CC BY
12
ISSN pr. 2412-608Х, ISSN on. 2412-6098 Масличные культуры. Вып. 1 (189), 2022
Научная статья
УДК 631.52:633.854.78
DOI: 10.25230/2412-608Х-2022-1-189-16-22
Моделирование объемных параметров семянок подсолнечника
1Валерий Юрьевич Ревенко 2Сергей Сергеевич Фролов 2Иван Александрович Рахуба 3Яков Николаевич Демурин
1ФГБНУ «Росинформагротех», Новокубанский филиал (КубНИИТиМ)
Россия, 352243, Краснодарский край, г. Новоку-банск, ул. Красная, 15 skskniish@rambler. ru
2Армавирская опытная станция - филиал ФГБНУ ФНЦ ВНИИМК
Россия, 352925, Краснодарский край, г. Армавир, пос. Центральной усадьбы опытной станции ВНИИМК
stanciya-vniimk@yandex. ru 3ФГБНУ ФНЦ ВНИИМК
Россия, 350038, г. Краснодар ул. им. Филатова, д. 17 yakdemurin@yandex. ru
Ключевые слова: сорт, гибрид, размер семянок, форма семянок, объём семянок
Для цитирования: Ревенко В.Ю., Фролов С.С., Рахуба И.А., Демурин Я.Н. Моделирование объемных параметров семянок подсолнечника // Масличные культуры. 2022. Вып. 1 (189). С. 16-22.
Аннотация. С целью изучения исходного селекционного материала для создания гибридных комбинаций крупноплодного подсолнечника кондитерского направления были изучены размерные параметры семянок различных сортов и гибридов подсолнечника селекции ВНИИМК. В результате предложена математическая модель, позволяющая с относительно высокой точностью определять объемы семянок по известным габаритам: длине, ширине и толщине. В основе моделирования лежит допущение о представлении семянки в виде суммы двух геометрических тел: полуэллипсоида и конуса. Оценка адекватности модели по критерию эффективности моделирования Неша-Сатклиффа (NSE = 0,959) выявила её достаточную
для практического использования степень достоверности и возможность широкого применения для вычисления объёмных параметров семянок подсолнечника самых разнообразных форм и размеров.
UDC 631.52:633.854.78
Modeling of volumetric parameters of sunflower seeds.
V.Yu. Revenko1, PhD in engineering S.S. Frolov2, PhD in agriculture I.A. Rakhuba2, junior researcher Ya.N. Demurin2, doctor of biology, professor
1Russian Research Institute of Information and Technical and Economic Studies on Engineering and Technical Provision of Agro-Industrial Complex" (Rosginformagrotekh FSBSI)
15 Krasnaya str., Novokubansk, Krasnodar region,
352243, Russia
skskniish@rambler.ru
2Armavirskaya experimental station of VNIIMK Central farmstead of VNIIMK experimental station, Armavir, Krasnodar region, 352925, Russia stanciya-vniimk@yandex. ru
3V.S. Pustovoit All-Russian Research Institute of Oil Crops
17 Filatova str., Krasnodar, 350038 Russia yakdemurin@yandex.ru
Keywords: variety, hybrid, seed size, seed shape, seed volume
Abstract. Seed size parameters of sunflower of different varieties and hybrids bred at V.S. Pustovoit All-Russian Research Institute of Oil Crops were studied to research the initial breeding material for the development of hybrid combinations of large-seeded confectionery sunflower. As a result, a mathematical model was proposed that allows a relatively high accuracy in determining the volume of seeds according to the known dimensions: length, width and thickness. The simulation is based on the assumption of a seed representation as a sum of two geometric bodies: a semi-ellipsoid and a cone. Evaluation of the model adequacy according to the Nesh-Sutcliffe criterion of modeling efficiency (NSE = 0.959) revealed its sufficient degree of reliability for practical use and the possibility of its wide application for calculation of volumetric parameters of sunflower seeds of different shapes and sizes.
