Операция посева - ключевой элемент создания технологий растениеводства шестого технологического уклада

Введение. Сельское хозяйство Российской Федерации поставлено в условия необходимости технологического рывка, который выражается в переходе от нынешних, преимущественно третьего и четвертого уровней, минуя пятый, сразу к шестому технологическому укладу. Современные технологии подошли к рубежу насыщения своей эффективности, что может рассматриваться как кризис методологии, когда все существующие меры и средства роста эффективности становятся неадекватными предпринимаемым усилиям. Шестой уровень технологического уклада в растениеводстве предусматривает создание таких технологий, которые в полной мере обеспечивают реализацию внутренних свойств объекта производства – потенциала продуктивности возделываемых растений. Это говорит о том, что действие всех средств обслуживания технологий должно быть направлено на создание условий, способствующих максимальной реализации потенциала урожайности сортов и гибридов сельскохозяйственных культур. Технические средства обеспечения технологий растениеводства данного уклада должны отвечать самым жестким технико-экономическим требованиям, параметры и режимы работы машинно-тракторных агрегатов должны быть оптимизированы по целому ряду показателей [1, 2].

При выборе параметров оптимизации посевных машин необходима оценка того или иного параметра с точки зрения его экономической эффективности. То есть помимо агротехнических показателей необходимо учитывать оптимальные габариты посевных машин, с учетом размеров полей, топливно-мощностных характеристик энергосредств. Немаловажными параметрами считаются скоростные режимы работы и эксплуатационная надежность МТА, металлоемкость и энергоемкость агрегата, а также прямые эксплуатационные затраты. Решение задачи оптимизации технико-экономических параметров посевных агрегатов сводится к компромиссному решению двух целевых функций по урожайности и затратам [3, 4].

Попытки частичного или временного улучшения устаревших технологий и техники за счет применения известных технологических и технических решений, используемых в других социальных и организационно-экономических условиях, являются псевдоинновационными. Такой подход принесет незначительный, временный эффект, но в итоге окажет тормозящее действие на развитие всей отрасли растениеводства РФ [5, 6, 7].

Современные пути развития техники и технологий растениеводства, как традиционный, так и «западнический», исчерпали свои возможности, они не содержат принципиальной новизны, необходимой для дальнейшего развития техники и технологий, а только повторяют известные методологические принципы. Кроме того, перенос модели растениеводства западных стран в условия хозяйствования РФ приведет только к росту цен на продукцию и последующему вырождению технологий из-за нехватки средств их обслуживания и отсутствия дотаций уровня западных стран. Данное направление следует считать паллиативным, временным.

Углубленное изучение содержания операции сева позволило вскрыть причины возникновения проблемы. Это противоречия между требованиями растений к условиям производства урожая и параметрами, режимами работы посевных машин.

Компромиссное решение целевых функций: поиск оптимального жизненного пространства растений, с одной стороны, и соответствующей реакции растений, с другой стороны, должно обеспечить условия для максимально возможной реализации потенциала урожайности культур. Таким образом, технологической операцией, ответственной за создание условий жизнедеятельности растений, является механизированный сев [8, 9, 10].

Инженерные специальности интересовались величиной междурядья только с точки зрения технологической надежности новой машины – прохождения сошников без забивания почвой или растительными остатками. Агрономическая наука принимает параметры посевных машин, созданных инженерами, в частности величину их междурядий, как традиционный, устоявшийся факт без критического анализа создаваемых растениям жизненных условий. Здесь возникает парадоксальная ситуация, когда признается наличие некоторой площади питания растений, но полностью отрицается форма этой площади [11].

Из сказанного следует вывод, что в большей или меньшей степени все рассматриваемые виды конструкций посевных машин создавались при стремлении к равенству интервалов между семенами или растениями и стремлении к технологической надежности. Такая постановка проблемы явилась основой методологии создания не только конструкций технологических машин, но и нормативных документов, стандартов испытаний, методик исследований, создания сортов и гибридов, то есть всего комплекса вопросов, связанных с высевом семян и построением растениеводческих технологий.

Рабочий процесс распределения семян по площади поля в продольном и поперечном направлениях может быть представлен как отношение двух систем с распределенными параметрами [11, 12] (двумерное распределение дискретной случайной величины).

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

где Q - норма высева семян;

q и b - интервалы между семенами в продольном и поперечном направлениях.

