CC BY
6УДК 631.816.21(045)
Капов С. Н., Адуов М. А., Павлюк Р. В., Нукушева С. А. Kapov S. N., Aduov М. A., Pavlyuk R. V., Nukusheva S. А.
СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ПОСЕВА СЕМЯН И ВНЕСЕНИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ В ПОЧВУ
STRUCTURAL ANALYSIS OF SEEDING PROCESS AND MINERAL FERTILIZERS INTRODUCTION IN THE SOIL
Агрохимическая наука рассматривает систему земледелия в виде треугольника, по вершинам которого указываются объекты агрохимии: «почва^растения^удобрения». Выявлено, что существующие технологические процессы высева семян и минеральных удобрений требуют совершенствования в направлении их адаптации к потребностям возделываемых культур. Причем процесс взаимодействия составляющих агрохимической, а точнее биологической (БС) и технической систем (ТС) при внесении удобрений в почву рассматривают как систему с целью реализации потенциальных возможностей возделываемых культур в получении максимальной или планируемой урожайности. Однако данная агрохимическая система не учитывает все факторы, влияющие на выполнение технологического процесса внесения минеральных удобрений.
В связи с этим предлагается структурная схема агрохимической системы, которая включает агробиологическую (АБС), техническую (ТС), механико-технологическую (МТС) и агротехнологическую (АТС) системы. Показано, что основными объектами агробиологической системы (АБС) являются почвенная среда, семена и минеральные удобрения. Дана характеристика каждого объекта и их взаимодействия друг с другом. Составляющими технической системы (ТС) для разных технологий возделывания сельскохозяйственных культур могут быть различные технические средства. Многоуровневое строение почвенной среды, разномасштабность актов ее деформации и разрушения предопределяют содержания механико-технологической системы (МТС). Основное назначение агротехнологической системы (АТС) состоит в управлении исполнительными механизмами применяемых технических средств согласно предъявляемым агротехническим (АТТ) и агрохимическим (АХКП) требованиям. Для обеспечения качественных показателей работы при выполнении технологических процессов посева семян и внесения минеральных удобрений необходимо производить технологические регулировки. Конечным критерием оценки функционирования данной системы является получение максимальной или планируемой урожайности.
Ключевые слова: почва, почвенная среда, семена, минеральные удобрения, агрохимическая система, структурная схема, агробиологическая система (АБС), техническая система (ТС), механико-технологическая система (МТС), агротехнологическая система (АТС).
Agrochemical science considers agriculture in the form of a triangle, on the tops of which indicates an agrochemical «pochva^rasteniya^udobreniya». It was revealed that the existing processes of sowing seeds and fertilizers need to be improved in the direction of their adaptation to the needs of cultivated kultur. Prichem, the interaction of components of the agrochemical, and more precisely the biological (BS) and technical systems (TS) in the fertilizer into the soil is considered as a system the purpose of realization of the potential of crops to obtain the maximum yield or planned. However, this agrochemical system does not cover all the factors affecting the performance of the technological process of mineral fertilizer.
In connection with this proposed block diagram of agrochemical system which includes agrobiological (ABS), technical (TC), Mechanics and Technology (MTS) and Agriculture technology (PBX) system. It is shown that the main obektamiagrobio-logicheskoysystem (ABS) are the soil environment, seeds and fertilizers. The characteristics of each object and their interaction with each drugom. Sostavlyayuschimi technical system (TS) for different technologies of cultivation of agricultural crops may contain various technical sredstva. Mnogourovnevoe structure of the soil environment, different scales of acts of its deformation and destruction determine the content of mechanical-technological system (MTS). The main purpose of Agrotechnological system (ATS) is to manage the actuators used technical means in accordance with agro-technical requirements (ATT) and agrochemical (AHKP) requirements. To ensure high-quality performance in carrying out processes sowing seeds and mineral fertilizers is necessary to make technological adjustments. The final criterion for evaluating the functioning of this system is to obtain the maximum yield or planned.
Key words: soil, soil environment, seeds, fertilizers, agrochemical system block diagram agrobiological system (ABS), a technical system (TS), mechanical-technological system (MTS), agriculture technologysystem (ATS).