Введение. Рост потребительского спроса на кондитерский подсолнечник вызвал соответствующее увеличение производства данной продукции для пи-
тания населения. В свою очередь данный фактор обусловил дальнейшее расширение селекционных программ по постепенной замене сортов-популяций на межлинейные гибриды с более высокой потенциальной продуктивностью, самофертильностью, устойчивых к основным патогенам, с улучшенным жирно-кислотным составом масла [1]. По мнению зарубежных исследователей, генетический потенциал урожайности кондитерских гибридов должен обеспечивать продуктивность не менее 5 т/га при содержании белка не менее 25 % [2]. Оптимальная высота растений должна составлять 160180 см, масличность - не более 35 %, масса 1000 семян - не менее 110 г. Последний показатель является одним из основных отличительных признаков кондитерского подсолнечника. Кроме того, ядро семянки должно быть крупным, масса 1000 штук не менее 80 г, не так плотно прилегать к лузге, как у сортооб-разцов подсолнечника масличного направления. Содержание жира находится, как правило, на уровне 30 %, а лузжи-стость составляет 40 % и более [3].
Зачастую на рынке предъявляются различные требования по размеру семянок, цвету лузги и другим признакам. Большинство потребителей предпочитают удлиненные (не менее 2 см) по форме семянки с содержанием белка не менее 25 %, с массой 1000 семянок более 100 г, массой 1000 ядер семянок не менее 80 г, объемной массой 900 г/л, масличностью не более 40 %. Учитывается также однородность размера семянок, ядра, формы и цвета, легкость обрушивания и соотношение массы ядра к массе семянки как минимум 50 % [4].
Традиционно определяющим признаком крупноплодности является масса 1000 семянок. Но каков ее нижний лимит -70 [5] или 200 г [6], является предметом для широких дискуссий.
Существуют альтернативы традиционной классификации крупности подсолнечника по массе 1000 семянок. Так, в
работе А.И. Мамонова [7] для дифференцирования генотипов по размеру семянок предлагается использовать показатель количества семянок в 1 литре, равный отношению объемной массы (кг/л) к массе 1000 семянок (г). При этом предлагаемая авторами градация без проведения дополнительных измерений позволяет классифицировать по данному признаку сорта подсолнечника: 3,0-5,5 тыс. семянок в 1 л -крупноплодные, 5,6-7,0 тыс. - средние по крупности, 7,1 тыс. семянок и более -мелкоплодные.
Данная классификация является весьма условной, так как на её показатели будут влиять: истинный и общий объем 1000 семянок, плотность их укладки, показатели скважистости и другие параметры. Тем не менее дифференциация генотипов по размеру является более объективным показателем в сравнении с массовыми характеристиками, т.к. существуют образцы подсолнечника, обладающие высокой массой 1000 семянок, но по другим признакам никак не относящиеся к кондитерским сортам и гибридам.
Цель исследования - разработка уточненной методики определения объема семянок подсолнечника для последующего селекционно-генетического изучения исходного селекционного материала, используемого при создании крупноплодных гибридов подсолнечника.
Материалы и методы. Исследовали партии семянок различных размеров и форм, начиная с мелких - типа линии ВА-337, и заканчивая крупноплодными сортами Крупняк и Калибр.
Каждая партия семян определенного генотипа состояла из 100 образцов. Размерные параметры (длину, ширину и толщину семянок) определяли с помощью цифрового штангенциркуля с жидкокристаллическим дисплеем. Параллельно, с целью уточнения полученных результатов, цифровые снимки партий семянок обрабатывали с помощью системы автоматизированного проектирования. При этом растровое изображение семянок при
помощи специализированного программного обеспечения преобразовывалось в векторный формат. Затем с использованием CAD-программ определяли размеры семянок подсолнечника. Полученный результат умножали на масштабный коэффициент, вычисляемый по размерам изображения эталонной фигуры (квадрата) с известной длиной стороны.
