Повышение эффективности мозаичного посева путём конструктивно-технологического совершенствования процесса заделки семян при заложении травостоя разбросной сеялкой мозаичного высева на Северо-Западе России

Мясомолочное животноводство является важнейшей, структурообразующей отраслью агропромышленного комплекса Северо-Западного федерального округа (АПК СЗФО) [1,2,3,4].

Удерживая первое место по надою молока среди округов России (в 2004 г. удой на одну корову составил около 4 тыс. кг в год, что на треть выше среднероссийского показателя [1]), молочное животноводство даёт до 70% денежных поступлений хозяйств СЗФО [5]. Однако наблюдаемый рост продуктивности скота в сельхозпредприятиях округа не компенсирует недополучаемые объёмы продукции. Так уменьшение объёмов молока в результате уменьшения поголовья способствует росту цен реализации, но из-за постоянно растущих издержек рентабельность отрасли по округу остаётся довольно низкой, а с учётом затрат на воспроизводство стада, по расчетам Северо-Западного НИИ экономики и организации сельского хозяйства, мясомолочное направление может стать убыточным [6]. При этом наблюдаем парадоксальную ситуацию, когда в более уязвимом положении оказываются наиболее развитые хозяйства с высокой продуктивностью стада — потребность в покупных концентрированных кормах здесь особенно высока и вызвана необходимостью поддержки высокого энергетического баланса в рационе кормления.

Таким образом, увеличение производства кормов при существенном повышение их качества*, становится главным фактором конкурентоспособности мясомолочного животноводства СЗФО* [5, 6, 8, 9] и определяет комплексность проблемы, одно из решений которой — низкая себестоимость единицы питательной ценности корма — может быть достигнуто за счёт повышения продуктивности естественных и полевых кормовых угодий, что во многом связано с их масштабами, на долю которых приходится три четверти всех сельхозугодий, а также биологическими и экологическими особенностями многолетних трав,.

Затраты на производство кормов составляют 55.60% от себестоимости животноводческой продукции [7]. + Низкая конверсия корма жвачных животных по сравнению с моногастричными ещё не говорит о заведомо низкой конкурентоспособности молочного скотоводства. позволяющим им адаптироваться к разнообразию природно-климатических условий округа и реализовать свой продуктивный и средообразующий потенциал при сравнительно низких затратах (в 1,5 раза ниже по сравнению с зерновыми и в 2−2,5 раза — по сравнению с другими культурами интенсивного типа — кукурузой и корнеплодами) [2,10,11,12,13].

В основе такого подхода лежат принципы адаптивной интенсификации, предложенные академиком Жученко А. А., где особое предпочтение отдаётся биологическим факторам, энергоресурсоэкологичности, экологической устойчивости и безопасности [13]. При этом, по мнению академика Попова В. Д. [14], адаптивный подход к решению проблемы должен рассматриваться на следующих уровнях: на первом уровне решается задача активного потенциала растений, природно-ресурсного и производственного потенциаловна втором уровне обеспечивается выбор или проектирование технологий, имеющих наибольшую эффективность в заданных условиях и формирование комплекса технических средств для реализации технологиина третьем уровне предусмотрена адаптация рабочих органов машин как технических систем при изменении внешних условий.

К сожалению, необходимо констатировать отсутствие до недавнего времени единого методологического подхода к технологии возделывания многолетних трав. Как показывает анализ [15] многочисленных исследований ряда известных учё-ных-агроценологов (Гродзинский, Туганаев, Жученко, БоговинМиркинЗло-бин, ЗозулинРаботнов, Куркин, НомоконовСидоренко, Пелипенко, Степанова, Винтер, Райе, Whittaker, Southwood, Muller, Crime и др.) и опыт сельскохозяйственной практики по созданию «уплотненных» и «смешанных» травостоев сенокосно-пастбищного режима использования [16, 17,18,19,20], посевы проводятся, как правило, эмпирически без достаточного научного обоснования и не базируются на знаниях о принципах структуры и функционирования луговых естественных сообществ, тогда как законы их организации являются базой научно обоснованной системы, для использования их при конструировании оптимизированных кормовых высокопродуктивных агроценозов. Видимая причина этого — недостаточный уровень технико-технологического решения по реализации известного механизма структурно-функциональной организации конструируемых кормовых агроценозов [21,22].

