ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ УХОДА ЗА ПОСЕВАМИ БАХЧЕВЫХ Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

***** ИЗВЕСТИЯ *****

НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: № 2 2022

НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. АГРОИНЖЕНЕРИЯ

DOI: 10.32786/2071-9485-2022-02-39 THEORETICAL JUSTIFICATION OF THE TECHNOLOGY OF CARE FOR MELON CROPS

V. A. Tseplyaev

Volgograd State Agrarian University, Volgograd Received 01.02.2022 Submitted 14.04.2022

Abstract

Introduction. The production of melons and gourds is associated with the involvement, in a fairly large volume, of manual labor. It is forced to be used in the care of crops, as well as in harvesting operations. The greatest labor intensity falls on the performance of plant care. In this case, weeding rows of melons is provided. Object. Technological process of caring for melon crops based on theoretical research. Materials and methods. It should be noted that melons and weeds develop under the same conditions, therefore, there is an interdependence between them, expressed as a functional. Subsequent theoretical studies in the calculation of weediness of crops lead to obtaining some mathematical expressions for the power and logarithmic functions. Results and conclusions. The experimentally obtained results of the development of weeds and cultivated plants confirm the scientific hypothesis and theoretical conclusions, which is the basis for finding the beginnings of crop processing, as well as the selection of existing equipment and recommendations for the creation of new machines.

Keywords: melon crops, perennial weed, biquadrate equation, cultivator treatment, combing mechanism.

Citation.Tseplyaev V. A. Theoretical justification of the technology of care for melon crops. Proc. of the Lower Volga Agro-University Comp. 2022. 2(66). 314-320 (in Russian). DOI: 10.32786/20719485-2022-02-39.

Author's contribution. The author conducted research and theoretical justification, drew conclusions and presented the manuscript.

Conflict of interest. The authors declare that there is no conflict of interest. УДК 631.334

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ УХОДА ЗА ПОСЕВАМИ БАХЧЕВЫХ

В. А. Цепляев, кандидат технических наук, доцент Волгоградский государственный аграрный университет, г. Волгоград Дата поступления в редакцию 01.02.2022 Дата принятия к печати 14.05.2022

Актуальность. Производство бахчевых культур сопряжено с привлечением в достаточно большом объеме ручного труда. Его вынуждены применять при уходе за посевами, а также в операциях уборки. Наибольшая трудоемкость приходится на выполнение ухода за растениями. В этом случае предусмотрена прополка рядков бахчевых. Объект. Технологический процесс ухода за посевами бахчевых культур на основе теоретических изысканий. Материалы и методы. Следует отметить, что бахчевые и сорняки развиваются в одинаковых условиях, следовательно, между ними наблюдается взаимозависимость, выраженная в виде функционала. Последующие теоретические исследования в расчете засоренности посевов приводят к получению некоторых математических выражений степенной и логарифмической функций. Результаты и выводы. Полученные экспериментальным путем результаты развития сорняков и культурных растений подтверждают научную гипотезу и теоретические выводы, что является основой при нахождении начала обработки посевов, а также подбору существующей техники и рекомендациям по созданию новых машин.

НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

Ключевые слова: бахчевые культуры, многолетние сорняки, технологии возделывания бахчевых культур, культиваторная обработка бахчевых культур, вычесывающие механизмы.

Цитирование. Цепляев В. А. Теоретическое обоснование технологии ухода за посевами бахчевых. Известия НВ АУК. 2022. 2(66). 314-320. DOI: 10.32786/2071-9485-2022-02-39.

Авторский вклад. Автор провел исследование и теоретическое обоснование, сделал выводы и представил рукопись.

Конфликт интересов. Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.

Введение. При возделывании сельскохозяйственных культур существенная часть технологических операций механизирована полностью. Созданы комплексы машин, обеспеченные автоматизированными системами, способными выполнять операции без участия человека. Это относится к производству и переработке зерновых, масличных, крупяных и ряда других культур [2].

Однако, несмотря на значительные достижения в области механизации и автоматизации в агропромышленном комплексе, довольно существенная группа операций при возделывании и уборке ряда культур выполняется с использованием ручного труда. Это относится, в первую очередь, к овощебахчевым культурам, винограду, фруктовым и ягодным культурам и т.д. Необходимость применения ручного труда связана с особенностями биологического развития этих культур и в результате со сложностью, а иногда с невозможностью механизации самой операции [6,8]. Чтобы определить алгоритм решения задачи механизированной технологии с применением ручного труда, рассмотрим наиболее сложный, на наш взгляд, процесс возделывания бахчевых культур. В соответствии с технологической картой возделывания бахчевых исследуем обработку всходов культурных растений от сорняков, выборочный и сплошной сбор урожая [3, 5, 9, 10].