Объем каждой семянки определяли с помощью набора высокоточных мерных цилиндров с ценой деления от 0,02 до 0,05 мл. Для повышения точности определения уровня в качестве рабочей жидкости использовали этиловый спирт, подкрашенный метилоранжем, имеющий сниженный коэффициент поверхностного натяжения. Цилиндры были оснащены поршнями, позволяющими выставлять уровень жидкости на условную «нулевую отметку» перед началом измерений.
Существует большое множество математических моделей для вычисления объёма семян различных сельскохозяйственных культур по известным размерным характеристикам: длине, ширине и толщине. Причем многие из них с приемлемой степенью точности позволяют получить искомый результат, не прибегая к сложным и громоздким расчетам. К примеру, для хлопчатника и кукурузы лаконичные расчетные формулы приведены в работах Ozarslan [8] и Coskun et а1. [9]. Для подсолнечника большинство зарубежных исследователей предлагают использовать следующую зависимость [10]:
(1)
где Бе - эквивалентный диаметр, который находится по формуле:
Бе = (аЪс)1/3, (2)
где а - длина семени, мм, Ь - ширина семени, мм, с - толщина семени, мм.
В некоторых работах предлагается экстраполировать зависимость, первоначаль-
но разработанную для семян укропа, для определения объёма семян подсолнечника [11]:
V =
па2Ьс
6(2а-(Ьс)1/2)
(3)
где а, Ь, с - те же параметры, что и в формуле 2.
Результаты и обсуждение. Предварительные расчеты по вышеприведенным формулам показали неудовлетворительную сходимость расчетных и измеренных показателей оценки крупности семянок. Поэтому нами была предпринята попытка вывода теоретической модели, основанной на вычислении объёмов различных трёхмерных геометрических фигур.
Первоначально было предложено представлять семянки некоторых сортов и гибридов подсолнечника в виде эллипсоида (рис. 1). Но для плоских или уплощенных семянок с заостренной формой носовой части данное допущение было неприемлемым, так как в этом случае расчетные показатели объёмов являются несколько завышенными.
Рисунок 1 - Замена семянки подсолнечника эквивалентным эллипсоидом
При дальнейшем подборе наиболее близких по форме геометрических тел к конфигурации семян подсолнечника было выявлено, что удовлетворительные результаты могут быть получены в случае представления семянок в виде слияния
двух геометрических тел: половины эллипсоида и эллиптического конуса (рис. 2). Причем размеры их осей а, Ь и с должны соответствовать длине, ширине и толщине оцениваемых семян.
Рисунок 2 - Условное представление семянки в виде трехмерных геометрических фигур
Напомним, что эллипсоид - это поверхность в трёхмерном пространстве, полученная деформацией сферы вдоль трёх взаимно перпендикулярных осей, а эллиптический конус - поверхность в трёхмерном пространстве, полученная деформацией конуса вдоль двух взаимно перпендикулярных осей, лежащих в его основании.
Объём первой фигуры равен половине объёма эллипсоида с осями а, Ь и с:
V1 =-VP= -T-abc = — abc (4)
1 2 e 2 6 12 w
где а, Ь, с - те же параметры, что и в формуле 2.
Объём второй фигуры соответствует объёму эллиптического конуса с высотой, равной половине большой оси эллипсоида а и основанием в виде эллипса с осями Ь и с:
V2=1S- = --cb-= -abc (5)
2 3 2 3 4 2 24 w
Суммарный объем эквивалентной геометрической фигуры составит:
Полученная формула отличается простотой и лаконичностью. С целью оценки применимости данной модели для семянок подсолнечника различных генотипов был проведен цикл лабораторных исследований, включающий определение реальных показателей размеров и объемов выборочных партий семянок подсолнечника селекции Армавирской опытной станции. Результаты измеренных и расчетных по формулам (1), (3), (6) показателей сведены в таблицу.