Капов Султан Нануович -
доктор технических наук, доцент, профессор
механики и компьютерной графики
ФГБОУ ВО Ставропольский государственный
аграрный университет
г. Ставрополь
Тел.: 8(988) 751-17-61
E-mail: [email protected]
Адуов Мубарак Адуович -
доктор технических наук, профессор Казахский агротехнический университет им. С. Сейфуллина г. Астана
Тел.: +1(101) 566-54-34 E-mail: [email protected]
Kapov Sultan Nanuovich -
кафедры Doctor of technical sciences, docent Professor of «Mechanics and Computer Graphics» Stavropol State Agrarian University Stavropol
Tel.: 8(988) 751-17-61 E-mail: [email protected]
Aduov Mubarak Aduovich -
Doctor of Technical Sciences, professor S. Seifullin
Kazakh Agro Technical University Astana
Tel.: (+1101) 566-54-34 E-mail: [email protected]
26
Ежеквартальный
научно-практический
журнал
В
Павлюк Роман Владимирович -
кандидат технических наук, доцент кафедры
технического сервиса, стандартизации и метрологии
ФГБОУ ВО Ставропольский государственный аграрный
университет
г. Ставрополь
Тел.: 8(918) 757-94-56
E-mail: [email protected]
Нукушева Сауле Абайдильдиновна -
Казахский агротехнический университет им. С. Сейфуллина г. Астана
Тел.: +1(101) 566-54-34 E-mail: [email protected]
Pavlyuk Roman Vladimirovich -
Ph.D of Technical Sciences
docent of «Technical support, standardization and metrology»
Stavropol State Agrarian University Stavropol
Tel.: 8(918) 757-94-56
E-mail: [email protected]
Nukusheva Saule Abaidildinovna -
S. Seifullin Kazakh Agro Technical University Astana
Tel.: +1(101) 566-43-67 E-mail: [email protected]
Основатель агрохимической науки в России Д. Н. Прянишников представлял систему земледелия в виде треугольника, по вершинам которого расположены основные взаимодействующие друг с другом объекты агрохимии: «почва^-растения^-удобрения». Более подробно данную проблематику изучены в работах, которыепосвящены анализу процес-савысева семян и внесения минеральных удобрений в почву [1, 2].
Обобщая существующие работы, отметим, что для обоснования технических средств реализации предлагаемогопроцесса рассмотрим существующую агрохимическую систему в виде объекта «почва^-растение» в ее функциональных связях с техническими средствами внесения минеральных удобрений в почву (рисунок 1). Причем процесс взаимодействия составляющих агрохимической, а точнее биологической (БС) и технической систем (ТС) при внесении удобрений в почву рассматривают как систему. Задачей данной системы является реализация потенциальных возможностей возделываемых культур в получении максимальной или планируемой урожайности У($). Обратная связь биологической системы (БС) «почва^-растение» выражается в том, что минеральные удобрения, способствуя реализации потенциальных возможностей возделываемых культур, через растение оказывают влияние на исходное состояние почвы. Это влияние проявляется в увеличении биологической массы и корневых остатков, которые сами впоследствии становятся удобрениями.
Векторы внешних воздействий на биологическую (БС) Ебс(() и техническую (ТС) ЕТС(() системы включают факторы, влияющие на эффективность функционирования биологической системы в условиях применения технических средств внесении минеральных удобрений.
Для реализации потенциальных возможностей возделываемых культур оператор, руководствуясь информацией о планируемой урожайности, содержании в почве питательных элементов поагрохимической карте поля (АХКП) и агротехническими требованиями (АТТ), формирует вектор управляющих воздействий, настраивает техническое средство, задавая требуемые дозы и качество внесения минеральных
удобрений. Управляющее устройство (УУ), учитывающее АХКП и АТТ, формирует управляющие U(t) и входные воздействия для почвы Q(t) и растения D(t). Последние осуществляют контроль выполнения всего технологического процесса внесения минеральных удобрений.
