Полосовая обработка почвы: энтропийная оптимизация и интеграция в природный ресурсооборот для устойчивого земледелия

Введение . Земли сельскохозяйственного назначения являются основным природным ресурсом Российской Федерации, ценность которых, как главного средства сельскохозяйственного производства определяется их плодородием. Эти земли выполняют ключевую роль в аграрном производстве, обладают специфическим правовым статусом и находятся под особой защитой государства. Основные задачи такой охраны – сохранение площадей сельхозугодий, минимизация деградационных процессов и улучшение качества почв. По данным на начало 2024 года, общая площадь земель сельскохозяйственного назначения в России достигла 374,97 млн га. Однако за предыдущий год их размер сократился на 4,17 млн га, что отражает общую динамику изменения структуры земельного фонда страны [1].

Для устойчивого развития АПК критически важно своевременно выявлять деградационные процессы, проводить мониторинг плодородия и принимать научно обоснованные решения. Точные данные о состоянии почв позволяют оптимизировать землепользование, сочетая интенсивное производство с экологической безопасностью. Так специалистами ФГБУ «Россельхозземмониторинг» в 2023 году проведено обследование более 7,3 млн. га площади земель сельскохозяйственного назначения во всех федеральных округах (Рис. 1.), с выявлением негативных почвенных процессов, связанных с трансформацией плодородия почвы [2]. Рост производства высококачественной и конкурентоспособной продукции растениеводства и животноводства возможен только при оснащении сельхозпроизводителей современной ресурсосберегающей техникой. Однако расширение объемов производства в агропромышленном комплексе способны вызвать чрезмерное истощение и деградацию почв, важнейшим свойством которых является плодородие [3, 4].

В последние годы отмечается повышение спроса на машинотехнические ресурсосберегающие технологии, обеспечивающие щадящее воздействие на почву. По данным экспертов, на их долю приходится около 15% всего сельскохозяйственного производства, и эта доля продолжает расти [5, 6].

Засоление почв

Площадь с засоленными почвами

Переувлажненные Ветровая почвы         эрозия

Площадь с          Площадь, переувлажненными затронутая ветром почвами

Водная эрозия Обследуемая

Площадь,         площадь затронутая водой общая обследуемая площадь сельскохозяйственных

угодий

Рисунок 1 - Распределение негативных процессов в почве и почвенном покрове Источник: разработан авторами, по результатам анализа [2]

Внедрение ресурсосберегающих технологий, таких как Strip-till, способствует сохранению и восстановлению плодородия. Применение данной технологии в сельском хозяйстве минимизирует эрозию, улучшает структуру почвы и снижает антропогенную нагрузку на почву. В отличие от традиционной технологии, Strip-till обеспечивает точечное воздействие на почву, сохраняя в ней продуктивную влагу и органическое вещество в нетронутых не обрабатываемых междурядьях. Широко применяется в засушливых регионах США, Канады и некоторых стран Европы при выращивании кукурузы, сои, сахарной свёклы, хлопка, подсолнечника, картофеля, а также томатов, капусты и других овощных культур [7-8].

Название технологии происходит от английских слов «Strip» (полоса) и «till» (обработка), что отражает её суть - полосовое рыхление (полосовая обработка). По сравнению с традиционной обработкой, Strip-till требует меньше энергозатрат, кроме того, способ позволяет совмещать обработку с внесением удобрений и посевом. Исследования, посвящённые полосовой обработке, отмечаются её преимущества, связанное с снижением производственных затрат при возделывании сельскохозяйственных культур, а также отмечают недостатки, связанные с ограниченной номенклатурой возделываемых культур [7-18].

Указ Президента Российской Федерации от 18.06.2024 № 529 «Об утверждении приоритетных направлений научно-технологического развития и перечня важнейших наукоемких технологий» подчеркивает необходимость внедрения инновационных агротехнологий, направленных на устойчивое развитие сельского хозяйства, цифровизацию и ресурсосбережение. В этом контексте разработка технических систем полосовой обработки почвы, интегрированных в природный ресурсооборот, соответствует стратегическим задачам обеспечения продовольственной безопасности и экологической стабильности.