Таблица
Усредненные показатели размеров семянок и объёмы исследуемых генотипов подсолнечника
Генотип Длина, мм Шири- на, мм Толщи-на, мм Объем фактический, мм3 Объем по (1), мм3 Объем по (3), мм3 Объем по (6), мм3
ВА-337 9,36 4,12 2,76 41,9 55,8 34,0 42,0
ВА.760А 10,63 5,47 3,80 92,2 115,8 73,7 87,0
ВА-8308А 12,72 6,60 4,75 143,7 208,9 133,9 157,3
Калибр 15,59 8,07 5,12 248,7 337,1 212,2 253,2
Крупняк 15,69 8,8 5,23 270,2 355,4 224,8 267,8
Лакомка 14,20 7,74 4,21 165,2 242,3 151,6 181,70
Умник 11,44 6,51 4,00 121,1 156,0 100,4 116,98
Орешек 13,36 7,84 4,63 192,7 253,9 163,9 190,44
Крепыш 11,90 6,65 3,69 119,9 152,9 96,5 114,67
Р453 11,13 6,55 3,89 121,1 148,5 96,0 111,36
Ирэн 9,39 5,93 4,00 80,1 116,6 78,7 87,46
Окси 10,97 6,75 4,02 120,3 155,9 102,2 116,89
Имидж 9,80 5,49 3,98 79,0 112,1 73,6 84,09
Фотон 11,20 6,61 4,08 110,7 158,1 102,9 118,61
Барс 10,22 5,37 3,63 79,9 104,3 66,5 78,23
Джинн 14,77 7,60 4,41 198,8 259,2 161,2 194,39
VZ = V1 + V2= -abc
(6)
Из приведенной таблицы видно, что наиболее приближены к измеренному объему семян результаты вычислений, полученные по формуле (6).
Степень точности предлагаемой методики определения объёма семянок подсолнечника оценим с помощью критерия достоверности модели Нэша - Сатклиффа (Nash and Sutcliffe), основанного на сравнении расчетных параметров с экспериментально полученными данными [12]. Эффективность моделирования по критерию Нэша - Сатклиффа (NSE) сравнивает сумму абсолютных квадратов разностей между прогнозными и наблюдаемыми значениями с дисперсией наблюдаемых
значений. определяется по следую-
щей формуле:
^Е =
1 -
£Р=1(Хрт-Х мi)2
^(Хр^Хрср)2
(7)
где Хр1 - реальное (наблюдаемое) значение исследуемого параметра, т.е. величина объема семени, полученная в результате измерений;
Хш - модельное (прогнозируемое) значение исследуемого параметра;
Хрср - среднее реальное значение исследуемого параметра;
п - число наблюдений.
Наглядное представление о сути методики оценки моделирования по критерию КББ даёт график, по оси абсцисс которого отложены наблюдаемые (измеренные) параметры объёма семян, а по оси ординат - результаты расчета по формуле (6). Чем ближе наблюдаемые и смоделированные данные прилегают к линии У = х, которая соответствует точному совпадению реальных значений с прогнозируемыми, тем лучше качество прогноза. На рисунке 3 приведена графическая интерпретация оценки качества прогностической модели (6) для вычисления объемов семянок сортов и гибридов подсолнечника по критерию КББ.
Рисунок 3 - Оценка точности моделирования (формула 6) по критерию КББ
Концентрация расчетных точек возле линии У = х наглядно доказывает пригодность предлагаемой расчетной методики для быстрого и относительно точного определения объёма семянок подсолнечника любых форм и размеров. Величина коэффициента эффективности моделирования по критерию Нэша - Сатклиффа составила КББ = 0,959. Следует отметить, что существует множество классификаций качества моделей по указанному критерию [13]. Например, в работе Борщ с соавторами [14] приведена следующая градация: модель считается хорошей при условии КББ > 0,80; удовлетворительной - при 0,36 > КББ > 0,80; неудовлетворительной - при условии NSE < 0,36. Таким образом, предлагаемую авторами модель можно отнести к категории «хороших».
Для сравнения приведем значения коэффициента в случае расчета искомых объёмов семян по формулам (3) и (1). Критерий эффективности моделирования в первом случае составит КББ = 0,873, во втором - ШБ = 0,472. Представление же семян в виде эквивалентного эллипсоида даёт ещё более низкий результат: ШБ = 0,462.