Большая часть затрат ручного труда при прополке рядков и уборке урожая бахчевых приходится на прополку [6, 11, 12]. В первую очередь это обусловлено тем, что количество времени при прополке ограничено по сравнению с уборкой [1, 6, 8]. Кроме этого, прополка одних и тех же участков выполняется не один, а несколько раз, иногда до 3-х в зависимости от засоренности [7, 8].

Операция начала обработки рядков бахчевых культур от сорняков неразрывно связана с посевом семян. Появление всходов напрямую зависит от многих факторов: состояния и типа почвы, климата, прохождения периода после посева, а также вида сеялки и ее технологического процесса посева, глубины заделки и т.д. Таким образом, изучая вопрос, связанный с появлением сорняков, необходимо учитывать и сроки всходов самих растений. Если рассматривать вопрос о снижении трудоемкости через механизацию, то посев семян может быть проведен сеялками: СУПН-8,0, «Gaspardo», а также сеялками конструкции ВолГАУ. Сеялки СУПН-8,0 и «Gaspardo» выполняют точный посев сухих семян на глубину 6...8 см (глубина начала влажного слоя почвы). При этом в зависимости от влажности почвы, ее температуры и воздуха, всходы могут появиться на 12-15 день [4]. Сеялка «конструкции ВолГАУ» отличается тем, что она способна выполнять посев пророщенных семян [4]. Всходы растений при благоприятных климатических условиях появляются уже на 4... 5 день. Таким образом, разница в появлении всходов при посеве сухими или проро-щенными семенами составляет от 7 до 10 дней [4]. Ранее отмечалось, что в период от посева до появления всходов интенсивно развивается сорная растительность. Для выбора машин при посеве семян и последующей прополки рядков следует изучить некоторые физико-механические свойства сорных и культурных растений, учитывая, что часть сорняков, расположенных в самих рядках, приходится пропалывать вручную.

НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

Материалы и методы. Сроки прополки сорняков должны быть строго соблюдены, поскольку динамика их развития существенно выше, чем самих культурных растений. Поэтому при бурном росте сорняков они угнетают или вызывают полную гибель культурных растений.

Функция отображающая развитие сорняков и культурных растений одинакова. Она может быть разложена в степенной ряд Маклорена:

/(х) = а + а1к + а2х2+...+апхп. (1)

Эту функцию можно аппроксимировать, используя многочлены. Для решения таких функций применяют функционалы - это функции, определенные на некотором множестве функций. При анализе функционалов, используемых на множестве агрофитоэкоцинозов, установлено, что их значения можно определить через уравнения степенной функции:

М1 = агхь11, (2)

где аг и Ьг - численные значения величин, полученных экспериментальным путем; хг -величины значений факторов характеризующих сорняки (масса сорняков, высота сорняков и т.д.) Мг.

Закон аллометрического роста описывается именно этой зависимостью. Он может быть записан в виде:

м (0 = рм'(г), (3)

где М (¿) - скорость роста растений во времени или производная роста в рассматриваемые периоды; р - показатель скорости роста сорняков (в правой и левой М (¿)).

Математическое решение равенства приводит к экспоненциальному закону:

М(0 = М0 •

где М0 - значение функционала Ы в некоторый начальный момент времени ¿0.

Здесь следует учитывать, что время развития сорняков и культурных растений одинаковое, поэтому речь может идти о двух функционалах, подчиняющихся закону аллометрии. Оба они являются следствием экспоненциального вида их возможного изменения по одному и тому же периоду времени.

Два функционала (всходы и рост растений, всходы и рост сорняков будут записаны:

1 7 (4)

— 1п— = £ — £п.

где и р2 - показатели скорости роста растений бахчевых и сорняков соответственно. Правые части уравнений равны, следовательно, левые тоже:

= (5)

р1 Хр р2 хс

Отсюда:

1п

. ЁА

хЛР*. ЛЛ

Хру \хс/

1п1,1п1 = 0. (6)

НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

Решение такого равенства приводит к выражению:

(7)

Отсюда:

Введем обозначения:

(8)

Л = '1 = р1' (9)

где d и г - структурные постоянные; d - определяет нулевые значения (начало); г - это отношение показателей и изменение скорости функционалов х2 и

Результаты и обсуждение. Часто в теории аллометрии используют не временные периоды, а переходят к пониманию «физиологического времени». Отсчет по «физиологическим часам» проводят по фазам развития растения, связанным напрямую с засоренностью. Если, к примеру, обратиться к развитию бахчевых, то предельное значение сорной растительности известное для каждой фазы и может быть положено в основу расчетов.

В последующем, используя экспериментальные значения, полученные по результатам исследований, теоретически выявили коэффициент относительного прироста сорняков к концу фаз развития бахчевых:

Дс= (10)

^п.в.