Рисунок 1 - Взаимодействие биологической и технической систем при внесении удобрений в почву
Предложенная агрохимическая система не учитывает все факторы, влияющие на выполнение технологического процесса внесения минеральных удобрений. Так, определяющие недостатки рассматриваемой системы состоят в том, что:
- основные факторы, определяющие процесс внесения удобрений U(t), Q(t) и D(t), являются неопределенными и изменяются во времени;
- применяемые технические средства не учитывают обратные связи;
- составляющие биологической системы «почва-растение» должны учитываться неоднородность почвенной среды, а так-жеее физико-механические свойства и технологические показатели.
Для разработки структурной модели агрохимической системы посева семян и внесения минеральных удобрений в почву требуется, чтобы дополнительно учитывались следующие положения:
- при любом способе посева семян и внесения минеральных удобрений объек-
тами агрохимии должны быть почвенная среда, растение (семена) и минеральные удобрения;
так как составляющие агрохимии взаимодействуют друг с другом, то они должны быть представлены как единая система, учитывающая биологические и агрономические показатели исследуемых объектов;
при рассмотрении технических средств необходимо учитывать взаимодействие рабочих органов с почвенной средой, растениями (семенами) и минеральными удобрениями;
для оценки качества функционирования технических средств необходимы контроль и управление технологическим процессом посева семян и внесения минеральных удобрений.
АБС
I
Почвенная среда
Семена (растения)
Физико-механические свойства
ТС
Фазовое состояние (Т, Ж, Г, К)
Структура среды (Уи<УО<УБ)
Средство посева семян (ухода за растениями)
1
Минеральные удобрения
Физико-механические свойства
Рабочие органы
(конструктивные параметры и режимы работы)
МТС
Е
5
Прочностные характе-ристики(ПХ)
Деформация и разрушение (НДС)
АТС
Средство распределения семян (растений) и удобрений
АТТ ¡|—►
Управляющее устройство (УУ)
Крошение почвы, посев семян (уход за растениями), внесение минеральных удобрений
Рисунок 2 - Структурная схема процесса высева семян и внесения минеральных удобрений в почву
С учетом вышеизложенных положений предлагаемая структурная схема агрохимической системы должна включать агробиологическую (АБС), техническую (ТС), механико-технологическую (МТС) и агротехнологическую (АТС) системы (рисунок 2).
Агробиологическая система (АБС). Основными объектами агробиологической системы являются почвенная среда, семена и минеральные удобрения, взаимодействующие друг с другом.
Почвенная среда. Неоднородность почвенной среды складывается под действием естественных и агрогенных факторов, которые проявляются при разных масштабах обследования. Для такого объекта как почвенная среда требуется знание фундаментальных основ ее строения, чтобы иметь возможность управлять процессом обработки (деформации и разрушения) различных почв.
Именно внутреннее строение почвы и количественная оценка слагающих ее отдельных частиц и агрегатов, а также характер их взаимосвязи друг с другом характеризуются функциями структуры почвенной среды. Примером связи между структурой и функциями почвы является ее прочность (сопротивление внешним механическим воздействием на нее). Прочностные характеристики почвенной среды, в конечном итоге, зависят от ее фазового состава: твердого (Т), жидкого (Ж), газообразного (Г), а также их отношений (К). Представленная четырьмя составляющими (Т, Ж, Г и К), почвенная среда определяется неоднозначно. Различные соотношения составляющих позволяют рассматривать почвенную среду как объект со свойствами от сыпучей среды до твердого тело [3,4]. Приведенные рассуждения показывают, что вопросы описания почв различаются от обычных задач механики сред специфическими особенностями, и без их учета невозможно достичь успеха в количественных методах прогнозирования физических процессов.
Средство внесения минеральных удобрений
«=! АХКП ^
У(1)
28
,,„ „„„„, Jj Ставрополья
научно-практическии журнал
Другой аспект почвенной среды состоит в том, что существует малая область с объемом У0, которую можно рассматривать как элемент сплошной почвенной среды. Выбор объема У0 осуществляется из условия Ун<У0<Ув. Нижняя граница Ун зависит от происходящего в нем конкретного процесса, а верхняяУв определяет характер неоднородности строения. Объем У0 должен быть настолько большим по сравнению с объемом Ун, чтобы он, как элемент сплошной почвенной среды, был достаточен для осуществления акта массопереноса.
