CC BY
13
Conf. on Inventive Communication and Computational Technologies (ICICCT). 2017. 222-229.
6. Hernandez-Hernandez J. L., Garcia-Mateos G., Gonzalez Esquiva J. M. A software for automatic classification of plants and soil (CAPS). VIII Congreso Iberico de Agroingenieria "Retos de la Nueva Agricultura Mediterránea": Libro de Actas. 2016. 10091020.
7. Herbert D. B., Ekschmitt K., Wissemann V. Cutting reduces variation in biomass production of forage crops and allows low-performers to catch up: A case study of Trifoliumpratense L. (red clover). Plant Biology. 2018. N. 3. 465473.
8. Khaembah E. N., Brown H. E., Zyskowski R. Development of a fodder beet potential yield model in the next generation APSIM. Agricultural Systems. 2017. N. 158. 23-38.
УДК 631.171:55 Б01 10.24411/0131-5226-2019-10212
ВЛИЯНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ ВОРОШЕНИЙ НА ДИНАМИКУ ВЛАГООТДАЧИ ТРАВЫ В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ
В.Д. Попов, д-р техн. наук, академик РАН; А.И. Сухопаров, канд. техн. наук
Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) -филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия
В статье рассмотрено влияние различных факторов на динамику влагоотдачи скошенной травы в полевых условиях. Определяющими являются показатели, характеризующие травостой, погодные условия и механические воздействия. Из приведённых факторов управляемым является механическое воздействие, в частности интенсивность ворошений травы. Процесс влагоотдачи травы протекает по экспоненциальной кривой. Влияние факторов на динамику испарения влаги отображается через степенной коэффициент ц, на основании которого можно прогнозировать время сушки травы в полевых условиях. Проведены экспериментальные исследования по выявлению величины коэффициента ц при различной интенсивности ворошений скошенной травы в прокосе и в валке (через 6, 4 и 2 часа) с учётом начальной влажности, урожайности, ботанического состава и фазы вегетации травостоя; температуры, относительной влажности и скорости движения атмосферного воздуха, энергетической освещённости ультрафиолетового излучения. В результате исследований выявлено, что при удовлетворительных погодных условиях сокращение интенсивности ворошения негативно сказывается на продолжительности сушки травы; ворошение травы в прокосах в полевых условиях эффективнее в 1,52-1,72 раза, чем при ворошении её в валках; скорость влагоотдачи при достижении травы влажности 30% одинакова как при сушке в валках, так и в прокосах. Полученные экспоненциальные модели сушки травы позволяют рассчитать динамику процесса влагоотдачи скошенного смешанного травостоя в фазу стеблевания при удовлетворительных погодных условиях. Это даёт возможность прогнозировать продолжительность протекания технологического процесса заготовки кормов из трав (силоса, сенажа, сена), в зависимости от периодичности и количества ворошений. Данные модели пополняют базу данных моделей консервирования травы, с помощью которой возможно осуществить прогнозирование развития кормозаготовительного процесса в динамике и провести оценку его эффективности при применении того или иного способа
консервирования с учётом сложившихся погодных условий, характеристик травостоя и имеющихся материально-технических ресурсов.
Ключевые слова: заготовка кормов, влагоотдача травы, ворошение, экспоненциальная кривая, модель, прогнозирование, база данных.
Для цитирования. Попов В.Д., Сухопаров А.И. Влияние интенсивности ворошений на динамику влагоотдачи травы в полевых условиях // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2019. № 4(101). С 61-68.
EFFECT OF TEDDING INTENSITY ON THE DYNAMICS OF FIELD GRASS DRYING V.D. Popov, DSc (Engineering); A.I. Sukhoparov, Cand. Sc. (Engineering)
Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) - branch of FSAC VIM, Saint Petersburg, Russia
The article considers the influence of various factors on the dynamics of field grass drying. The critical factors are indicators characterizing the grass stands, weather conditions, and physical impacts. Of the above factors, the mechanical effects are under control, in particular, the intensity of grass tedding. The grass drying process follows an exponential curve. The influence of the factors on the dynamics of moisture evaporation is shown by a coefficient ц, which allows forecasting the grass drying time in the field. The value of the coefficient ц under different intensity of grass tedding in the cutting paths and swaths every 6, 4 and 2 hours was determined in the experiments with due account for the initial moisture content, yield, botanical composition and vegetation phase of the grass stand; the air temperature, relative humidity, and velocity; solar and ultraviolet radiation. The experiments showed that under satisfactory weather conditions, the reduction of tedding intensity had a negative impact on the grass drying time; grass tedding in the cutting paths was 1.52-1.72 times more effective than that in the swaths. When the grass moisture content reached 30%, its drying rate in the swaths and in the cutting paths was the same. The obtained exponential models of grass drying allowed calculating the drying dynamics of the mown mixed grass-stand in the stalking phase under satisfactory weather conditions. This maked it possible to forecast the duration of the technological process of grass forage harvesting for silage, haylage, and hay depending on the frequency and number of grass tedding operations. These models will contribute to the database associated with the grass conservation. This database helps to forecast the progress of the forage harvesting process and to assess its effectiveness under the particular conservation method, taking into account the prevailing weather conditions, the grass stand characteristics, and the available material and technical resources.