Управление процессами формирования качества размещения семян (растений) по площади поля предусматривает сравнение реализаций высева с вариантом их идеального исполнения, в качестве которого может быть представление размещения, когда на каждой удельной площадке расположено только одно растение (эталон для сравнения).

В качестве основных показателей качества размещения растений в исследовании принимался ряд критериев приближенности к варианту эталонного размещения: Д - размер удельной или элементарной площади питания; Н уд – удельная нагрузка (среднее число растений на одной занятой удельной площади питания); среднее фактическое з на чение площади питания одного растения – Δ (действительная средняя величина площади питания). Соответствие настроек машины на заданную норму высева и фактический высев оценивается коэффициентами возможного заполнения К в и фактического заполнения посевной площади К ф . Полнота использования посевной площади представлена коэффициентом использования площади поля К п . Тогда качество размещения растений по площади – это величина приближения характеристик и критериев размещения реального исполнения посева к эталону идеального распределения данной нормы высева семян.

Цель исследований – обоснование и экспериментальное доказательство перспектив повышения эффективности отрасли растениеводства через управление процессами реализации потенциала продуктивности зерновых колосовых и пропашных культур при их посеве усовершенствованными посевными машинами за счет формирования оптимальной для данной культуры величины и формы площади питания растений.

Методика исследований. Объектом исследований являлись технические средства и технологии посева зерновых колосовых (озимая пшеница) и пропашных (подсолнечник) культур. Полевые испытания проводили на полях Агро-технологического центра Азово-Черноморского инженерного института ФГБОУ ВО Донской ГАУ Зерноградского района Ростовской области по методике полевого опыта. При проведении полевого опыта и последующего анализа результатов применены ГОСТ 31345-2017 «Техника сельскохозяйственная. Сеялки тракторные. Методы испытаний», методика определения равномерности распределения растений (семян) по площади поля, частная методика определения качества равномерно распределенного по площади поля посева семян, частная методика определения параметров схем размещения семян и растений для случаев фиксированных величин междурядий. Для определения качества размещения растений использовали специально разработанное оборудование, отвечающее общим методическим требованиям к точ- ности проведения исследований, расчетное отклонение не превышало 3%.

Результаты исследований и их обсуждение. Обследования посевов озимой пшеницы, выполненных в хозяйственных условиях по разработанным методикам, показали следующие результаты (таблица 1). Снижение качества размещения растений, прежде всего, отражается на величине действительной площади питания одного растения и на рациональности использования всей площади поля. Действительная площадь питания растений при рядовом высеве сокращается в 3,22 раза, а коэффициент использования площади поля составляет всего 0,21 от эталонного значения.

Таблица 1 – Качество размещения растений озимой пшеницы по площади поля при посеве применяемыми сеялками и сеялками с экспериментальными сошниками для подпочвенно-разбросного сева

Table 1 – The quality of winter wheat plantsplacement over the field area when sowing with used seeders and seeders with experimental coulters for subsoil-spread sowing

Характеристика, показатель Characteristic, indicator	Применяемая сеялка, ширина междурядья Used seeder, row spacing
	СЗ-3,6, 15 см SM-3,6, 15 сm	СЗ-3,6, перекрестный посев SM-3,6, cross-sowing	СЗС-2,1, 22,8 см SM-2,1, 22,8 cm	СЗС-12Л, 22,8 см SMS-12L, 22,8 cm
Удельная площадь питания Δ , см2 Specific nutrition area Δ , cm2	25,0	25,0	25,0	25,0
Шаг высева δ , см Seeding step δ , cm	5,0	5,0	5,0	5,0
Норма высева, млн шт./га Seeding rate, mln units/ha	4,0	4,0	4,0	4,0
Коэффициент возможной заполненности Potential occupancy rate	1,21	1,15	1,13	1,21
Коэффициент фактической заполненности Potential occupancy rate	0,375	0,708	0,250	0,625
Удельная нагрузка Specific load	3,22	1,15	4,5	1,93
Коэффициент использования площади поля Field area utilization rate	0,21	0,44	0,06	0,33
Действительная площадь питания, Δ , см2 Valid nutrition area, Δ , cm2	7,76	21,74	5,56	12,95

Увеличение междурядья при высеве одинаковых норм снижает качество размещения в квадратичной зависимости. Так, при посеве сеялкой СЗС-2,1, имеющей междурядье 22,8 см, коэффициент Кп снижается в 3,5 раза от значения при междурядьи 15 см, а действительная площадь питания снижается в 1,4 раза. Можно утверждать, что увеличение междурядья при сохранении хозяйственной нормы высева резко снижает качество распределения растений.

