Качество размещения высеваемых семян по площади поля. Часть 1. Постановка задачи

Введение. Назначение посевных машин в технологиях растениеводства – это размещение семян растений по площади поля при стабильной глубине их заделки. Разнообразие конструктивнотехнологических схем посевных машин и их рабочих органов обусловлено необходимостью предоставить растениям оптимальное жизненное пространство для обеспечения возможности производить урожай [1].

Конструктивно посевные машины строятся так, что семена высеваются в рядки, образуемые рабочими органами – сошниками. Густоту стояния растений, требуемую задаваемой нормой высева, в конечном итоге, изменяют величиной интервала между семенами в ряду. Изменение величины междурядий посевных машин не предусматривается, поэтому точность высева и равномерность распределения выродились до понимания равенства интервалов между высеянными семенами в засеваемом ряду.

По этой причине сопоставление интервалов становится главным признаком равномерности распределения семян и влияет на теоретический и практический подход к созданию и эксплуатации машинно-тракторных посевных агрегатов [2].

Следует заметить, что такой подход не может отвечать требованиям к оценке качества распределения семян по площади, так как является оценкой линейной величины, в то время как требуется оценка распределения в двумерном пространстве. Возникающее противоречие не позволяет единообразно оценивать и сравнивать работу сеялок, что значительно затрудняет выбор схемы построения и типажа рабочих органов создаваемых посевных машин. Величины междурядий назначаются либо по традиционным примерам, связанным, в основном с требованиями технологической надежности машин, либо с учетом размещения рабочих органов на раме сеялки. Данный подход к построению конструктивно-технологических схем машин не позволяет рассчитать и выбрать оптимальное расположение рабочих органов, а форма площади питания и жизненное пространство возделываемых растений зачастую получаются далекими от значений, необходимых для получения максимального урожая. По этой причине урожайность возделываемых растений не превышает 30–40% от их возможной продуктивности. Это означает, что применяемые технологии растениеводства находятся на рубеже эффективности.

Из литературных источников и практического опыта известно огромное количество примеров реакции растений на изменение пространственных условий произрастания. К таким примерам можно отнести увеличение урожайности при перекрестном посеве, эффект развития растений «крайнего ряда», изменение габитуса одиноко растущих растений, ре- зультат превышения оптимального количества растений на засеваемой площади и множество других фактов, известных из практики. Обращают на себя внимание попытки найти оптимальное размещение семян и последующих из них растений, выраженные в большом количестве различных «способов высева» [3], разнообразии междурядий и попыток создания других различных схем взаимного размещения растений. Очень часто встречаются определения видов размещений семян или последующих из них растений, являющихся визуальной характеристикой, не связанной с параметрическими данными о размещении – сплошной, широколенточный, строчный [4], многострочный, двухстрочный, узкорядный и т.д. [5, 7, 8–14]. Возникает смысловая путаница, когда одним термином обозначены различные варианты размещений.

ГОСТ 16265-89, регламентирующий применение терминологии, касающейся посева и посадки, содержит 21 формулировку видов посевов. Это говорит о том, что к вопросу об оптимальном размещении растений по засеваемой площади уделяется немало внимания, но теоретического, обобщающего подхода к проблеме оценки качества распределения семян или растений нет, осуществляется подход только на основе практического опыта. Несмотря на огромный объем информации о результатах изменения условий размещения растений на площади поля, попытки каким-либо образом объяснить, систематизировать, найти общее в условиях размещения растений по площади, сводятся к разработке ряда частных методик, относящихся к конкретным случаям. Обобщающего понятия качества размещения растений по площади поля не предложено. Основным следствием отсутствия такого предложения является то, что процессы размеще- ния семян по площади с помощью посевных машин не имеют четких технических требований к их выполнению, а сами машины не имеют базы для соответствующих конструктивно-технологических решений, связывающих потребности растений в жизненном пространстве с конструкциями машин. Из этого можно заключить, что разработка методов оценки качества распределения семян по площади поля посевными машинами окажет значительное влияние на развитие конструкций посевных машин, отвечающих требованиям растений к условиям производства максимального урожая в конкретных погодных и климатических условиях [15].