Keywords: forage harvesting, grass drying, tedding, exponential curve, model, forecasting, database.
For citation: Popov V.D., Sukhoparov A.I. Effect of tedding intensity on the dynamics of field grass drying. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2019. 4(101): 61-68. (In Russian)
Введение
Важнейшим путём укрепления кормовой базы и снижения её дефицитности по белку и витаминам является устранение или
сведение к минимуму потерь при заготовке, хранении и использовании кормов. Особенно большие потери достигаются при заготовке сена, так как технологический процесс его
производства весьма длительный по времени и включает в себя много технологических операций. Потери питательных веществ при заготовке кормов из трав можно классифицировать следующим образом:
1. Потери, связанные с затягиванием уборочного периода. Так каждый день перестоя нескошенной травы свыше оптимальных сроков приводит к уменьшению сбора питательных веществ на 1% [1]. Наибольшее количество питательных веществ получают, если траву скашивают в течении 5-10 дней. Продолжительность заготовки кормов из трав в условиях Ленинградской области составляет 55-60 дней [2, 3]. С учётом коэффициента неравномерности созревания кормовых культур, потери от увеличения сроков уборки составляют 20-25%.
2. Потери из-за респирации (то есть жизнедеятельности клеток уже в скошенных растениях и расходовании при этом питательных веществ) составляет от 4 до 22% всего сухого вещества и уменьшается путём быстрейшего высушивания растений до 40% влажности [4].
3. Механические и физические потери - это потери, возникающие при работе машин, в результате некачественного среза и подбора срезанных растений, обивания листьев и соцветий при ворошении и сгребании, выдувании мелких частиц при погрузке и транспортировке и т.д. Механические и физические потери составляют в среднем 712% (по результатам испытаний кормоуборочной техники на МИС).
4. Потери из-за выветривания, выщелачивания питательных веществ, уничтожения каротина под действием солнечных лучей. Снижение этих потерь достигается сокращением времени пребывания травы в поле и хранения кормов [5, 6, 7].
5. Гниение и ферментация - также вызваны атмосферными условиями. При заготовке
кормов в неблагоприятную погоду могут привести к полной потере урожая. 6. Потери, связанные с процессами брожения в силосной массе. Они составляют в лучшем случае 5-10%, в худшем 30-40% органических веществ [5, 7].
Основными путями уменьшения потерь в процессе заготовки кормов являются: сокращение продолжительности уборочного периода; своевременное выполнение операций технологического процесса заготовки кормов; применение
рациональных технологий и эффективного состава технических средств, позволяющих наряду с сокращением потерь резко снизить себестоимость получаемого продукта. Технологической операцией, которая наиболее существенно влияет на все виды потерь, является сушка (консервирование) травы. Наиболее достижимым способом интенсификации данного процесса при заготовке кормов в хозяйствах является применение различных механических воздействий - нарушение целостности стебля при скашивании, увеличение числа ворошений, уменьшение толщины слоя провяливаемой массы. Получение моделей, характеризующих процесс влагоотдачи, позволяет формировать базы данных по моделям консервирования, на базе которых возможно прогнозирование развития технологического процесса заготовки кормов из трав. Материалы и методы
Из-за сложности протекания процесса влагоотдачи сложно установить зависимость динамики сушки и факторов влияющих на неё - погодных условий, интенсивности механических воздействий на растительную массу, состояния травостоя.
Соотношение между количеством влаги в траве и временем сушки [8]: —й о = 11-00 0 ■ й Ь, (1)
где - изменение количества влаги в траве за время й Ь; о 0 - начальная влажность, %; д
- коэффициент, учитывающий испарение влаги из травы в зависимости от погодных условий, механических воздействий и состояния травостоя.
Решая дифференциальное уравнение (1) получим общий закон влагоотдачи травы в естественных полевых условиях: шг = шо- е-«■(2) где ш с - конечная влажность травы, %.