где Усф. - фактическое количество сорной растительности к концу фазы, шт.; усв- - число сорной растительности при всходах бахчевых (нулевое значение), шт. упв - предельное значение сорняков для каждой фазы, шт.

Период развития культурных растений бахчевых до фазы «шатрик» по агротехнически допустимому требованию при наличии сорной растительности должен быть минимальным, напротив, увеличение сорной растительности в посевах приводит к угнетению культурных растений и, соответственно, к увеличению физиологических фаз.

Это время можно будет представить в виде:

1ф = 10+М' (11)

где ¿ф - время физиологической фазы, ч; - дополнительный период времени при наличии сорной растительности, ч.

Относительное увеличение фазы можно представить:

^=^ = £^=1+^ (12)

Со с0 Со

а относительный прирост бахчевых определится:

Дс=1-^, (13)

где ^ - время до наступления фазы «шатрик», ч; X Д£ - суммарное значение увеличения времени по фазам, ч.

Поскольку ранее отмечалось, что сорняки снижают динамику прироста культурных растений, то последняя формула логически отвечает этому выводу.

НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

Наиболее важным в расчетах является прирост бахчевых, поэтому переходим к определению коэффициента динамики прироста - Д3. Величина Д3 колеблется от 0 до 1, т.е.

0 < Д5< 1

Понятно, что максимальное значение «1» отвечает наилучшим условиям роста бахчевых, а при Д5= 0 условия - худшие, при этом возможна гибель растений.

Наблюдениями установлено, что прирост растений по фазам неравномерный, и проведенная аппроксимация позволила найти зависимости, которые связывают развитие растений бахчевых и сорняков [7, 8].

Все кривые носят степенной характер и уравнение в общем виде будет записано:

Дс=^Д£. (14)

В результате аппроксимации функции Дс= Др= получены равенства:

одно - относительного развития сорняков по фазам развития бахчевых:

Дс= ас • ^с ' (15)

второе - относительного прироста бахчевых по фазам засоренности:

Дб= аб • К' (16)

где ас,аб - коэффициенты начальных условий (точки отсчета) сорняков и бахчевых; ^, -фазы развития сорняков и бахчевых.

Если считать, что временные точки отсчета сорняков и бахчевых одинаковые, то и временные периоды прохождения фаз тоже одинаковые. Тогда коэффициент прироста сорняков определится из пропорции:

Дб = ^ (17)

Дс аб'^б

ДС=Д^. (18)

Полученное выражение (18) в общем виде устанавливает зависимость прироста сорняков при прохождении растениями бахчевых определенных фаз развития.

Для подтверждения полученных теоретических выводов в виде равенства (18) использовались статистические данные по развитию растений бахчевых и многолетних сорняков, по которым выведена зависимость в виде биквадратного уравнения (19) на богаре на Быковской бахчевой селекционной опытной станции в посевах арбузов сорта «Крим-Свит» и сорняка осота.

Полученная кривая, характеризующая зависимость засоренности многолетними сорняками х (шт./м2) от развития растения по количеству листьев п, представляет собой полином четвертой степени:

х = 0,5104п4 - 3,7847п3 + 10,969п2 - 5,1587п + 0,3274. (19)

В приближенном виде для упрощения практических расчетов, полиномиальную кривую можно описать и полиномом второй степени:

х = 3,8758п2 - 3,534п + 0,7899. (20)

С другой стороны, зависимость засоренности поля многолетними сорняками от развития растения можно представить в виде логарифмической зависимости, описываемой выражением:

НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

x = 3,9534из • n • ln(n)2 + 2,86 .

(21)

На рисунке 1 графическое представление зависимостей (19) и (21). Следует отметить, что коэффициент корреляции между этими кривыми составляет г=0,987, что подтверждает гипотезу о взаимосвязи развития бахчевых и сорняков.

Рисунок 1 - Кривые зависимостей засоренности многолетними сорняками x от развития растения по количеству пар листьев

Figure 1 - Curves of dependence of weeds infestation by perennial weeds x on the development

of the plant by the number of pairs of leaves

Усредненная кривая с коэффициентом корреляции r = 0,987 с большой долей вероятности указывает на совпадение представленных графиков, что подтверждает гипотезу связи роста сорняков и бахчевых.

Выводы.Наиболее динамично прирост сорняков наблюдается в период развития основных растений между появлением 3 и 4-го листьев. Последующий прирост (между 4 и 5 листьями) приводит к увеличению сорняков практически в 2,5 раза. Отсюда следует, что уничтожение сорняков в посевах должно выполняться не позже появления 4-го листа на основных растениях бахчевых. Период между 3-м и 4-м листом изучаемых растений составляет 4...5 дней.

