V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

На сегодняшний день проблема интенсификации производства сельскохозяйственных культур наиболее актуальна. Возможные перспективы ее решения лежат в основе повышения эффективного плодородия почвы, разработки и внедрения инновационных приемов агротехники, рационального использования почвенно-климатических ресурсов. Это основные факторы, регулирование и оптимизация которых ведут к наиболее полному использованию генетического потенциала сортов и гибридов сельскохозяйственных культур и соответственно обеспечению наиболее высокой продуктивности возделываемых земель, [1] [2].

Математическое моделирование урожайности возделываемых культур главным образом решает задачу повышения продуктивности почвы, которое достигается за счет отыскания оптимального уровня и соотношения факторов, влияющих на него. Математическая модель в конкретном случае строится на основании формализованных в виде уравнений регрессии производственных функций, которые выражают количественную связь урожая с факторами производства (технологические, агроклиматические и почвенные ресурсы). Производственные функции предназначены для установления пределов возможного увеличения урожайности сельскохозяйственных культур при оптимизации данных факторов или минимизации затрат ресурсов на получение заданного урожая, [2].

Математическое моделирование урожайности сельскохозяйственных культур в условиях технологии нулевой обработки почвы. Нулевая обработка - это способ обработки почвы с минимальным разрушением структуры почвы. Производится прямой посев по пожнивным остаткам, при этом исключается механическое воздействие на почву, [3].

Факторы, влияющие на урожайность при практическом использовании данной технологии земледелия:

• Среднесуточный приход общей и фотосинтетически активной радиации в течение вегетационного периода;

• Среднесуточная температура воздуха в течение вегетационного периода;

• Влагообеспеченность посевов;

• Биоклиматический потенциал (БКП) сорта или гибрида сельскохозяйственной культуры;

• Показатель структурной почвенно-корневой упорядоченности растений (густота посева);

• Содержание минеральных и органических удобрений в почве;

• Приемы агротехники.

Важно отметить, что агроклиматические и почвенные ресурсы – неуправляемые факторы, распределение которых носит случайный характер, в отличие от технологических операций – управляемых факторов земледелия. При одном и том же воздействии управляемых факторов могут быть получены различные результаты урожайности культуры в зависимости от состояния неуправляемых климатических факторов, [2].

Количественное описание факторов системы земледелия «почва – климат – урожай» позволяет устанавливать некоторые закономерности:

1. Приход ФАР → урожай биомассы.

Урожай формируется в процессе фотосинтеза в результате использования энергии солнечной радиации:

Убиол =QA100q , или QA=Убиол *100q (1),

Убиол - количество абсолютно сухой биомассы; QA – аккумулирование ФАР за вегетационный период; q – калорийность урожая.

Таким образом, зависимость прихода ФАР и урожая биомассы выражается линейной функцией: У= а0+ах (2),

а0 - урожайность при нулевом значении x; x – изучаемый фактор; а – статистический коэффициент, [1] [2].

1. Влагообеспеченность → урожай.

УДВУ= 100WKв Km (3),

УДВУ – действительно возможный урожай; W – количество продуктивной для растений влаги, определяется по данным выпадаемых в течение года осадков; Kв – коэффициент водопотребления; Km – коэффициент хозяйственной эффективности или доля основной продукции в общей биомассе.

Kв, Km – величины постоянные, поэтому зависимость урожайности культуры и влагообеспеченности посевов можно также выразить линейно.

Технология нулевой обработки почвы подразумевает сохранение пожнивных остатков предшествующей культуры для повышения влагоемкости почвы, [1].

1. БКП → урожай.

УДВУ=a+bБКП, (4)

a и b – статистические параметры, характеризующие уровни плодородия почвы и влагообеспеченности растений влагой соответственно. Зависимость выражается линейно, [1].

Таким образом, взаимосвязь между урожаем культуры и почвенно-климатическими показателями выражается линейной зависимостью:

У= а0 + а1Х1+ а2Х2+ а3Х3+ …+ аnХn = in аiХi , (5) , [1].

Как было отмечено выше, технологические факторы – управляемые факторы земледелия. В данном случае задача математического моделирования сводится к рекомендации оптимального варианта мероприятий агротехнического комплекса в конкретных климатических условиях, направленных на получение высокой урожайности возделываемых культур.

Основные технологические операции данной системы земледелия:

1. Уборка. Формирование слоя из пожнивных остатков.

Основные критерии: 1) высота среза (10 – 20 см) с учетом культур и сроков посева последующих культур; 2) оптимальная величина измельчения нетоварной доли урожая (менее 5 см); 3) равномерное распределение по полю.

