CC BY
148
УДК 631.333: 631.8
В.А. СМЕЛИК, Н.А. ЦЫГАНОВА, И.З. ТЕПЛИНСКИЙ Санкт-Петербургский государственный аграрный университет
ДИФФЕРЕНЦИРОВАННОЕ ВНЕСЕНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ В ТОЧНОМ ЗЕМЛЕДЕЛИИ
Точное земледелие - совокупность технологий, технических средств и систем принятия решений, направленных на управление параметрами плодородия, влияющими на рост растений. Среди этих параметров могут быть содержание органического вещества, питательные элементы почвы, рельеф, наличие влаги в почве, засоренность сорняками. Для реализации технологий точного земледелия необходимы современная сельскохозяйственная техника, способная дифференцированно проводить агротехнические мероприятия, приборы точного позиционирования на местности и новые информационные технологии. Технологии точного внесения минеральных удобрений, осуществляемые с учётом вариабельности агрохимических свойств почвы, реализуются машинами химизации, оснащёнными устройствами контроля и управления.
В статье приведена блок-схема обобщённой модели функционирования дозирующего устройства мобильных машин для химизации. Для разработки устройств контроля и управления с учетом требований точных агротехнологий необходимо проведение специальных теоретических и экспериментальных исследований. Важным начальным этапом таких исследований является разработка моделей технологических процессов функционирования исследуемых машин как объектов контроля и управления.
Алгоритм контроля качества функционирования мобильной машины для химизации предполагает непрерывное вычисление в процессе работы оценок средней относительной длительности нахождения контролируемого показателя в поле заданного агротехнического допуска и оперативное проведение поднастройки с целью поддержания заданного качества работы с учетом пространственной неоднородности питательного режима почвы.
Необходимость использования машин для внесения удобрений с устройствами контроля и управления, интегрированными в навигационные спутниковые системы, подтверждена агрономическим и экономическим эффектом.
Ключевые слова: точное земледелие, минеральные удобрения, технология, навигационные спутниковые системы, агротехнический допуск, контроль качества.
Введение. Точные системы удобрения получили развитие с момента адаптации к сельскохозяйственному производству геоинформационных технологий и выпуска специального технологического оборудования к середине 90-х гг. Для их теоретического и практического обоснования в нашей стране имеются серьёзные научные предпосылки. Во-первых, почвенный покров, особенно в Нечерноземной зоне, характеризуется исключительной неоднородностью, что, по признанию большинства агрохимиков и специалистов земледелия, является одной из главных причин низкой окупаемости удобрений [1]. Во-вторых, неудовлетворительное технологическое и техническое обеспечение сельскохозяйственных производителей требует радикального изменения. При этом освоение геоинформационных систем позволит добиться высокого уровня окупаемости удобрений.
Цель исследования - обеспечить дифференцированное внесение минеральных удобрений в системе точного земледелия. Для этого необходимо решить следующие задачи:
1. Создать модель дозирующего устройства для внесения минеральных удобрений.
2. Разработать алгоритм работы дозирующего устройства.
Результаты исследования. Пространственная вариабельность почвенных свойств на сельскохозяйственном угодье является результатом совокупного действия естественных процессов и практики землепользования.
Анализ пространственной вариабельности агрохимических свойств пахотного контура одного из типичных агроландшафтов Северо-Западного района доказывает (табл. 1), что коэффициент их вариации в большинстве случаев превышает пороговую величину 25%, разделяющую однородные и неоднородные в отношении того или иного свойства угодья [2].
Реализовать технологии точного внесения минеральных удобрений с учетом вариабельности агрохимических свойств почвы можно за счет применения машин химизации, оснащенных устройствами контроля и управления интегрированными в пространственно-временные навигационные спутниковые системы.
Для разработки устройств контроля и управления с учетом требований точных агротехнологий необходимо проведение специальных теоретических и экспериментальных исследований. Важным начальным этапом таких исследований является разработка моделей технологических процессов функционирования исследуемых машин как объектов контроля и управления.
Таблица 1
Вариабельность агрохимических свойств дерново-подзолистой почвы
Показатель Среднее значение Минимальное значение Максимальное значение Коэффициент вариации, %
Содержание гумуса, % 4,36 1,70 7,54 26
рНКС1 5,50 4,30 6,90 6
Р2О5, мг/кг 434 232 580 18
К2О, мг/кг 197 76 360 25
Нг, мг-экв/100 г 2,99 0,84 4,82 23
S, мг-экв/100 г 15,5 6,0 26,4 25
Несмотря на некоторые различия технологических процессов, выполняемых машинами химизации, модели функционирования их технологических процессов имеют много общего. Блок-схема обобщенной модели функционирования дозирующего устройства мобильных машин химизации приведена на рисунке.