Ранее отмечалось, что при возделывании бахчевых в настоящее время часть операций (прополка бахчевых в рядках) выполняется только вручную. Следовательно, задача при обработке посевов бахчевых сводится к тому, чтобы при использовании различных вариантов уничтожения сорняков снизить площадь обработки вручную до минимума.

Поэтому расчет необходимого количества машин для обработки посевов бахчевых следует проводить исходя из этих соображений. Наиболее распространенными для обработки посевов бахчевых машинами являются пропашные культиваторы отечественного производства серии КРН и зарубежные аналоги типа JohnDeere 825. Это могут быть культиваторы для междурядной обработки (КРН-5,6, КНЭ-3,8А, КПК-4, THEMA и другие). В этом случае необходимо учесть конечную целевую функцию при применении машин. В основе такой функции может быть производительность, качество технологического процесса, физико-технологические и биологические свойства сорняков, их корневой системы и т.д.

Кол-во сорняков,

НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

Поэтому необходимо провести сравнение показателей при использовании предлагаемых и разработанных для этой цели машин.

В качестве разработанных машин могут быть машины с рабочими органами вычесывающего типа.

Такие рабочие органы роторного типа обеспечивают точное перемещение ротора относительно оси рядка, снижая до минимума защитную зону и увеличивая период между прополками.

При больших расстояниях между растениями в рядке (от 1,0 м) возможно применение машин с поворотными лапами-бритвами, способными обрабатывать от сорняков сам рядок.

Таким образом, комплексный подход к решению задачи борьбы с сорняками позволяет существенно повысить скорость обработки и снизить затраты труда, свести к минимуму количество обработок, уменьшить затраты ручного труда и себестоимость.

Библиографический список

1. Алдошин Н. В., Маматов Ф. М., Исмаилов И. И. Средства механизации для обработки почвы в бахчеводстве // Техника и оборудование для села. 2021. № 2 (284). С. 12-15.

2. Быковский Ю. А., Колебошина Т. Г. Технология производства бахчевых // Картофель и овощи. 2016. № 10. С. 11-13.

3. Гурба А. В., Седов А. В., Шапров М. Н. Механизация технологического процесса уборки бахчевых культур // Мехатроника, автоматика и робототехника. 2018. № 2. С. 137-140.

4. Теоретические исследования по определению допустимой скорости ложечек высевающего аппарата для посева проросших семян бахчевых культур / А. Н. Цепляев, А. В. Харла-шин, М. В. Ульянов, Д. В. Скрипкин // Вестник Курганской ГСХА. 2019. № 3 (31). С. 75-77.

5. Теоретические исследования по изучению перекатывания сферических и тороидальных тел на примере плодов бахчевых культур / А. Н. Цепляев, М. В. Ульянов, С. В. Климов, А. В. Цепляев // Вестник Курганской ГСХА. 2019. № 1 (29). С. 62-65.

6. Фетюхин И. В., Черненко И. Е. Совершенствование химического метода борьбы с сорняками на подсолнечнике // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2020. № 157. С. 206-217.

7. Цепляев В. А., Шапров М. Н., Цепляев А. Н. Оптимизация параметров технологического процесса поверхностной обработки почвы роторным автоприводным агрегатом // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. 2012. № 1 (25). С. 160-165.

8. Цепляев В. А., Матасов А. Н., Цепляев А. Н. Агрегат для удаления сорняков методом теребления // Сельский механизатор. 2014. № 9. C. 8-9.

9. Шапров М. Н., Гурба А. В., Седов А. В. Разработка технологии механизированной уборки бахчевых культур и машины для ее реализации // Мехатроника, автоматика и робототехника. 2021. № 7. С. 31-34.

10. Шапров М. Н., Седов А. В., Гурба А. В. Роторная машина для уборки бахчевых культур // Сельский механизатор. 2019. № 7. С. 8-9.

11. Analytical Determination of Technological Parameters in the Work of a Self-driving Machine for Soil Loosening and Weeds Removing / A. N. Matasov, A. N. Ceplyaev, M. V. Ulyanov [et al.] // Lecture Notes in Networks and Systems. 2021. Vol. 206. P. 1079-1085.

12. Murmu K., Thakur T. C. Design and development of combined conservation Tillage machine with chiselers and clod pulverizing roller // AMA, Agricultural Mechanization in Asia, Africa and Latin America. № 50 (1). P. 66-72.

Информация об авторах Цепляев Виталий Алексеевич, кандидат технических наук, доцент, ректор, ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный аграрный университет», г. Волгоград (РФ, 400002, Волгоградская обл., г. Волгоград, пр-т Университетский, д. 26), т. +7 (8442) 41-17-84, E-mail: volgau@volgau.com