1. Посев.

Подготовка посевной площади осуществляется путем выравнивания поверхности почвы. Производится прямой посев по пожнивным остаткам. Вместе с семенами вносятся стартовые гранулированные минеральные удобрения.

1. Защита.

Обработка сельскохозяйственных культур рабочим раствором от болезней, вредителей и сорняков, максимально покрывающим листовую поверхность растений.

При нулевой обработке почвы необходимо учитывать особенности и свойства почвы, а именно, устойчивость ее к уплотнению, [3].

Нулевая технология исключает механическое воздействие на почву. В тоже время в агрономии научно-обоснованный факт, что рыхление земли улучшает физическую структуру пахотного горизонта почвы (20-40 см), необходимую для роста и питания растений. Обрабатываемый механическими орудиями слой земли улучшает ее влагопроницаемость и влагоемкость – почвенные показатели, влияющие на урожайность культур. Исключение данной технологией процесса вспашки и культивации посевных площадей приводит к постепенному самоуплотнению почвы, в результате чего под пахотным горизонтом может образоваться уплотненная прослойка – плужная подошва.

Исследования особенностей роста и развития высеваемых культур по нулевой технологии, проводимые на Уральской сельскохозяйственной опытной станции, выявили динамику уплотнения почвы в течение 5 лет применения данной технологии земледелия, [4].

Рисунок 2. Динамика объемной массы (г/см³) пахотного горизонта почвы в весенний и осенний периоды в течение 5 лет

Таким образом, можно говорить о проблемной ситуации в сельскохозяйственном производстве, сложившейся в результате внедрения данной технологии. С одной стороны, технология нулевой обработки почвы подразумевает минимизацию приемов агротехники для увеличения урожайности культур и повышения рентабельности сельского хозяйства, с другой стороны, исключение глубокой обработки почвы ведет к ее постепенному самоуплотнению, что в результате оказывает негативное влияние на продуктивность возделываемых земель. Задача математического моделирования в данном случае сводится к оптимизации технологических и почвенных факторов, лимитирующих урожай. Поиск оптимального уровня и соотношения факторов данной системы земледелия путем построения математической модели является предметом дальнейших наших исследований.

Системный подход в совокупности с математическим анализом на современном этапе развития агрономии позволяет сделать процесс окультуривания почвы управляемым, прогнозируемым и экономически-эффективным. Применение электронно-вычислительной техники, информационных технологий позволяет программировать урожайность сельскохозяйственных культур, [1] [2].

Литература:

1. Каюмов М. К., Программирование урожаев сельскохозяйственных культур, Москва, Во «Агропромиздат», 1989

2. Образцов А. С., Системный метод: применение в земледелии, Москва, Во «Агропромиздат», 1990

3. http://eurotechnika.ru/content/technology

4. Чекалин С.Г., Иманбаева Г. К., Особенности новых технологий возделывания яровых культур по пласту многолетних

MATHEMATICAL MODELING IS THE TOOL OF PROGRAMMING, PROGNOSTICATION AND PLANNING THE LEVEL OF CROP YIELD

Khadanovich D.V.

Kostanay State University named after A. Baitursynov

Kostanay, Kazakhstan

Nowadays, the intensification’s problem of crop production is the most urgent. Possible perspectives of its solutions are the basis of the effective increase soil fertility, development and implementation of innovative agrotechnology’s techniques, management of soil and climatic resources. These are the main factors and their control and optimization lead to the fullest use of the genetic potential of varieties and hybrids of crops and thus ensure the highest productivity of cultivated land, [1] [2].

Mathematical modeling of the crop yields mainly solves the problem of increasing the productivity of the soil, which is achieved by finding the optimal level and the ratio of the factors that contribute to it. Mathematical model in a particular case is constructed on the basis of formalized in the form of regression equations of production functions, which express the quantitative relationship with crop production factors (technology, agro-climatic and soil resources). Production functions are designed to establish the limits of the possible raising the level of crop yield in the optimization of these factors, or minimize the cost of resources for a given crop, [2].

Mathematical modeling of the crop yields in No-Till technology. No-till - is a method of treating the soil with minimal disruption of the soil structure. Produced by direct seeding crop residues, without the mechanical action on the ground, [3].

Factors affecting the yield of the practical use of the technology of agriculture:

• The average daily arrival of the general and photosynthetically active radiation during the growing season;

• The average daily temperature during the growing season;

• Moisture content of crops;

• Bioclimatic potential (BCP) variety or hybrid crop;

• The set of structural soil-root ordering plants (crop density);

• The content of mineral and organic fertilizers in the soil;

• Agrotechnology's techniques.

