенний период;

- суточные осадки за весенний период;

- даты перехода среднесуточной температуры воздуха через 0ºC;

- даты начала безморозного периода;

- продолжительность безморозного периода;

- урожайность зерновых культур.

Рекомендуемые даты посева для данных пунктов за многолетний период колеблются в значительной степени.

В связи с отсутствием данных о температуре почвы на глубине 5 см за некоторые годы, актуальной является задача восстановления этих значений. Предложено восстанавливать их двумя способами: по пунктам-аналогам и данным о температуре воздуха за параллельные периоды.

Так как прогрев почвы на территории возделывания каждый год происходит по-разному, предложено рассматривать два варианта прогрева: устойчивый и с резкими колебаниями. При этом для каждого случая предусмотрены соответствующие модели расчета даты посева. Такой подход позволил улучшить качество прогнозирования для модели описывающей устойчивый прогрев.

Для решения задачи оптимизации структуры посевов с учетом своевременности посева необходимы следующие данные по сельскохозяйственному предприятию:

- список культур (и их групп) планируемых для возделывания;

- удельные трудовые и материальные затраты на возделывание 1 га каждой из культур по группам операций (посевные, уход за посевами, уборочные);

- минимальное необходимое количество продукции каждой из культур;

- максимальное количество трудовых и материальных ресурсов отведенных на каждую группу операций.

При решении задач оптимизации структуры производства сельскохозяйственной продукции, описанных в разделе 1.2, дополнительно необходимы значения коэффициентов влияния сроков посева на различные параметры производства: урожайность, материальные и трудовые затраты, для задачи с детерминированными параметрами, а также их верхние и нижние границы, для задачи с интервальными оценками. Предлагается в качестве таковых использовать экспертные оценки, осуществленные агрономом или группой агрономов.