Качество выполнения механизированных операций обработки почвы во многом зависит от формы и параметров рабочих органов и физико-механических и технологических свойств, рисунок 3. Все свойства почвы, за исключением ее механического состава, подвержены значительным изменениям, обусловленным погодными условиями, сменой культур севооборота, внесением в почву минеральных и органических удобрений и видом предшествующей обработки. Эти изменения носят как временной характер, так и непрерывный -в пределах даже одного поля.
Минеральные удобрения. Существенное влияние на функционирование рассматриваемой системы оказывает состояние удобрения, обусловленное их физико-механическими и технологическими свойствами. Их можно классифицировать, выделив следующие характеристики:
- физические, размерные и весовые (гранулометрический состав, влажность, плотность и т. д.);
- фрикционные (коэффициенты внешнего и внутреннего трения, угол естественного откоса);
- прочностные (сопротивление сжатию и коэффициент бокового давления);
- аэродинамические (коэффициент парусности, скорость витания, сыпучесть и рассеваемость).
Семена. Под технологическими свойствами подразумевают лишь те свойства семян, которые оказывают существенное влияние на характер и закономерности протекания их высева. К их числу относят посевные качества семян и их физико-механические свойства: форму, размеры, плотность и массу; фрикционные свойства; способность семян сопротивляться некоторым видам деформаций и т. д. К посевным качествам семян относятся хозяйственная годность, чистота, всхожесть, энергия прорастания, посевная годность, влажность, масса 1000 семян, плотность и др. К физико-механическим свойствам семян относятся форма и линейные размеры, характер поверхности и коэффициенты трения, коэффициент парусности, скорость витания, сыпучесть, упругость, твердость, гигроскопичность, теплоёмкость и теплопроводность и др. За последние годы приобретают значения такие свойства семян, как осмотические и электромагнитные, цвет и
стекловидность. С течением времени при изменении условий внешней среды в процессе жизнедеятельности семян изменяются их физико-механические свойства.
Техническая система (ТС). Определяющими показателями техническойсистемы являются применяемые технологии посева семян, способы внесения минеральных удобрений и технические средства для их реализации. Составляющие данной системы для разных технологий возделывания сельскохозяйственных культур могут содержать различные технические средства. Если ограничиться рамками решаемых в данной работе задач, например, применительно к процессу возделывания зерновых культур, все применяемые сеялки и орудия для внутри-почвенного внесения минеральных удобрений должны иметь технические средства, позволяющие выполнять следующие операции:
- отбор семян (удобрений) из бункера через отверстие;
- дозирование семян (удобрений) высевающим аппаратом;
- распределение дозы по рядкам (рукавам семятукопроводов);
- транспортирование порции семян (удобрений) от высевающего аппарата до рабочего органа;
- образование борозды и заделка семян (удобрений) в почву рабочими органами.
Механико-технологическая система (МТС). Многоуровневое строение почвенной среды, разномасштабность актов ее деформации и разрушения предопределяют новый подход к построению модели взаимодействия рабочего органа с почвой [4,5]. Причем естественным образом разрабатываемая модель должна включать и учитывать идеи физики почв и современной механики разрушения сред. Дополнительно потребуем, чтобы модель, а впоследствии и теория, во-первых, учитывала дисперсность почвы и ее физические основы разрушения, во-вторых, давала рекомендации по методам описания явлений, происходящих в процессе разрушения, включая инженерные методы расчетов, в-третьих, могла предложить методы и приемы создания различных моделей почв с заданным уровнем физико-механических свойств почвенной среды.