Время сушки травы от начальной влажности до влажности :
С = ф . (3)
Для практического использования уравнения (3) необходимо эмпирическим путём установить величину коэффициента д в зависимости от состояния и вида травы, погодных условий и механических воздействий. Величина коэффициента для различных агроклиматических зон не определена, в том числе и для условий Северо-Запада России.
Сравнительное экспериментальное
исследование влияния интенсивности ворошений на динамику влагоотдачи травы после скашивания косилкой в прокос и в валок осуществлялся путем постановки пассивного эксперимента в естественных полевых условиях. При исследовании определялись следующие показатели:
- характеристика травостоя (вид травы, фаза вегетации травы, урожайность, влажность);
- метеорологические условия (температура воздуха, относительная влажность воздуха, скорость перемещения воздуха, энергетическая освещённость ультрафиолетового излучения);
- характеристики технических средств и их показатели работы (тип косилок, высота скашивания, тип граблей).
Управляемым фактором является периодичность ворошений.
Перед скашиванием отбираются три пробы травяной массы для определения урожайности и начальной влажности. Скашивание травы осуществляется в 09:00 часов. Замеры значений метеорологических характеристик проводится через 1 час. Исследование динамики влагоотдачи скошенной травы осуществляется на 6 контрольных участках, схема которых приведена на Рисунке 1, путём периодического взвешивания травы на рамках площадью 1м2 с натянутой сеткой через 2 часа, начиная с 10:00 часов. Трава осторожно без нарушения структуры прокоса и валка перекладывается на сетку рамки и осуществляется фиксация начальной влажности и начального веса травы на рамке. Далее расчётным путём определяется изменение влажности травы в процессе сушки:
ш с = кс-[ 1 0 1 о 0-ш о) ], (4)
где - коэффициент, учитывающий
изменение сухого вещества травы в процессе сушки; - влажность травы при
взвешивании, %; @ 0 - начальный вес травы на рамке, кг; - вес травы на рамке в момент взвешивания, кг.
Заканчивается осуществление замеров в течении дня в 20:00 часов, когда у атмосферного воздуха высокая
относительная влажность, и процесс влагоотдачи прекращается. Трава провяливается до влажности 17% (согласно ГОСТ 4808-87 на сено) или пока не станет «не классной» под воздействием неблагоприятных погодных условий.
Рис. 1. Схема участка для проведения экспериментальных исследований интенсивности ворошения с различным временным интервалом
Результаты и обсуждение ротационной косилкой в прокос (рис. 2) и в
Сравнительное экспериментальное валок (рис. 3).
исследование влияния периодичности ворошения на динамику влагоотдачи осуществлялось на клеверотимофеечной смеси 3 года пользования в фазу стеблевания по бобовому компоненту 16-20 августа 2019 года. Ворошение производилось
ротационными граблями, после скашивания травостоя на высоту 6 см косилкой ротационного типа в прокос и в валок на поля ГУ ОПХ «Каложицы». Урожайность травы на участках составляла 12,2 т/га. Начальная влажность травы составляла 78%.
Средняя температура воздуха в период проведения исследований составляла 16,70С, относительная влажность - 32,8%, скорость перемещения - 1,2 м/с, энергетическая освещённость ультрафиолетового излучения - 442 кВт/м . Данные погодные условия исходя из многолетних наблюдений за погодными условиями можно условно считать удовлетворительными.
На основании обработки
экспериментальных данных построены графики влияния периодичности ворошений (через 6 часов, через 4 часа, через 2 часа) на динамику влагоотдачи клеверотимофеечной смеси в фазу стеблевания по бобовому осуществлялась в пр°грамме «Мст^й компоненту при сушке её после скашивания °йсе Ехсе1 2°Ш» [9]. В результате
аппроксимации (сглаживания) кривых были
"ч
у = 7ве01 -,^=0,97 !ВК 19
у-79»-"« R' = 0.9738
ь-»й4781
30
36
- прокос 2ч
- прокос 6ч
12 18 24
ВрсМЛПроЬЯЛИЬЛННЯ. ч
—*— прокос 4 ч
Экспоненщшьнм (Гфокс-с 2 ч)
42
— "^кспоненцнлльная I прокос 4 ч) -Экспоненциальная гфокос 6ч)
Рис. 2. Динамика влагоотдачи клеверотимофеечной смеси в прокосе
80 70 60
I50
?40
-8^0.9! 12
Уя R' rae-o<wsi-0.9064 rÄTfuq
N. R = одаза
ч
- валок 2ч
- впчокбч
- ' 'К(Л1онеицп;1Л1>н;ш i ва>
-валок4ч
' •кспонснцнпчьнпя < валок 2ч) - Экспоненциальная (валок 6ч)
Рис. 3. Динамика влагоотдачи клеверотимофеечной смеси в валке
Обработка результатов исследований
получены модели динамики влагоотдачи провяливаемой бобово-злаковой
(клеверотимофеечной) травосмеси в фазу начала цветения злакового компонента и в фазу полной бутонизации бобового компонента при удовлетворительных погодных условиях. Закономерности носят экспоненциальный характер.