Цель исследований. Рассмотреть полосовую обработку почвы, как техническую систему с максимальной полезностью, способную оптимизировать агротехнические процессы, снизить энергозатраты и минимизировать негативное воздействие на окружающую среду. Особое внимание уделяется интеграции данной технологии в природный ресурсооборот, что позволяет создать устойчивую модель землепользования, соответствующую современным вызовам и требованиям государственной научнотехнологической политики.

Условия, материалы и методы .

В работе [19] академик РАН Федоренко В.Ф. описывает современные принципы трансформации приемов обработки почвы, обусловленные развитием нетрадиционных природоохранных, природоподобных, «зеленых» технологий земледелия. Данные принципы вызваны переходом от стратегии обработки почвы, базирующейся на принципе максимума производства энтропии, к стратегии ее минимального производства с рациональным использованием доступных природных ресурсов. Такое земледелие основано на частичном или полном уходе от отвальной вспашки и вертикальном перемещении пахотных горизонтов, сохранении корнеобитаемых слоев почвы и почвенной влаги, уменьшении эрозии.

Продуктивным подходом, показывающим взаимосвязь урожайности сельскохозяйственной культуры с ресурсами, затрачиваемыми при её возделывании, является использование понятия энтропии системы. Это позволит оценить полезность сельскохозяйственной техники в конкретной технологии растениеводства, будь то зональная технология или технология, не включённая в зональную [20, 21].

Культиватор представляет собой агрегат с последовательным функциональным рядом рабочих органов. В его состав входят элементы для разрезания и очистки обрабатываемых полос, рыхлительные рабочие органы с тукопроводом для внесения удобрений, прикатывающие устройства. Культиватор объединяет в себе возможности мелкой, поверхностной и традиционной обработки почвы [22, пункты 91–94], при этом сохраняя междурядья необработанными. Это позволяет использовать пожнивные остатки в качестве мульчи и источника питания для дождевых червей.

Полосовая обработка почвы представляет собой сложную техническую систему, эффективность которой зависит от множества факторов: распределения ресурсов, энергозатрат, экологических ограничений и агротехнических требований.

Функция полезности и = и(Х1,х2,...,хп1\ (1)

где х₁,х₂,.,х_п - показатели, характеризующие отдельные процессы технологии возделывания сельскохозяйственной культуры, присущие технике, достижение которых сопряжено с удельными затратами г₁,г₂, ..,г_п .

I - бюджет системы.

Для достижения максимально возможного сокращения затрат на основное производство необходима максимизация полезности при заданных ограничениях с учетом энтропийного баланса природных процессов (1), соответствующих принятой технологической карте либо структуре зональной технологии возделывание сельскохозяйственной культуры, при ограничении (2):

^=1X14 = I.(2)

r i – стоимость единицы ресурса.

Для решения задачи используется метод множителей Лагранжа. Лагранжиан системы:

L = u(x1, X2,..., xn, I) + A(I - Ei ri Xi)(3)

где λ – множитель Лагранжа, связанный с уравнением (2).

Условия оптимальности:

~ /r.(4)

dxt

Таким образом, уравнения (1-4) описывают полезность машины в рамках её применения в данной технологии.

Принцип максимизации энтропии уже применялся в различных областях: А. Дж. Вильсон использовал его для оптимизации транспортных потоков в городских системах, что позволило эффективно распределять ресурсы и минимизировать затраты [23, глава 2]. Ю.С. Попков применил энтропию больцмановского типа для решения задач оптимизации межрегионального обмена ресурсами в промышленности строительных материалов, что обеспечило обоснованное распределение материальных потоков [24, глава 6]. И.Е. Агуреев развил теорию макросистем, в которой квазидинамическая постановка учитывает информацию о расходе ресурсов при выполнении транспортных процессов. Максимизация энтропии была принята им в качестве экстремального условия для оптимизации таких систем [25].

Энтропия системы S интерпретируется как мера неопределенности распределения ресурсов:

s =—^CL j P ij inp ij , P ij = T tj /T ,                                            (5)

Здесь T ij – поток ресурсов, направленный на конкретную операцию, T – общий объем ресурсов.

На основе рассмотренного энтропийного подхода сформулируем соответствующую модель технологии возделывания сельскохозяйственной культуры. Предположим, что состояние x_i системы соответствует некоторому ресурсу f(x_i) . Под состоянием x_i будем понимать определённый набор технологических коэффициентов i , описывающих отдельные процессы технологии. При этом справедливо следующее ограничение

Z i P i f(X i ) = E\f(x)] < U ,                                                    (6)

где p_i - вероятность состояния x_i ;

U – лимит на ресурс либо ограничение на полезный эффект.