Рисунок 4 - Точность моделирования в соответствии с формулами (2) и (3)
Таким образом, относительно высокий показатель критерия эффективности моделирования NSE свидетельствует о приемлемой для практического использования степени достоверности данной модели и возможности её использования для расчета объёма семянок подсолнечника любых форм и конфигураций.
Заключение. В результате проведенных исследований предложена математическая модель, позволяющая с относительно высокой точностью и быстротой определять объемы семянок подсолнечника. В её основе лежит формула для определения объёма эллипсоида с осями, равными длине, ширине и толщине оцениваемой семянки, а также формула для определения объёма конуса, с основанием в виде эллипса, имеющего те же размеры, что ширина и толщина семянки. Оценка адекватности модели по критерию эффективности моделирования Нэша - Сатклиффа (NSE = 0,959) выявила её достаточную для практического использования степень достоверности и возможность широкого применения для расчетов объёмов семян сортов и гибридов подсолнечника как кондитерского, так и масличного направления.
Список литературы
1. Бочковой А.Д., Хатнянский В.И., Камардин В.А., Назаров Д.А. Кондитерский подсолнечник: происхождение, история введения в культуру, систематика, направления в селекции и особенности технологии возделывания (обзор) // Масличные культуры. - 2020. - Вып. 3 (183). -С.129-146.
2. Hladni N. Present status and future prospects of global confectionery sunflower production // Proc. of 19th Intern. Sunfl. Conf., Turkey, Edirne, May 29 - June 2, 2016. - P. 47-60.
3. Lofgren J.R. Sunflower for confectionary food, bird food and pet food // Sunflower technology and production. - USA, 1997. - 834 p.
4. Fick C.N., Miller J.F. Sunflower breeding // Sunflower technology and production. - Madison, USA, 1997. - P. 395-439.
5. Uma D., Muralidharan V., Manivan-nan N. and Thayumanavan B. Screening of sunflower varieties for confectionery grade // Proc. of the 16th Intern. Conf., Fargo, North Dakota, USA, August 29 - September 2, 2004. - Vol. 2. - P. 585-589.
6. Saranga Y., Horcicka P., Wolf S. Effect of source-sink relationship on yield components and yield of confection sunflower // Helia. - 1996. - Vol. 19. - No 24. - P. 29-38.
7. Мамонов А.И. Использование нового способа определения крупноплодности при создании селекционного материала подсолнечника // Масличные культуры. Науч.-тех. бюл. ВНИИМК. - 2006. - Вып. 2 (135). - С. 15-19.
8. Ozarslan C. Physical properties of cotton seed // Biosystems Eng. -2002. - 83 (2). -P.169-174.
9. Coskun M., Yalcin I., Ozarslan C. Physical properties of sweet corn seed // J. Food Eng. - 2006. - 74 (4). - Р. 523-528.
10. Mudasir A.M., Charanjiv S.S. Engineering properties of sunflower seed: Effect of dehulling and moisture content // Cogent Food & Agriculture. - 2016. - Vol. 2 (1), Art. No 1145783. DOI: 10.1080/ 23311932.2016.1145783.
11. Singh R.K., Vishwakarma M.K., Vishal R.S. Moisture dependent physical properties of dill // Journal of Agricultural Engineering. - January-March, 2016. - Vol. 53 (1). - Р. 33-40.
12. Nash J.E., Sutcliffe J.V. River flow forecasting through conceptual models. Part 1 - A discussion of principles // J. Hydrology. - 1970. - Vol. 10. - P. 282-290.
13. Zhong, X., Dutta, U. Engaging Nash-Sutcliffe efficiency and model efficiency factor indicators in selecting and validating effective light rail system operation and maintenance cost models // Journal of Traffic and Transportation Engineering. - 2015. -Vol. 3. - P. 255-265. DOI: 10.17265/2328-2142/2015.-05.001.
14. Борщ С.В., Симонов Ю.А., Христофоров А.В. Эффективность моделирования и прогнозирования речного стока // Гидрометеорологические исследования и прогнозы. - 2020. - № 1 (375). - С. 176189. DOI: https://doi.org/10.37162/2618-9631-2020-1-176-189.