Таблица
Величина приведённого коэффициента в зависимости от ботанического состава,
погодных условий и интенсивности во зошении
Ботанический состав травы Погодные условия Сушка в прокосе/ валке Периодичность ворошений Время, ч со 0, % с и % Ц
Злаково-бобовый травостой (клеверотимофеечная смесь) Удовлетвор ительные прокос ворошение 2ч 39 78 16 0,039
ворошение 4ч 39 78 22 0,033
ворошение 6ч 39 78 30 0,026
валок ворошение 2ч 48 78 16 0,025
ворошение 4ч 48 78 26 0,018
ворошение 6ч 48 78 34 0,014
Для практического определения времени сушки травы в полевых условиях по величине коэффициента
экспериментальные данные сведены в таблицу 1 в зависимости от сушки в прокосе или в валке и периодичности ворошений.
Модель влагоотдачи травы в процессе провяливания смешанного травостоя
(клеверотимофеечной смеси) в прокосе (С )
в зависимости от времени при удовлетворительных погодных условиях: - при ворошении через 2 часа с достоверностью R2=0,977
(5)
со1 = 78е
i6
0,038 .
при ворошении через 4 часа с
достоверностью R =0,988
= 78e-°,°33:
(6)
при ворошении через 6 часов с
достоверностью R2=0,956
^ = 78е-0,02*^
(7)
Модель влагоотдачи травы в процессе провяливания смешанного травостоя (клеверотимофеечной смеси) в валке () в зависимости от времени при удовлетворительных погодных условиях: - при ворошении через 2 часа с достоверностью R =0,951 со2 = 78в-0'025; (8)
- при ворошении через 4 часа с достоверностью R =0,944
с4 = 78е~°'0Ш ; (9)
Аа ' 4 '
- при ворошении через 6 часов с
2
достоверностью R =0,891
С = 78в-°'0Ы . (10)
На основании величины коэффициента ц можно прогнозировать по формуле (3) время сушки травы в полевых условиях в зависимости от интенсивности ворошений. Полученные экспоненциальные модели сушки травы (5)-(10) пополняют базу данных моделей консервирования травы, на основании которой осуществляется прогнозирование развития
кормозаготовительного процесса в динамике и оценка его эффективности при применении того или иного способа консервирования с учётом сложившихся погодно-
климатических условий, характеристик травостоя и имеющихся материально-технических ресурсов.
iö
iö
Выводы
При анализе величин коэффициента ц для смешанного травостоя при удовлетворительных погодных условиях, приведённых в Таблице 2, выявлено:
- сокращение интенсивности ворошения (увеличение периодичности) негативнее сказывается на продолжительности сушки травы (при ворошении в прокосе увеличивается в 1,25 раза, при ворошении в валке в 1,78 раза);
- ворошение в прокосах при сушке травы в полевых условиях более эффективно (в 1,521,72 раза), чем при ворошении в валках, особенно при большой периодичности;
- скорость влагоотдачи скошенной травяной массы при достижении ею влажности 30% практически одинакова, как при сушке в валке, так и в прокосе.
Полученные модели позволяют рассчитать динамику процесса влагоотдачи скошенного смешанного травостоя в фазу стеблевания при удовлетворительных погодно-климатических условиях. Что даёт возможность прогнозировать
продолжительность протекания
технологического процесса заготовки кормов из трав (силоса, сенажа, сена), в зависимости от периодичности и количества ворошений. На основании полученных закономерностей осуществима
формализованная оценка эффективности технико-технологических решений процесса производства кормов из трав, и тем самым выбор наиболее рационального варианта из существующих альтернатив.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Валге А.М., Сухопаров А.И. Статистический анализ природно-климатических условий Северо-Запада России, обуславливающих производство кормов из трав // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. №2 (95). С. 123-130.
2. Региональная целевая комплексная программа интенсификации кормопроизводства «Корма» Ленинградской области на 2000 - 2005 гг. СПб.: СЗНИИМЭСХ. 2000. 133 с.