Максимизация энтропии (7) при ограничениях (8-9) позволяет достичь устойчивого распределения:

S ^ max,(7)

TaPif^) = U,(8)

EiPi = 1,(9)

где S = -E i P i lnP i - энтропия системы.

Оптимальное распределение ресурсов описывается экспоненциальной моделью:

„     exp[-^f(x i )^]

P =----------

E i exp ^[-^f(X i )^]

Для полосовой обработки почвы предложена модель, где:

• У1. = ~- доля ресурсов, выделяемых на операцию i

Условие баланса:

^=1 У1 = 1 .                                                             (12)

Максимизация полезности достигается при:

• ^ = ЛД = 1,2..... п,                                                (13)

dy t

Энтропия распределения ресурсов S =-Z i= ₁y_ilny_i , характеризует устойчивость системы. Ее максимизация обеспечивает минимизацию дисбаланса в использовании ресурсов, снижение рисков деградации почвы.

Динамика системы связана с изменением энтропии при варьировании параметров:

dS = ^dE\f(x)\ + ^Х к ^ к ^^х к ,                                         (14)

где _ - средние значения параметров х_к .

Закладка опытов начала производиться с 2024 году в полевых условиях научно-образовательного производственного центра (НОПЦ) «Интеграция», которое является структурным подразделением ФГБОУ ВО Орловский ГАУ и в условиях КФХ Верижников А.И. НОПЦ «Интеграция» создан для материальнотехнического обеспечения производственной, учебно-практической, научноисследовательской и инновационной деятельности университета в области растениеводства; животноводства; переработки, хранения и реализации продукции; механизации и электрификации сельского хозяйства; подготовки и переподготовки кадров; улучшения качества используемых земельных ресурсов; повышения экономической эффективности производственных процессов хозяйства; создания условий для апробации и трансферта инновационных технологий. Условия проведения опыта приведены в табл. 1. Опыты 2025 года заложены и находятся в стадии исследования и наблюдения, продолжение наблюдение и закладка опытов предполагается и 2026 году.

Рисунок 2 – Вид экспериментального поля, подготовленного под посев сои

Источник: Источник: фотография и обработка автора Севостьянов А.Л. при проведении исследований

Таблица 1 – Условия проведения опыта

Наименование параметра (критерия)	Значение параметра (критерия)	Фактические данные по годам
Дата            проведения исследовательских испытаний	16.05.2024 – 31.05.202428 Оптимальный для региона, при прогревании почвы на глубине посева до 10-12°С	28.05.2024	26.05.2025
Культура	Соя (Glycine max (L.) Merr)	Соя (Glycine max (L.) Merr)	Соя (Glycine max (L.) Merr)
Сорт культуры	ЭН АРГЕНТА	ЭН АРГЕНТА	ЭН АРГЕНТА
Чистота семян, процентов	Не менее 99	99	99
Посевная годность, процентов	Не менее 95	98	98
Влажность, процентов	Не более 10	10	10
Масса 1000 семян, г	120	168	168
Предпосевная     обработка семян	Протравитель	Протравитель «Оплот»	Протравитель «Оплот»
Тип почвы	Тёмно-серые лесные, серые лесные	Тёмно-серая лесная	Серая лесная
Микрорельеф	Выровненный	Ровный	Ровный
Температура почвы, градусов Цельсия	10…15	12...16	20...22
Влажность почвы, процентов, по слоям, см: от 0 до 5 включ. св. 5 до 10	15,0-25,0 18,0-30,0	В полосе 16…30	В полосе 16…20

Источник: составлена авторами

Посев сои прямым способом и при классической подготовке почвы перед её посевом проводили машинно-тракторным агрегатом, составленным из трактора John Deere 8320R и сеялки Amazone Primera DMC. Посев сои по технологии Strip-till осуществляли машинно-тракторам агрегатом в составе трактора John Deere 8320R с комбинированным комплексом полосового посева сельскохозяйственных культур при ширине междурядий 45 см и нормой высева семян 94 кг/га. Общий вид рабочих проходов комбинированного агрегата по экспериментальному участку по технологии Strip-Till, приведен на рис. 3.