Материалы и методы исследования. Выполняемые при высеве распределения семян всегда будут иметь индивидуальные характеристики. Для решения задачи выбора оценок распределения семян (растений) необходимо учесть следующие предпосылки:

• 1.    Разрабатываемый метод должен отвечать требованиям всеобщности его применения. Метод должен обеспечить возможность получения параметров и характеристик посевов независимо от нормы высева, применяемых рабочих органов или способов размещения семян сеялками, при этом важнейшей задачей является обеспечение сравнимости полученных параметров и характеристик. Заметим, что для данной цели применение вероятностных методов не всегда может быть корректным. При изменении условий эксперимента (количества вариант, величин интервалов, нормы высева, других не контролируемых и не зависимых факторов) результаты экспериментов становятся несравнимыми. В вероятностном плане можно говорить только о сравнении некоторой совокупности близко расположенных точек оценки, что тре-

• бует очень жесткого, не всегда выполнимого подхода к выполнению экспериментальных исследований и сравнения результатов экспериментов. При этом каждый опыт должен рассматриваться как строго индивидуальный (частный случай), представляющий собой точечную оценку (единственную точку на кривой дисперсии). Следует применять статистические методы расчета и оценки показателей.

• 2.    Так как нормы высева различных культур, высеваемых сеялками одного типа, могут отличаться в десятки раз и по этой причине возникает необходимость приведения всего многообразия посевов к «единому знаменателю», то следует обеспечить возможность такого масштабирования данных эксперимента, при котором количество растений на единице площади не влияет на величины относительных показателей, характеристик или параметров. Как правило, для обеспечения пропорциональности между отображениями различных распределений должны применяться категории «меры» и « эталона».

• 3.    «Качество» является результатом сравнения полученных показателей, характеристик или параметров реальных распределений семян с эталонным распределением.

Результаты исследования и их обсуждение. Рабочий процесс высева и размещения семян посевными машинами любого типа организован так, что семена должны размещаться по площади в двух направлениях – в продольном и поперечном [1].

N = f (Q)/U (q, b), (1)

где Q - количество семян, высеваемых на единицу площади;

q и b – расстояния между семенами во взаимно перпендикулярных направлениях.

Таким образом, ставится задача получить совокупность оценочных показателей взаимного расположения семян в двумерном пространстве относительно друг друга, достаточно полно характеризующих качество распределения семян или последующих растений. Решение задачи должно исходить из того положения, когда необходимо обеспечить возможность выполнить оценку различных размещений независимо от величины нормы высева семян. По нашему мнению, в качестве такой меры может быть выбрана «удельная площадь питания» , представляющая собой осредненную площадь, предоставляемую в результате высева семян посевной машиной одному растению:

Δ i = S/Q,              (2)

где Δ i – осредненная величина удельной площади питания;

S – засеваемая единица площади.

Полученное значение индивидуальной площади питания зависит от нормы высева и складывающихся почвенно-климатических особенностей становления посева. Введение такой меры предусматривает размещение семян в двух взаимно перпендикулярных направлениях, из чего следует, что формой удельной площади питания следует считать квадрат (это не означает, что квадрат является идеальной конфигурацией площади питания). Распределение семян должно выполняться в продольном и поперечном направлениях с одинаковым шагом размещения:

δ= Δ i .               (3)

В этом месте следует рассмотреть важное допущение. Упорядоченное расположение удельных площадей питания будет представлять собой некоторый участок засеянной площади, разделенной на элементарные участки, соответствующие удельным площадям питания по величине, на каждой площадке будет располагаться только одно семя или растение. Такое распределение всей совокупности семян в рассматриваемом представлении можно считать идеально равномерным (уточним, что более равномерным распределением будет гексагональное распределение – по углам равносторонних треугольников, сочетаемых в шестигранники, т.е. вариант распределения, когда до каждых соседних семян будет одинаковое расстояние).

Сделанное допущение позволяет выработать представление об эталоне распределения каждой конкретной нормы высева, как о «распределении «по квадратам»: разделенная на элементарные площадки питания, которые содержат только одно растение, и структурированная таким образом площадь поля будет представлять собой эталон распределения конкретной нормы высева, учитывающий индивидуальность каждого посева. Величины удельных площадей питания и шага высева зависят от нормы высева и являются индивидуальными показателями каждого посева. Допущения, сделанные в данной предпосылке, позволяют предложить формулировку идеального размещения растений: идеальное размещение растений – это такое их взаимное расположение на площади поля, когда на одну удельную площадь питания приходится только одно растение, располагаемое в центре этой элементарной площадки. Такая формулировка идеального размещения позволяет отобразить размещение растений на рисунке, даже не соблюдая его масштаба, и дает возможность выполнить табличную запись раз- мещения растений на фрагменте площади поля, как показано на рисунке 1. Запись числа растений на фрагменте структурированной площади будет пред-

ставлять собой таблицу E(mxn), каждый элемент которой равен единице, и отображать рассматриваемый случай идеального размещения.