На сегодня, научно-обоснованное и подтверждённое результатами ряда экспериментов решение данного вопроса получили совместные исследования д-ра биол. наук Шарашовой В. С., д-ра с.-х. наук Комарова А. А и канд. техн. наук Клейна В. Ф. [23, 24, 25]: предложены экосистемы, способные в условиях СЗФО обеспечить высокий выход хозяйственно ценной и экологически безопасной кормовой фитомассыразработан способ и устройство [Патент России № 2 044 432] для заложения мозаичного травостоя устойчивого сингенеза (продуктивного долголетия) технологически воспроизводимым конструированием фитоценотической замкнутости высокого уровня (отсутствие нежелательной растительности в посевах многолетних трав) при положительном аллелопати-ческом взаимовлиянии растений в микрогруппировках мозаики и самовоспроизводстве почвенного плодородия.

Опытный образец разбросной сеялки поверхностного мозаичного высева, созданный под руководством канд. техн. наук В. Ф. Клейна, позволил в 1993 году впервые заложить высокопродуктивную систему, обладающую устойчивым продуктивным долголетием при достаточно высокой степени фитоценотической замкнутости [26]. Экспериментальные исследования, направленные на оценку структурно-видового разнообразия мозаичного травостоя заложенного разбросной сеялкой мозаичного высева подтвердили действенность механизма структурно-функциональной организации конструируемых кормовых агроценозов и практическую значимость разбросной сеялки мозаичного высева [23,24, 26]: планируемый подбор видов способствовал устойчивому получению высокоэффективных кормов в значимых объёмах на протяжении 8−9 лет без какого-либо вмешательства со стороны человека, что имеет огромное значение в повышении конкурентоспособности мясомолочного животноводства СЗФО. При этом, однако, приемлемого решения задачи по достижению агротехнически требуемой равномерности пространственного перераспределения семян при их заделке, с целью приведения к оптимуму условий роста и развития травостоя заложенного разбросной сеялкой поверхностного мозаичного высева, найдено не было. В результате — отсутствие эффективно действующей системы заделки семян* пока не позволяет получить абсолютную эффективность от внедрения основ теории моделирования структурно организованного и адаптационно устойчивого травостоя, что сдерживает широкое внедрение в сельскохозяйственное производство высокоэффективного способа по заложению мозаичных травостоев.

Таким образом, установленная актуальность и значимость конструктивно-технологического совершенствования заделки семян при заложении высокоэффективных и экологически устойчивых травостоев высокопродуктивного долголетия разбросной сеялкой поверхностного мозаичного высева определяет объект, предмет и цель данной диссертации.

Объект исследования — процесс заделки семян травосмесей при поверхностно-разбросном посеве.

Предмет исследования — качественные взаимосвязи показателей заделки семян видового разнообразия трав при поверхностно-разбросном мозаичном посеве и технологическими особенностями функционирования рабочих органов мелкой обработки почвы.

Цель исследования — создание рациональных условий для роста и развития видового разнообразия трав путём конструктивно-технологического совершенствования процесса заделки семян при поверхностно-разбросном мозаичном посеве.

Основные положения приведенной диссертации, выносимые на защиту как результаты проведённых исследований, можно представить следующей системой решаемых задач: обоснование конструктивно-технологической схемы заделки семян при заложении многокомпонентного травостоя разбросной сеялкой мозаичного высева (PC)', математическое описание процессов функционирования рабочих органов заделывающего устройства к сеялке PCоптиi Вероятностный характер заделки семян трав при поверхностно-разбросном посеве сеялкой мозаичного высева не способствует созданию рациональных условий для роста и развития всходов. мизация конструктивно-технологических параметров заделывающего устройства к сеялке PC по показателям варьируемых условий её функционирования и агротехнической глубине заделки высеваемых семян травосмесейсравнительная оценка технологического совершенствования заделки семян по предлагаемой схеме и её прототипом (применяемой традиционно в сельхозпредприятиях при поверхностном разбросном посеве) — сравнительная оценка экономической эффективности мозаичных посевов по предлагаемой схеме и прототипу.

Методологические основы исследования опираются на основные положения комплексного подхода при использовании основных положений теории случайных событий, механико-математических методов (анализа и синтеза, теоретической и прикладной механики на базе аналогового моделирования, теории эксперимента, статистического и регрессионного анализа), метода многокритериальной оптимизации компромиссного решения и метода выигрыша в себестоимости на основе переменных затрат.