Посев сои после обработки почвы по классической технологии проводился с шириной междурядий 18,75 см и нормой высева семян 110 кг/га, параметры прямого посева по технологии No-till обеспечивались с шириной междурядий 18,75 см и нормой высева семян 110 кг/га.

а )

б

в )

г )

Рисунок 3 – Рабочий проход комбинированного комплекса полосового посева и ширина междурядий при посеве сои а – рабочий проход при посеве сои с ширина обработанной полосы 250 мм эксперимент 2024 года, б – посевы сои эксперимент 2025 года, в и г – ширина междурядья при экспериментах 2024 и 2025 годов соответственно.

Источник: фотографии и обработка автора Севостьянов А.Л. при проведении исследований

Результаты и обсуждение. В ходе исследования и анализа работ по технологии полосовой обработке почвы [7-21] позволил составить критерии, по которым полосовую обработку можно отнести к природоподобной (Табл. 2) и интегрированной в природный ресурсооборот (Табл. 3), обладающей максимальной полезностью.

Таблица 2 – Сравнение с другими системами

Технология	Степень нарушения почвы	Эрозия	Затраты энергии	Природоподобие
Традиционная вспашка	Высокая	Высокая	Большие	Низкое
No-Till (прямой посев)	Минимальная	Низкая	Малые	Высокое
Strip-Till	Умеренная (только полосы)	Низкая	Средние	Высокое

Источник: составлена авторами, результатам исследований

Таблица 3 – Интеграция технологии Strip-Till в природный ресурсооборот

Природный процесс	Аналог в Strip-Till
Ходы червей	Вертикальные щели от глубокорыхлителей
Корневые каналы	Зоны рыхления с внесёнными удобрениями
Диффузия влаги и воздуха	Пористая структура в полосе - капиллярный эффект
Флуктуация элементов	Локальное высвобождение удобрений (имитация работы микробов)

Источник: составлена авторами, результаты исследований

На основе математической оптимизации и теории энтропии проанализированы данные 2024 года по полосовой обработке почвы, что позволило максимизировать эффективность использования ресурсов при сравнении технологий в рамках заданных бюджетных ограничений (табл. 4). За базовой вариант, сценарий расчета принимаем посев, после обработки почвы по классической технологии (норма высева 110 кг/га).

Таблица 4 – Структура затрат на выполнение сельскохозяйственных работ по возделыванию сои на 1 га

Затраты (№)	Посев, после обработки почвы по классической технологии (норма высева 110 кг/га)		No-till (прямой посев) (норма высева 110 кг/га)		Strip-till (Полосовой посев) (норма высева 94 кг/га)
	Сумма, руб.	Удельный вес, %	Сумма, руб.	Удельный вес, %	Сумма, руб.	Удельный вес, %
Семена сои	10120	21,32	10120	23,67	8648	21,91
Протравливание семян	259,6	0,55	259,6	0,61	221,84	0,56
Внесение удобрений	17076	35,98	17076	39,94	14674,4	37,18
Защита посевов	2282,51	4,81	2282,51	5,34	2282,512	5,78
Вспашка	3100	6,53	0	0	0	0
Культивация	607,5	1,28	0	0	0	0
Сев	820,1	1,73	820,1	1,92	1441,29	3,65
Амортизация основных средств	1200	2,53	1200	2,81	1200	3,04
Затраты         на техническое обслуживание     и ремонт	3000	6,32	2000	4,68	2000	5,07
Заработная   плата НПР	5000	10,53	5000	11,69	5000	12,67
Прочие расходы	4000	8,43	4000	9,35	4000	10,13
Итого: производственные затраты на 1 га	47465,7	100	42758,2	100	39468,04	100

Источник: составлена авторами, результат исследования

Для базового сценария p = (0,2132, 0,0055, 0,3598, 0,0481, 0,0653, 0,0128, 0,0173, 0,0253, 0,0632, 0,1053, 0,0843)

s = -Y i Y j P ij lnp tj = 1,876 .

S → max при ограничениях Σpᵢ = 1 и Σpᵢf(xᵢ) = U

Максимальная энтропия достигается при равномерном распределении затрат: S max =ln(n)=ln ( 11 ) ≈ 2,398.