References
1. Bochkovoy A.D., Khatnyanskiy V.I., Kamardin V.A., Nazarov D.A. Konditerskiy podsolnechnik: proiskhozhdenie, istoriya vvedeniya v kul'turu, sistematika, naprav-leniya v selektsii i osobennosti tekhnologii vozdelyvaniya (obzor) // Maslichnye kul'tu-ry. - 2020. - Vyp. 3 (183). - S. 129-146.
2. Hladni N. Present status and future prospects of global confectionery sunflower production // Proc. of 19th Intern. Sunfl. Conf., Turkey, Edirne, May 29 - June 2, 2016. - P. 47-60.
3. Lofgren J.R. Sunflower for confectionary food, bird food and pet food // Sunflower technology and production. - USA, 1997. -834 p.
4. Fick C.N., Miller J.F. Sunflower breeding // Sunflower technology and production.
- Madison, USA, 1997. - P. 395-439.
5. Uma D., Muralidharan V., Manivannan N. and Thayumanavan B. Screening of sunflower varieties for confectionery grade // Proc. of the 16th Intern. Conf., Fargo, North Dakota, USA, August 29 - September 2, 2004. - Vol. 2. - P. 585-589.
6. Saranga Y., Horcicka P., Wolf S. Effect of source-sink relationship on yield components and yield of confection sunflower // Helia. - 1996. - Vol. 19. - No 24. -P. 29-38.
7. Mamonov A.I. Ispol'zovanie novogo sposoba opredeleniya krupnoplodnosti pri sozdanii selektsionnogo materiala pod-solnechnika // Maslichnye kul'tury. Nauch.-tekh. byul. VNIIMK. - 2006. - Vyp. 2 (135).
- S. 15-19.
8. Ozarslan C. Physical properties of cotton seed // Biosystems Eng. -2002. - 83 (2). -P.169-174.
9. Coskun M., Yalcin I., Ozarslan C. Physical properties of sweet corn seed // J. Food Eng. - 2006. - 74 (4). - R. 523-528.
10. Mudasir A.M., Charanjiv S.S. Engineering properties of sunflower seed: Effect of dehulling and moisture content // Cogent Food & Agriculture. - 2016. - Vol. 2 (1), Art. No 1145783. DOI: 10.1080/ 23311932.2016.1145783.
11. Singh R.K., Vishwakarma M.K., Vishal R.S. Moisture dependent physical properties of dill // Journal of Agricultural Engineering. - January-March, 2016. - Vol. 53 (1). - P. 33-40.
12. Nash JE., Sutcliffe J.V. River flow forecasting through conceptual models. Part 1 - A discussion of principles // J. Hydrology. - 1970. - Vol. 10. - P. 282-290.
13. Zhong, X., Dutta, U. Engaging Nash-Sutcliffe efficiency and model efficiency factor indicators in selecting and validating effective light rail system operation and maintenance cost models // Journal of Traffic and Transportation Engineering. - 2015. -Vol. 3. - P. 255-265. DOI: 10.17265/2328-2142/2015.-05.001.
14. Borshch S.V., Simonov Yu.A., Khris-toforov A.V. Effektivnost' modeliro-vaniya i prognozirovaniya rechnogo stoka // Gidro-meteorologicheskie issledovaniya i prognozy. - 2020. - № 1 (375). - S. 176189. DOI: 10.37162/2618-9631-2020-1-176189.
Сведения об авторах
B.Ю. Ревенко, канд. тех. наук
C.С. Фролов, канд. с.-х. наук И.А. Рахуба, млад. науч. сотр.
Я.Н. Демурин, зав. отд., гл. науч. сотр., д-р биол. наук, профессор
Получено/Received 18.02.2022
Получено после рецензии/Manuscript peer-reviewed 22.02.2022
Получено после доработки/Manuscript revised 25.02.2022 Принято/A ccepted
17.03.2022 Manuscript on-line 30.05.2022