Рисунок 1 – Пример записи таблицы идеального размещения растений (эталона распределения нормы высева) m – количество строк;

n – количество столбцов

Figure 1 – Example of recording the ideal plant placement table (standard of seeding rate distribution)

m – number of rows;

n – number of columns

Следующей частью постановки задачи расчета показателей качества распределения является вариант получения данных оценки. Основой оценки качества следует сравнение расчетного варианта идеального размещения нормы высева с вариантом полученного распределения. Такая оценка будет опираться на опосредованные данные, выполненные по единому образу и, следовательно, будет позволять сравнение различных вариантов распределений вне зависимости от количества высеянных семян или полученных всходов растений.

Реальный посев будет характеризоваться некоторым взаимным расположением семян на площади поля, создаваемым посевной машиной – схемой посева. Для установления отличий реального посева от эталона необходимо воссоздать отображение размещения растений при данной норме высева в виде некоторой сетки эталонного размещения, наложенной на реальный посев. Участок площади поля требуется разбить на элементарные участки, размеры которых соответствуют расчетным значениям удельной площади А и шагу высева 5. Для сравнения эталона с реальным посевом следует выполнить запись числа растений в каждой ячейке сетки, соблюдая порядок взаимного расположения удельных площадей. Ячейки таблицы записи числа растений должны быть координированы, т.е. иметь свое определенное место по столбцам и строкам. В каждом элементарном участке будет содержаться некоторое количество растений. В результате табличной записи числа растений в каждой ячейке получим таблицу размером mxn, каждая ячейка которой будет содержать некоторое число, соответствующее количеству растений в ячейке координатной сетки. Такая таблица отображения реального распределения растений на участке поля по ячейкам сетки A(mxn) будет представлять собой «оцифрованное» или параметрическое отображение взаимного расположения растений на фрагменте поля, такого же размера, что и эталон. Поскольку с помощью такой таблицы осуществляется связь между реальным размещением растений и отвлеченным его отображением, то такая таблица может быть названа коммутативной таблицей. На рисунке 2 представлен пример табличной записи числа растений (коммутативной таблицы), который может быть получен в реальном посеве.

Рисунок 2 – Пример записи числа растений Figure 2 – Example of recording the number of plants

Данное действие позволяет представить безразмерные сравниваемые величины в едином масштабе. Представленный метод позволяет сравнивать размещение растений различными машинами, с различными нормами высева в зависимости от требований культур к величине и форме площади питания.

Сделанные допущения и следствия из допущений.

• 1.    Рассматривается только положение всхожих семян. При этом допущении положение семени и положение растения равнозначны. Высев невсхожего семени при однозерновом посеве должен учитываться как ошибка.

• 2.    Размер удельной (элементарной) площади питания является оптимальной величиной жизненного пространства для единицы агрофитоценоза – одного растения.

• 3.    Форма элементарной площади питания принимается в конфигурации квадрата.

• 4.    Засеянная площадь представляется как некоторый участок, разделенный на элементарные площадки питания. Взаимное размещение растений на таком участке – «распределение «по квадратам».

• 5.    Разделенная на элементарные площадки питания часть площади поля, когда каждая элементарная площадка имеет только одно растение, считается

• 6.    Последовательная табличная запись числа растений, содержащихся в элементарных площадках какого-либо участка поля и выполненная в соответствии с номером ячейки таблицы, есть параметрическое отображение расположения растений на данном фрагменте посева.

• 7.    Коммутативной таблицей будем называть запись числа растений в элементарных площадках фрагмента посева, выполненного каким-либо образом.

• 8.    На данном этапе решается задача о качестве размещения растений, которое является суммой многомерного процесса реализаций множества функций.

эталоном с идеальным размещением растений. Эталон создается для каждой конкретной нормы высева, служит для сравнения реального размещения растений.

Выводы

• 1.    Главным препятствием к дальнейшему развитию конструкций посевных машин и увеличению степени освоения потенциала урожайности возделываемых культур является вырождение теоретического подхода, рассматривающего равномерность размещения семян по площади как равенство интервалов между семенами в засеваемом рядке без учета величин междурядий.

• 2.    Основными предпосылками к созданию метода оценки равномерности размещения растений являются:

• – рассмотрение процесса размещения растений по площади пашни как взаимодействие двух систем с распределенными параметрами и рассмотрение полученных распределений совокупности высеянных семян как распределение дискретной величины в двумерном пространстве;

  – необходимость разработки категорий « мера » и « эталон» ;

  – при последующей разработке эмпирического метода оценки качества распределения семян или растений следует предложить и обосновать показатели сравнения и отличия реального распределения от эталона.

• 3.    Применение разработанного эмпирического метода позволит найти пути создания новых посевных машин и новых инновационных технологий растениеводства, позволяющие преодолеть барьер реализации уровня продуктивности возделываемых растений с нынешних 35–40% до 60–70%.