It is important to note that the agro-climatic and soil resources – uncontrollable factors, the distribution of which is random in nature, in contrast to manufacturing operations - controllable factors farming. At the same impact controllable factors it can be different results crop yields depending on the state of unmanaged climate factors, [2].

A quantitative description of the factors of farming system 'soil – climate – crop' allows you to set some patterns:

1. Arrival of the photosynthetically active radiation (PAR) → crop biomass.

A crop is formed during photosynthesis by the use of solar radiation:

Уbiology =QA100q , or QA=Уbiology *100q (1),

Уbiology - amount of oven-dry biomass; QA - accumulation PAR during the growing season; q - caloric yield.

Thus, the dependence of the arrival of PAR and crop biomass expressed a linear function:

У= а0+ах (2),

а0 - yield at zero x; x - factor being studied, a - a statistical rate, [1] [2].

1. Moisture content → crop.

УRPY= 100WKв Km (3),

УRPY - really possible yield; W - number of productive plants for moisture, determined according to the falls in the year rainfall; Kв - coefficient of water consumption; Km - coefficient of economic efficiency or the proportion of main products in the total biomass.

Kв and Km - are constants, so the dependence of crop yield and moisture crops can also be expressed linearly.

No-Till technology includes saving previous crop residue to increase water capacity of soil, [1].

1. BCP → crop.

УRPY=a+bBCP, (4)

aand b - statistical parameters characterizing the soil fertility and moisture plant moisture, respectively. Dependence is expressed by linear, [1].

Thus, the relationship between crop yields and soil and climatic indices express the linear relationship:

У= а0 + а1Х1+ а2Х2+ а3Х3+ …+ аnХn = in аiХi , (5) , [1].

As noted above, technological factors - factors controlled agriculture. In this case, the problem is reduced to mathematical modeling recommendations optimal variant of the crop of the complex events in specific climatic conditions to obtain high yields of crops.

The principal operations of the farming system:

1. Cleaning. Formation of a layer of crop residues.

The main criteria: 1) the height of cut (10 - 20 cm) to the culture and sowing the next crop, and 2) the optimum value of the share of non-tradable milling yield (less than 5 cm), and 3) an even distribution across the field.

1. Seeding.

Preparation of the sown area is by leveling the soil surface. Produced by direct sowing stubble. With seeds made ​​starting granular fertilizers.

1. Protection.

The treatment of crops by process solution against diseases, pests and weeds as covering the leaf surface of plants.

Using No-Till technology it is necessary to recognize soil properties, namely, its resistance to compaction, [3].

No-Till technology eliminates the mechanical action on the ground. At the same time, in agronomy science-based fact that loosening the ground improves the physical structure of the plough layer of soil (20-40 cm), that is necessary for the growth and nutrition of plants. Processed by mechanical tools topsoil improves its moisture permeability and water capacity - soil parameters affecting crop yields. Exclusion of the technology process of plowing and cultivation acreage leads to gradual self sealing of the soil, resulting in a plowed horizon may form compacted layer - plow sole.

Studies of the growth and development of planted crops in zero technology conducted at Ural Agricultural Experiment Station reveal the dynamics of soil compaction within 5 years of application of the technology of agriculture, [4].

Picture 2. Volume weight trends (g/cm³) of plough layer during 5 years of spring and autumn seasons

Thus, we can talk about the problem situation in agricultural production, created by the introduction of this technology. On the one hand, the technology of no-till farming involves minimization techniques to increase crop yields and improve the profitability of agriculture, on the other hand, the exclusion of deep tillage leads to its gradual self sealing, resulting in a negative impact on the productivity of arable land. Problem of mathematical modeling in this case is to optimize the process and soil factors limiting crop. Find the optimal level and the ratio of the factors of the farming system by constructing a mathematical model is the subject of our further research.

Systematic approach combined with mathematical analysis at the present stage of development of agronomy to make the process of cultivation of the soil manageable, predictable and cost-effective. The use of computer technology, information technology, allows you to program crop production, [1] [2].

References:

1. Kayumov M. K., Programming crop yields, Moscow, and "Agropromizdat," 1989

2. Obraztsov A. S., System method: application in agriculture, Moscow, and "Agropromizdat", 1990

3. http://eurotechnika.ru/content/technology

4. Chekalin S.G., Imanbaeva G.K., Specifics of new technologies of summer crops’ cultivation to perennial grasses layer

 

Код для цитирования: Скопировать