Научную новизну работы составляют: методологический приём совершенствования процесса заделки семян травосмесей при поверхностно-разбросном посеве сеялкой PC на фоне вариабельности условий функционирования и многокритериальное&tradeоценкиметодика оптимизации регулируемых параметров заделывающего устройства к сеялке PC в зависимости от типа почвы посевного участка и вида формируемого агроценозаметодика количественной оценки эффективности принятия решения по совершенствованию конструктивно-технологической схемы (КТС) заделки семян при разбросном посевеновое техническое решение заделки семян при поверхностно-разбросном мозаичном посеве.

Практическая значимость работы: научно обоснованное и экспериментально подтверждённое направление повышения эффективности мозаичных посевовпрактические рекомендации по оптимальной настройке регулировочного контура заделывающего устройства к сеялке PC в зависимости от агротехнически обоснованного диапазона условий её функционированияметодический подход к оценке эффективности принятия решения по совершенствованию заделывающего устройства к любой разбросной сеялке поверхностного высева.

Из условия требуемого соответствия показателей заделки семян трав при заложении экологически устойчивых травостоев высокопродуктивного долголетия принципам формирования горизонтальной структуры зрелых луговых естественных сообществ (представляющих экологически безопасные фитоцено-тические способы оптимизации агроэкосистем, в том числе и агрофитоцено-зов), а также принципу адаптационной приуроченности заделывающего устройства к зональным условиям функционирования (представленного возможностью оптимальной настройки регулировочного контура заделывающего устройства в зависимости от агротехнически обоснованного диапазона условий функционирования сеялки PC), аргументировано доказана механико-технологическая обоснованность предложенной КТС заделки семян при поверхностно-разбросном способе посева. Используемые приёмы обоснования КТС заделки семян при разбросном способе поверхностного посева могут использоваться в учебном процессе профильных научных учреждений при курсовом и дипломном проектировании, а разбросная сеялка мозаичного высева в комплекте с заделывающим устройством — рекомендуется нами к широкому использованию при заложении сенокосно-пастбищных травостоев.

Разработанная методика сбора и обработки данных лабораторно-полевых исследований способствовала адекватному описанию функции отклика моделей функционирования рабочих органов заделывающего устройства. Методом функционального преобразования случайной величины, при известном законе её распределения, получены оптимальные значения конструктивно-технологических параметров заделывающего устройства согласно агротехническим требованиям к глубине заделки семян трав формируемого агроценоза на типичных почвах СЗФО. Внедрение результатов исследования в производственных условиях ОПХ «Каложицы» Ленинградской области экспериментально подтвердили значимость рекомендаций по оптимальной настройке регулировочного контура заделывающего устройства к сеялке PC в зависимости от агротехнически обоснованного диапазона условий её функционирования.

По имеющейся априорной информации о взаимосвязи условно нормального распределения межсемянных интервалов и интервалов между всходами, исходя из условия оценки равномерности поперечного, продольного и вертикального распределения межсемянных интервалов неким комплексным критерием иерархичной структуры, на базе методов статистического анализа данных, разработаны способы определения необходимого и достаточного комплекса оценочных критериев процесса заделки семян предлагаемым заделывающим устройством к разбросной сеялке мозаичного высева. Методом многокритериальной оптимизации получена количественная оценка эффективности принятия решения по технологическому совершенствованию заделки семян при поверхностно-разбросном мозаичном способе посева. Применимость данной оценки к заделывающим устройствам разбросных сеялок любого типа (поверхностного и подповерхностного посева) не вызывает сомнения.

Апробации работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов СПбГАУ 1998 и 1999 г. г., на международной научно-практической конференции «Экология и сельскохозяйственная техника» проводимой СЗНИИМЭСХ в 1998 и 2000 г. г.- на третьем международном Санкт-Петербургском коллоквиуме «Полевые эксперименты для устойчивого и экологически безопасного землепользования» в 1999 г., на научно-практической конференции «Вклад молодых учёных в решение задач научного обеспечения АПК Северо-Запада РФ» в 1999 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 статей.