Рис. Блок-схема обобщенной модели функционирования дозирующего устройства
мобильных машин химизации
Элементом 1 в ней является приводной механизм, который преобразует входное воздействие - скорость
движения Va(t) - в частоту вращения приводного вала a(t). В случае привода дозирующего устройства от
опорно-приводных машин колес машины возмущением z(t) на элемент 1 будет скольжение этих колес, а от ВОМ трактора - буксование его ведущих колес. Элемент 2 этой блок-схемы представляет собой передаточный механизм, преобразующий частоту вращения вала привода a(t) в частоту вращения an(t) механизма, подающего рабочий материал к дозатору 3. У туковысевающих аппаратов сеялок и сажалок воздействием an(t) является частота вращения высевающих катушек или дисков, у разбрасывателей удобрений это скорость перемещения подающего транспортера или частота вращения разбрасывающих дисков. На выходе дозатора имеем расход материала во времени q(t). При движении агрегата со скоростью V^t) поступающий из дозатора материал распределяется элементом 4 по полю K(t).
В связи со случайным в вероятностно-статистическом смысле характером показателей на входе и выходе рассматриваемых моделей в качестве оценок эффективности целесообразно использовать вероятностные характеристики, одной из которых является средняя относительная длительность Рр нахождения контролируемого показателя K(t) в поле заданного агротехнического допуска р:
Рр = Р[(1 - рук*(1) < K(t) < (1+Р)К"0], (1)
где K'(l) - изменяемое настроечное значение нормы внесения удобрений с учетом варьирования почвенных свойств на каждом участке поля (l).Тогда условием эффективного функционирования мобильной машины химизации будет
Рр >1 Рр I зад. (2)
Исследования [3] показали, что у мобильных сельскохозяйственных машин в различных условиях значения I Рр I зад должны находиться в пределах 0,75...0,85.
Таблица 2
Сравнительная агроэкономическая эффективность _зональной и точной систем удобрения_
Система удобрения Урожайность, т/га Окупаемость удобрений
сред. знач. мин. значение макс. значение коэфф. вариации, % кг з.ед/кг д.в. руб/руб.
картофель
0 (контроль) 12,6 8,1 15,6 18 - -
зональная система удобрения 20,4 15,7 28,8 16 5,3 2,8
точная система удобрения 21,8 16,8 27,4 10 7,0 3,2
ячмень
0 (контроль) 2,12 1,68 3,37 24 - -
зональная система удобрения 4,74 3,94 6,23 14 9,4 1,6
точная система удобрения 5,03 4,06 5,82 10 14,6 2,1
многолетние травы
0 (контроль) 2,6 1,2 3,9 30 - -
зональная система удобрения 5,1 3,1 7,2 23 21,9 5,1
точная система удобрения 5,4 3,9 7,0 16 24,8 5,4
Алгоритм контроля качества функционирования мобильной машины химизации предполагает непрерывное вычисление в процессе работы оценок Рр и оперативное проведение поднастройки с целью поддержания заданного качества работы с учетом пространственной неоднородности питательного режима почвы
Нами разработана серия устройств для контроля и управления мобильными машинами химизации в
точном земледелии [4].
Основным агроэкологическим результатом использования мобильных машин химизации, снабжёнными дозирующим устройством, является сокращение пестроты почвенного плодородия. Это выражается в уменьшении коэффициента вариации содержания гумуса до 10.. .12%, подвижного калия - до 14... 16%, обменной кислотности - до 2%, гидролитической кислотности - до 5. 8%.
Не менее важным агроэкологическим последствием дифференциации доз минеральных удобрений является значительное выравнивание пространственной продуктивности сельскохозяйственных культур, коэффициент вариации которых сократился до 10.16% (табл. 2). Данный факт служит убедительным подтверждением возможности средствами точной системы удобрения компенсировать пространственную неоднородность питательного режима почвы. При этом средняя окупаемость 1 кг действующего вещества удобрений составит 7.25 кг зерновых единиц, а условно чистый доход достигнет 2.5 руб. на каждый вложенный в применение удобрений и уборку дополнительного урожая рубль.
Выводы
1. Дифференцированное внесение минеральных удобрений в точном земледелии позволяет уменьшить коэффициент вариации содержания гумуса в почве до 10.12%, подвижного калия - до 14.6%, обменной кислотности - до 2%, гидролитической кислотности - до 5.8%.
2. Пространственная продуктивность сельскохозяйственных культур выравнивается. При этом ее коэффициент вариации сокращается до 10.16%.
3. Средняя окупаемость 1 кг действующего вещества удобрений составит 7.25 кг зерновых единиц, а условно чистый доход достигнет 2.5 руб. на каждый вложенный рубль.
Библиографический список
1. Иванов И.А. Пути повышения эффективности минеральных удобрений в условиях Северо-запада РСФСР: Дис. ...д-ра с.-х. наук. Великие Луки, 1989. 388 с.