Виды посевов с лучшими показателями качества – перекрестный посев сеялкой СЗ-3,6 и ленточный посев сеялкой-культиватором СЗС-12Л имеют те недостатки, что требуются двойные затраты на выполнение перекрестного посева, а стерневая сеялка может показать удовлетворительный результат только на малых рабочих скоростях.

На рисунке 1 приведен общий вид растений озимой пшеницы из рядкового посева и по- сева, выполненного подпочвенно-разбросным способом. Внешний вид растений наглядно показывает разницу их развития от создаваемых условий размещения.

Рисунок 1 – Общий вид растений озимой пшеницы. Слева – из массива, сформированного при посеве экспериментальными сошниками для подпочвенно-разбросного сева.

Справа – из массива, сформированного при высеве сеялкой СЗ-3,6 (рисунки взяты из рекламного проспекта фирмы «Агротехник», www.

Figure 1 – General view of winter wheat plants. Left plants from the massif formed during sowing with experimental openers for subsoil-spread sowing. On the right – from the massif formed during sowing with the SM-3,6 seeder (figures are taken from the «Agrotechnik» advertising brochure,

Проведенные экспериментальные исследования с растениями подсолнечника дали следующие результаты (таблица 2).

Таблица 2 – Качество размещения растений трех сортов подсолнечника по площади поля при посеве по традиционной (ширина междурядий 70 см) и усовершенствованной (ширина междурядий 45 см) технологиям посева (средние значения за три года)

Table 2 – The quality of the placement of plants of three sunflower varieties over the field area when sowing according to traditional (row spacing 70 cm) and improved (row spacing 45 cm) sowing technologies (average values over three years)

Показатели Indicators	Казачий Kazachiy		Лакомка Lakomka		Азовский Azovskiy
	70 см 70 cm	45 см 45 cm	70 см 70 cm	45 см 45 cm	70 см 70 cm	45 см 45 cm
Норма высева, шт./га Seeding rate, units/ha	33930	33875	25937	28106	33081	34604
Удельная площадь питания, Δ, см2 Specific feeding area, Δ, cm2	2947	2952	3856	3558	3023	2890
Действительная средняя пло щ адь питания, Δ ср , см2 Actual average feeding area, Δ ср , cm2	2032	2523	2623	3177	1976	2604
Удельная нагрузка N уд , шт. Specific load N уд , units	1,45	1,17	1,47	1,12	1,53	1,11
Коэффициент использования площади поля, К п Field area utilization rate, К п	0,47	0,74	0,48	0,75	0,44	0,74

Для нормы высева 50 тыс. шт./га исследуемого посева подсолнечника шаг высева в модели идеального размещения получен "J2000 см2 = 44,7 см2 (будем считать равным 45 см). В этом случае, характеристики размещения растений подсолнечника в посеве с междурядьем 45 см будут приближаться к величинам эталонных значений. Контролем служил посев того же гибрида с междурядьем 70 см. Качество размещения растений при посеве переоборудованной серийной сеялкой МС-12 с междурядьем 45 см было стабильно лучше. Получены следующие характеристики размещения: коэффициент использования площади поля Кп = 0,63; доступность жизненного простран- ства 85,5% (Δi = 1695 см2, Δ = 1449 см2); удельная нагрузка на одну занятую площадь питания 1,17 шт. Качество размещения растений в опытах было наиболее низким в варианте с междурядьями 70 см. Растения в рядке были загущены, удельная нагрузка составила 1,76 растения на одну занятую площадь питания, доступность жизненного пространства каждого растения составила 56,7% (Δi = 1408 см2, Δ = 800 см2); наблюдались пропуски растений в ряду. В целом рациональность размещения растений варианта 70 см была низкой Кп= 0,28.

Внешний вид посевов подсолнечника с междурядьями 45 см и 70 см представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 – Внешний вид посевов подсолнечника, выполненных а – сеялкой с междурядьем 70 см при норме высева 63,0 тыс.шт./га; б – в варианте опыта с междурядьями 45 см при норме высева 59,3 тыс. шт./га

Figure 2 – External view of sunflower crops made: a – a seeder with a row spacing of 70 cm at a seeding rate of 63,0 thousand pieces / ha; б – a variant of the experiment with a row spacing of 45 cm at a seeding rate of 59,3 thousand pieces / ha

Растения в экспериментальном посеве равномерно распределены по площади поля и имеют одинаковую высоту.