Работа является составной частью НИР, проводимых СЗНИИМЭСХ /НИПТИМЭСХ ИЗ РФ! по зональной научно-технической программе 5Р, задание 03.01.03. — «Разработать принципиально новую сеялку для заложения мозаичных травостоев, устойчивых к неблагоприятным внешним условиям (по патенту России)», номер госрегистрации — № 1 970 000 355.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Способ и устройство для заложения мозаичного травостоя (Патент России № 2 044 432) определяют основу перспективного развития технико-технологического обеспечения процесса интенсификации кормопроизводства и повышения рентабельности мясомолочного животноводства Северо-Запада России.

2. Конструктивно-технологическое несовершенство заделки семян при поверхностно-разбросном посеве, реализуемого сеялкой мозаичного высева, сдерживает широкое применение в сельском хозяйстве высокоэффективного способа по заложению травостоя многолетних трав, способного в условиях Северо-Запада России обеспечить высокий выход хозяйственно ценной и экологически безопасной кормовой фитомассы продуктивного долголетия технологически воспроизводимым конструированием фитоценотической замкнутости высокого уровня при положительном аллелопатическом взаимовлиянии растений в микрогруппировках мозаики и самовоспроизводстве почвенного плодородия.

3. Предложено новое техническое решение по заделке семян при заложении травостоя сеялкой мозаичного высева: рациональное сочетание пары зубовых боронок типа «Видер» и кольчато-цепного шлейфа обеспечит оптимальность условий роста и развития как мелкосемянных, так и крупносемянных трав.

4. Приведением структурно-параметрической модели (2.55) совместного функционирования пружинных зубовых рыхлителей боронок к модели вида ауст. =f (M, W, p, hasp.),] определены оптимальные значения конструктивного, = f{M, W, р, Нагр.) J технологических параметров &ycm.sr «hycmL} - [см. табл. 3.6] зубовых боронок заделывающего устройства к разбросной сеялке мозаичного высева в зависимости от типа почвы — г: [лёгкие, средние, тяжёлые] посевного участка и вида формируемого травостоя 5: [злаковый, злаково-бобовый, бобовый].

5. Используя уравнение функции отклика кш. = f{a0ycm-, ha2p, y'), проведен вычислительный эксперимент расчёта структурно-параметрической модели (2.89) функционирования кольчато-цепного шлейфа и определены оптимальные значения его конструктивно-технологических параметров [см. табл. 3.7] -{D°K =157 мм, d°. =20 мм, 1Ш. =2335 мм при I = 987,5 мм), общие для всего диапазона условий функционирования.

6. Применение заделывающего устройства предлагаемой конструктивно-технологической схемы не требует кардинального изменения базовой конструкции разбросной сеялки мозаичного высева и не вызывает сложности с изготовлением и сборкой.

7. Результаты производственного эксперимента показали состоятельность рекомендуемого оптимума регулируемых параметров заделывающего устройства (h3. e[hasp. ± Sj3^]- max|F[A" ]) и полное соответствие качественным требованиям к заделке семян видового разнообразия трав при поверхностно-разбросном способе посева: по сравнению с заделкой высеваемых семян травосмесей пластинчато-зубовым катком (применённым в производственных испытаниях «способа и устройства для заложения мозаичных травостоев»), в нашем случае, при наблюдаемой стабильности показателей, критерий точности распределения семян по глубине заделки возрастает на 65,7%, а по площади посевного участка — на 166%.

8. Результаты внедрения результатов исследования в производственный процесс ОПХ «Каложицы» показали, что травостой, заложенный в микрогруппировках, имеет ярко выраженную мозаику запланированного посевом видового разнообразия, что указывает на высокую степень соответствия предлагаемой конструктивно-технологической схемы заделки семян целям и задачам мозаичного посева.

9. Сравнительный анализ экономических показателей поверхностно-разбросного мозаичного посева при заделке семян по традиционно применяемой в сельхозпредприятиях схеме (прицепные зубовые бороны ЗБП-0,6) и по предлагаемой, однозначно указывает на высокий уровень значимости внедрения результатов исследования в сельскохозяйственное производство: установленное влияние предлагаемой конструктивно-технологической схемы заделки семян травосмесей на урожайность смешанного травостоя, определившее снижение себестоимости 1 ц сена при положительном годовом экономическом эффекте, позволяет утверждать о соответствующем влиянии на пропорциональное увеличение эффекта при заложении мозаичного травостоя в микрогруппировках.