2. Розанов Б.Г. Расширенное воспроизводства почвенного плодородия (некоторые теоретические аспекты) // Почвоведение. 1987. № 2. С. 5-15.
3. Лурье А.Б. Статистическая динамика сельскохозяйственных агрегатов. М.: Колос, 1981. 387 с.
4. Теплинский И.З. Контроль и управление мобильными машинами химизации // Сельский механизатор. № 11. 2004. С. 6-8.
Смелик Виктор Александрович - д.т.н., профессор, проректор по научной работе, заведующий кафедрой «Технические системы в агробизнесе» Санкт-Петербургского государственного аграрного университета; Россия, Санкт-Петербург, 196601, г. Пушкин, Петербургское шоссе, 2; тел.: +7 (812) 470-04-39; е-mail: smelik_va@mail.ru.
Цыганова Надежда Александровна - д.с.-х.н., профессор кафедры «Земледелия и луговодства» Санкт-Петербургского государственного аграрного университета; Россия, Санкт-Петербург, 196601, г. Пушкин, Петербургское шоссе, 2; тел.: +7 (812) 470-04-39; е-mail: smelik_va@mail.ru.
Теплинский Игорь Зиновьевич - к.т.н., профессор кафедры «Технические системы в агробизнесе» Санкт-Петербургского государственного аграрного университета; Россия, Санкт-Петербург, 196601, г. Пушкин, Петербургское шоссе, 2; тел.: +7 (812) 470-04-39; е-mail: smelik_va@mail.ru.
Статья поступила 5.06.2015
DIFFERENTIATED APPLICATION
OF MINERAL FERTILIZERS IN PRECISION AGRICULTURE V.A. SMELIK, N.A. TSYGANOVA, I.Z. TEPLINSKIH
St. Petersburg State Agrarian University
Precision agriculture is a set of technologies, technical means and systems of decision making aimed at the control of the parameters offertility affecting plant growth. Among these parameters can be the following: the content of organic matter, soil nutrients, topography, soil moisture content, weeds infestation. For the implementation of precision agriculture technologies some requirements should be met: application of the modern agricultural machinery, which can differentially perform agricultural operations, devices for precise positioning in the field environment and new information technologies. Technology of precise mineral fertilizers application, taking into account the variability of soil agrochemical properties, is performed by machines for chemicals application, special equipment for control and management. The article presents the block diagram of the generalized model offunctioning of dosage device installed in machines for chemicals application. For the development of control and management devices, considering the requirements of precision agriculture technologies, it is necessary to conduct special theoretical and experimental studies. The important starting point for such studies is the development of models describing technological processes of investigated machines as objects of control and management.
The algorithm of quality control offunctioning of the machine for chemical use involves continuous calculation of the average relevant duration of the period when the controlled parameter lies within the allowed agrotechnical interval, this calculations allow making some corrections for the purpose of maintaining the specified quality of work taking into account the spatial heterogeneity of soil nutrient status.
The need to use machines for fertilizer application equipped with devices of control and management, integrated satellite navigation system, is confirmed by agronomic and economic effect.
Key words: precision farming, fertilizers, technology, satellite navigation system, tolerance agronomic, quality control.
References
1. Ivanov I.A. Ways to improve the efficiency of mineral fertilizers in the North-West of the RSFSR: Dis. ...Dr. of agricultural Sciences. Great Luke, 1989. 388 p.
2. Rozanov B.G. The Extended reproduction of soil fertility (some theoretical aspects) // Soil science. 1987. № 2. P. 5-15.
3. Lurie A.B. Statistical dynamics of agricultural units. M.: Kolos, 1981. 387 p.
4. Teplinskih I.Z. Monitoring and Control of mobile machines chemicalization // Rural mechanic. № 11. 2004.
P. 6-8.
Smelik Victor Aleksandrovich - Doctor of Engineering Sciences, Professor, St. Petersburg State Agrarian University; 196601, St. Petersburg, Pushkin, St. Petersburg highway, 2; tel.: +7 (812) 470-04-39; e-mail: smelik_va@mail.ru.
Tsyganova Nadezhda Aleksandrovna - Doctor of Agricultural Sciences, Associate Professor, St. Petersburg State Agrarian University; 196601, St. Petersburg, Pushkin, St. Petersburg highway, 2; tel.: +7 (812) 470-04-39; e-mail: smelik_va@mail.ru.
Teplinskih Igor Zinovievich - PhD in Engineering Sciences, Professor, St. Petersburg State Agrarian University; 196601, St. Petersburg, Pushkin, St. Petersburg highway, 2; tel.: +7 (812) 470-04-39; e-mail: smelik_va@mail.ru.
Received 5 June 2015