Функция полезности технологии:

U = а/п(урожайность) + Ып(экономия) — с/п(затраты) ,

Здесь, коэффициенты a, b, c весовые априорные коэффициенты, соответственно 0,5, 03, 02, при этом урожайность пропорциональна затратам на семена и удобрения, а экономия = (Затраты баз – Затраты тек ) / Затраты баз .

Результаты расчета сведены в табл. 5 и 6, рис. 4.

Таблица 5 – Результаты расчета

Параметр	Базовая	No-till	Srtip-till
Затраты, руб./га	47465	42758	39468
Доля семян, %	21,32	23,67	21,91
Доля удобрений, %	35,98	39,94	37,18
Экономия, %	0	9,9	16,9
Энтропия (S)	1,876	1,921	1,956

Источник: составлена авторами, результат исследования

Таблица 6 – Ранжирование технологий

Технология	Полезность (U)	Энтропия (S)	Затраты, руб./га
Strip-till	-1,52	1,956	39468
No-till	-1,78	1,921	42758
Базовая	-2,15	1,876	47465

Источник: составлена авторами, результат исследования

■ Затраты (тыс. руб./га) ■ Полезность (U)

Рисунок 4 – Диаграмма сравнения полезности технологий Источник: составлен авторами, результат исследования

Максимальной полезностью обладает технология Strip-till ( U =-1,52) превосходит аналоги на 14,6–29,3%, а также энтропийной эффективностью ближе всего к теоретическому максимуму ( S max =2,398) (ΔS = 0,442).

В контексте реализации Указа Президента Российской Федерации от 2 ноября 2023 года № 818 «О развитии природоподобных технологий в Российской Федерации», технология Strip-till соответствует ключевым критериям природоподобных технологий, направленных на гармонизацию сельскохозяйственных процессов с естественными экосистемами:

• -    Strip-till минимизирует вмешательство в почву, обрабатывая только узкие полосы для посева, что сохраняет ее структуру, влажность и биоразнообразие. Это согласуется с задачей Указа (п. 1а) - создание технологий, имитирующих природные процессы и снижающих антропогенную нагрузку.

• -    Технология сокращает эрозию, уменьшает затраты на ТСМ и удобрения, что соответствует целям устойчивого развития, обозначенным в Указе.

• -    Предлагается региональным органам управления АПК стимулировать природоподобные агротехнологии в регионе, а Strip-till, как доказавшая свою эффективность технология может стать приоритетом в программах субсидирования АПК.

Выводы.

• 1.    Полосовая обработка почвы демонстрирует высокую полезность ( U =-1,52), превосходя традиционные технологии на 14,6–29,3%.

• 2. Технология обеспечивает оптимальное распределение ресурсов, снижая затраты на 16,9% по сравнению с классической вспашкой. Энтропийный анализ ( S=1,956 ) подтверждает устойчивость системы, приближаясь к теоретическому максимуму ( S max =2,398).

• 3.    Снижение антропогенной нагрузки благодаря имитации природных процессов (ходы червей, корневые каналы, капиллярный эффект). Возможность совмещения операций (рыхление, внесение удобрений, посев), что сокращает энергозатраты.

• 4.    Уменьшение расходов ТСМ и техническое обслуживание при сохранении высокой урожайности. Снижение себестоимости производства на 1 га (39468 руб. против 47465 руб. при традиционной технологии).

• 5.    Соответствие государственной политике, Strip-Till соответствует приоритетам Указа Президента РФ № 818 О развитии природоподобных

технологий. Технология способствует выполнению задач по сохранению плодородия почв.

Рекомендации:

• -    Внедрение Strip-Till в засушливых и эрозионно-опасных регионах.

• -    Развитие государственных программ субсидирования для сельхозтоваропроизводителей, применяющих природоподобные технологии.

• -    Дальнейшие исследования по адаптации технологии для других культур и почвенно-климатических условий.

Заключение. Strip-Till представляет собой перспективную технологию обработки почвы, интегрированную в природный ресурсооборот. Ее применение позволяет достичь баланса между интенсивным сельским хозяйством и экологической устойчивостью. Результаты исследований подтверждают, что полосовая обработка почвы не только экономически выгодна, но и соответствует современным требованиям к ресурсосбережению и охране окружающей среды. Strip-Till является ключевым элементом перехода к устойчивому земледелию, сочетающему продуктивность, экономию ресурсов и экологическую безопасность.