Реакция растений на отличия в размещении отразилась на урожайности всех изученных сортов подсолнечника (таблица 3).

Прибавка урожайности колебалась в широких пределах (от 10 до 61%), отмечено, что чем лучше условия года, тем выше прибавка. Растения в варианте 45 см имели меньшую высоту, большее число листьев, причем площадь листьев соответствующего яруса была больше. Изменившиеся условия инсоляции посева привели к изменению проективного расположения листьев на стеблях растений – черешки листьев стали меньше, изменился угол отклонения от стебля. Листья приняли такое расположение, что освещенность в этом посеве на уровне почвы в фазу бутонизации как в ряду, так и в междурядье была практически одинакова.

Динамика накопления абсолютно сухой массы растений также разнилась: в варианте опыта с междурядьем 70 см до фазы цветения масса органов растений увеличивалась, а от фазы цветения увеличивалась только масса корзинки, масса других органов уменьшалась, растения расходовали запасенные ассимиляты на налив семян. К моменту созревания урожая растения этого варианта в большинстве своем засыхали, теряли листья.

Таблица 3 – Влияние формы площади питания растений на урожайность подсолнечника трёх сортов

Table 3 – Influence of the shape of plant nutrition area on the yield of three varieties of sunflower

Сорт Variety	Ширина м/р, см Width, m/r, cm	Годы Years
		2009		2010		2012
		Урожайность, ц/га Productivity, c/ha	% от контроля % of control	Урожайность, ц/га Productivity, c/ha	% от контроля % of control	Урожайность, ц/га Productivity, c/ha	% от контроля % of control
Лакомка Lakomka	70	21	100	24	100	14	100
	45	23	109,5	29	121,0	22	157,1
Казачий Kazachiy	70	16	100	18	100	17	100
	45	17	106,3	19	105,6	22	129,4
Азовский Azovskiy	70	20	100	23	100	13	100
	45	22	110,0	27	117,4	21	161,5
НСР 05А	–	2,46	–	1,81	–	2,36	–
НСР 05В	–	2,01	–	1,48	–	1,13	–

В варианте опыта 45 см растения накапливали сухую массу органов до созревания урожая, листья оставались зелеными, производя ассимиляты, которые также шли на налив семян, увеличивая массу корзинки. Проведенные эксперименты показали принципиальную возможность управления процессами реализации потенциала продуктивности через влияние на механизмы донорно-акцепторных между генеративными и репродуктивными органами растений заданием соответствующих параметров и режимов работы посевной машины. Это позволяет сформулировать новую парадигму операции посева: «Операция посева, выполняемая средствами механизации или вручную – это размещение семян по площади пашни на установленную глубину с учетом предоставления растениям близким к оптимальным жизненным условиям, отвечающих требованиям к формированию максимальной полезной продуктивности всего агрофитоценоза».

В предлагаемой формулировке содержится понятие оптимальных жизненных условий, которыми мы считаем величину и форму площади питания, объем почвенного слоя с влагой и питательными веществами, объём воздуха и долю фотосинтетически активной радиации (ФАР), необходимых растению для производства максимального полезного урожая.

Выводы. Таким образом, методология растениеводства шестого уклада, как способа решения технико-технологических и организационно-экономических задач, будет иметь отличи- тельную особенность конструкций посевных машин, направленную на учет биологических особенностей растений и обеспечение требуемых условий для максимально возможной реализации урожайности возделываемых культур.

Эффективность такого подхода очевидна, так, например, только за счет перехода от рядового способа посева зерновых колосовых культур к перекрестному коэффициент использования площади поля возрастает более чем в два раза (с 0,21 до 0,44), что, в свою очередь, улучшает условия для жизнедеятельности агрофитоценоза, хотя возможности для их улучшения не исчерпаны. Урожайность таких посевов на 20–30% выше, чем при рядковых схемах размещения семян. При посеве подсолнечника с междурядьем 45 см коэффициент использования площади поля также возрастает более чем в два раза (с 0,28 до 0,63) по сравнению с посевом подсолнечника с междурядьем 70 см. Прибавка урожая колебалась в широких пределах (от 10 до 61%).