3. Архипов М.В., Иванов А.И., Данилова Т.А. и др. Методические и информационно-технологические основы развития кормопроизводства в Северо-Западном регионе РФ. Под ред. академика РАН Попова В.Д. СПб.: Изд-во ИАЭП. 2015. 182 с.
4. Куянов В.В., Мельник А. К., Момотенко Н. П., Федан В. И. Механизация
животноводства на промышленной основе. М.: Колос. 1972. 432 с.
5. Зафрен С.Я. Технология приготовления кормов. М.: Колос. 1977. 239 с.
6. Попов В.Д., Ахмедов М.Ш., Сухопаров А.И. и др. Основы управления технологиями низкотемпературной сушки растительной стебельчатой массы. СПб.: Изд-во ИАЭП. 2017. 152 с.
7. Коноплёв Е.Г., Черноклинов Н.А. Заготовка кормов в промышленном скотоводстве. М.: Россельхозиздат. 1973. 172 с.
8. Лазебный А.Ф. Теоретические основы и методы проектирования производственного процесса уборки трав на сено (Учеб. пособие для преподавателей, аспирантов и студентов фак. механизации с.-х. вузов). Казань: М-во сел. хоз-ва СССР. Казан. с.-х. ин-т им. М. Горького. 1969. 81 с.
9. Валге А.М. Использование систем Excel и Mathcad при проведении исследований по механизации сельскохозяйственного
производства (Методическое пособие). СПб: 2013. 200 с. ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии.
REFERENCES
1. Valge A.M., Suhoparov A.I. Statisticheskij analiz prirodno-klimaticheskih uslovij Severo-Zapada Rossii, obuslavlivajuschih proizvodstvo kormov iz trav [Statistical analysis of climatic conditions in the North-West Russia affecting grass fodder production]. Tehnologii i tehnicheskie sredstva mehanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhi-votnovodstva. 2018. N 2(95). 123-130. (In Russian)
2. Regional'naya tselevaya kompleksnaya programma intensifikatsii kormoproizvodstva "Korma" Leningradskoi oblasti na 2000-2005 [Regional target complex program of intensification of forage production "Korma" of Leningrad Region for the years 2000-2005]. Saint Petersburg: GNU SZNIIMESH Rossel'hozakademii: 2000. 133. (In Russian)
3. Arkhipov M.V., Ivanov A.I., Sinitsyna S.M., Danilova T.A. et al. Metodologicheskie i informatsionno-tekhnologicheskie osnovy razvitiya kormoproizvodstva v Severo-Zapadnom regione RF (pod red. V.D. Popova) [Methodological, information and technological basis for forage production development in the North-West Region of the Russian Federation. (ed. V.D.Popov)]. Saint Petersburg. 2015: 184. (In Russian)
4. Kuyanov V.V., Mel'nik A. K., Momotenko N. P., Fedan V. I. Mekhanizaciya zhivotnovodstva na promyshlennoj osnove [Mechanization of industrial-scale livestock production]. Moscow: Kolos. 197. 432. (In Russian)
5. Zafren S.YA. Tekhnologiya prigotovleniya kormov [Technology of forage making]. Moscow: Kolos. 197. 239. (In Russian)
6. Popov V.D., Akhmedov M.Sh., Sukhoparov A.I. i dr. Osnovy upravlenija tehnologijami nizkotemperaturnoj sushki rastitel'noj stebel'chatoj massy [Basics of management of low-temperature drying technologies of plant culm mass]. Saint Petersburg: IEEP. 2017. 152. (In Russian)
7. Konoplyov E.G., Chernoklinov N.A. Zagotovka kormov v promyshlennom skotovodstve [Forage harvesting in industrial-scale cattle breeding]. Moscow: Rossel'hozizdat. 1973. 172. (In Russian)
8. Lazebnyj A.F. Teoreticheskie osnovy i metody proektirovaniya proizvodstvennogo processa uborki trav na seno (Ucheb. posobie dlya prepodavatelej, aspirantov i studentov fak. mekhanizacii s.-h. vuzov) [Theoretical basics and methods of designing the production process of grass for hay harvesting. Manual] Kazan: Kazan Agr. Inst. named after M. Gor'kogo. 1969. 81 (In Russian)
9. Valge A.M. Ispol'zovanie sistem Excel i Mathcad pri provedenii issledovanij po mekhanizatsii sel'skokhozyajstvennogo proizvodstva (Metodicheskoe posobie) [Application of Excel and Mathcad in research related to mechanisation of agricultural production/ Guidance manual]. Saint Petersburg.: GNU SZNIIMESKH Rossel'khozakademii, 2013. 200. (In Russian)