Агротехнологическая система (АТС). Основное назначение данной системы состоит в управлении исполнительными механизмами применяемых технических средств согласно предъявляемым агротехническим (АТТ) и агрохимическим (АХКП) требованиям. Эффективность функционирования агрегатов при посеве семян и внесении минеральных удобрений в значительной степени зависит от наличия технических средств и способов настройки исполнительных механизмов, точности настройки рабочих органов, оперативности выполнения данных операций в зависимости от изменившихся требований и условий работы. Для обеспечения качественных показателей работы
при выполнении технологических процессов посева семян и внесения минеральных удобрений необходимо производить технологические регулировки. Необходимость оснащения машин системами управления (УУ) особенно проявляется в технологиях дифференцированного посева семян и внесения различных видов удобрений. С учетом неоднородности почвенной среды (плодородия) в пределах даже одного поля требуется иметь управляющее устройство с широким диапазоном технологических регулировок. Задача усложняется при применении контроля обеспеченности почв необходимыми питательными элементами согласно информации, получаемой из агрохимической карты поля (АХКП) в виде требуемой дозы (нормы) внесения различных минеральных удобрений. Кроме того, следствием изменения свойств почвы на различных участках поля по времени является широкое варьирование показателей качества выполнения технологических операций почвоо-бработки. При обработке поля, даже в пределах физической спелости почвы, не все площади по степени крошения удовлетворяют требованиям агротехники. Для получения однородных показателей качества, удовлетворяющих агротехническим требованиям по всему полю, рабочие органы почвообрабатывающих машин
должны иметь возможность изменения степени воздействия на почву и управления процессом работы за счет изменения своих технологических и конструктивных параметров.
Таким образом, из представленного материала можно сделать следующие выводы:
1. Показано, что существующие технологические процессы высева семян и минеральных удобрений требуют совершенствования в направлении их адаптации к потребностям возделываемых культур в нормах (дозах) их внесения.
2. Обосновано, что при любом способе посева семян и внесения минеральных удобрений объектами агрохимии должны быть почвенная среда, растение (семена) и минеральные удобрения, взаимодействующие друг с другом.
3. Предложена структурная схема (модель) агрохимической системы, включающая агробиологическую (АБС), техническую (ТС), механико-технологическую (МТС) и агротехнологическую (АТС) системы.
4. Рассмотрены составляющие агрохимической системы и их взаимосвязи, позволившие обосновать показатели, характеризующие процесс посева семян и внесения минеральных удобрений в почву.
Литература
1. Адуов М. А. Научно-технологические основы создания технических средств высева семян зерновых культур и внесения минеральных удобрений (на примере северной зоны Казахстана) : дис. ...д-ратехн. наук. Алматы, 2008. 224 с.
2. Повышение эффективности технологических процессов в растениеводстве / С. Н. Капов, Р. М. Латыпов, Р. Р. Латыпов, М. А. Адуов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2009. № 3. С. 4-6.
3. Капов С. Н. Механико-технологические основы разработки энергосберегающих почвообрабатывающих машин : дис. .д-ра техн.наук. Челябинск, 1999. 355 с.
4. Капов С. Н., Мударисов С. Г. Основные принципы построения модели разрушения почвенной среды // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2005. № 6. С. 40-43.
5. Капов С. Н. Некоторые проблемы и теории почвообработки // Актуальные проблемы научно-технического прогресса в АПК : сборник научных статей по материалам XI Международной научно-практической конференции, посвященной 65-летию факультета механизации сельского хозяйства, в рамках XVII Международной агропромышленной выставки «Агроуниверсал-2015». Ставрополь, 2015. С. 92-95.
Reference
1. Aduov M. A. Scientificandtechnologicalbase-sofinstrumentsseedcropsseedsandmineral-fertilizers (forexample, the northern area of Kazakhstan) : diss... doctor. tehn. sciences. Almaty, 2008. 224 p.
2. Increase of efficiency of technological processes in the plant / S. N. Kapov, R. M. Laty-pov, R. R. Latypov, M. A. Aduov // Mechanization and electrification of agriculture. 2009. № 3. P. 4-6.
3. Kapov S. N. Mechanical and technological basis for the development of energy-efficient tillers : diss... dokt. tehn. nauk. Chelyabinsk, 1999. 355 p.
4. Kapov S. N., Mudarisov S. G. Basic principles of soil environment destruction model // Tractors and agricultural machinery. 2005. № 6. P. 40-43.
5. Kapov S. N. Some problems and tillage theory // Actual problems of scientific and technological progress in agriculture : collected articles on materials XI International scientific-practical conference dedicated to the 65th anniversary of the Faculty of Agricultural Mechanization, in the framework of the XVII International agricultural exhibition "Agrouni-versal-2015". Stavropol, 2015. P. 92-95.
