Selection of the optimal system of differentiated fertilizer application and the laboratory research results in Northern Kazakhstan

Full Text

Введение Развитие координатного (точного) земледелия стало возможным в конце ХХ века, после широкого внедрения технологий глобального спутникового позиционирования, таких как ГЛОНАСС и GPS. По ГОСТ Р 56084-2014, координатное земледелие - это система управления продукционным процессом сельскохозяйственных культур, основанная на комплексном использовании современных информационных, навигационных и телекоммуникационных технологий, программно-технических средств и систем, обеспечивающих оптимизацию агротехнологических решений применительно к конкретным почвенно-климатическим и хозяйственным условиям [1]. В растениеводстве цель точного земледелия - получение максимально возможного урожая и экономической выгоды при минимизации финансовых вложений и воздействия на окружающую среду [2]. В Республике Казахстан на период 2018-2022 гг. принята государственная программа «Цифровой Казахстан». Технология дифференцированного внесения удобрений (ДВУ) является одним из приоритетных направлений в координатном (точном) земледелии. ДВУ - технология, позволяющая обеспечить корректировку дозы внесения удобрений в зависимости от положения агрегата на поле с учетом потенциальной урожайности каждой зоны и почвенного плодородия. Применение ДВУ позволяет более эффективно использовать удобрения, достигнуть максимально возможной урожайности и снизить экологическую нагрузку на окружающую среду. Результаты исследований показали, что экономия минеральных удобрений при ДВУ может составлять от 30 до 50 % и более в сравнении с традиционным способом внесения [3]. Опыт использования систем ДВУ в зарубежных странах способствовал активизации работы в данном направлении и в странах СНГ [4-7]. Почвы северного региона Казахстана имеет низкую обеспеченность фосфором (77 %), около 20 % имеют среднюю обеспеченность и только 3 % пашни имеют достаточную обеспеченность фосфором [8]. Внесение фосфорных удобрений проводят плоскорезами-удобрителями, которые за один проход выполняют сплошную плоскорезную обработку с одновременным сплошным внутрипочвенным внесением основной дозы гранулированных минеральных удобрений [9]. Применение плоскорезов-удобрителей обусловлено особенностью почвенно-климатических условий северного региона Казахстана. Цель исследований Выбрать наиболее эффективную систему ДВУ для плоскорезов-удобрителей, применяемых в северных регионах Казахстана, и проверить конструктивно-технологическую схему пневматического транспортирования. Материалы и методы Для сбора информации по системам ДВУ изучены доступные литературные источники были и технические характеристики по системам ДВУ. Обработка полученной научно-технической информации по системам ДВУ проводилась стандартными методами сравнения, анализа и синтеза. Оптимальная система ДВУ выбиралась по обобщенной функции желательности. При наличии большого количества выходных параметров построение обобщенного параметра оптимизации связано с созданием одного единого признака, количественно определяющего функционирование исследуемого объекта. Основная трудность заключается в том, что каждый выходной параметр имеет свой физический смысл, свою размерность. Ряд параметров не имеют числового значения и является психофизическими. Для построения множественного параметра оптимизации использована идея преобразования натуральных значений частных откликов в безразмерную шкалу. Значение частного отклика лежит в интервале от 0 до 1 (0; 0,33; 0,66; 1). Лепестковая диаграмма строилась по пяти параметрам, графически отображается уровень обобщенной функции желательности; предпочтение отдается диаграмме имеющей наибольшую площадь. Для проведения исследований изготовлено орудие для внутрипочвенного дифференцированного внесения гранулированных минеральных удобрений. Орудие оборудовано системой дифференцированного внесения удобрений «Агронавигатор-дозатор» (Россия, г. Новосибирск). Система предназначена для параллельного вождения агрегата в дневных и ночных условиях с функцией автоматического управления нормой внесения по местоположению агрегата, в соответствии с картой-заданием [10]. Система состоит из навигационного комплекса «Агронавигатор плюс», ГЛОНАСС/GPS антенны, актуаторов, соединительных кабелей и пульта управления для дистанционного включения режима «Обработка». Результаты и обсуждение Существующие системы ДВУ подразделяются на две группы: - системы ДВУ, работающие в режиме реального времени - on-line; - системы ДВУ, работающие по имеющимся электронным картам-заданиям - off-line. По результатам проведенного анализа литературных источников и технической характеристики по системам ДВУ для дальнейшего исследования было отобрано 6 образцов: система ДВУ с оптическим датчиком CROP SENSOR ISARIA; система ДВУ с оптическим датчиком CropSpec; система ДВУ с оптическим датчиком GreenSeeker RT 2000; система ДВУ с оптическим датчиком Yara N-Sensor и Yara N-Sensor ALS; система ДВУ Artemis; система ДВУ «Агронавигатор-дозатор [10-15]». В общем виде система дифференцированного внесения материалов, работающая в режиме «on-line» состоит из следующих элементов: сенсорный датчик, контроллер дифференцированного внесения и подачи материала, GNSS-приемник (спутниковый) для сельскохозяйственных работ, автоматический контроллер расхода материала, терминал управления. Сенсорная система ДВУ, работающая в режиме on-line имеет существенный недостаток, она определяет единственный элемент питания - азот. Системы ДВУ, работающие в режиме off-line, способны работать одновременно с несколькими элементами питания (калий, магний, фосфор и др.) при наличии соответствующей карты-задания. Недостатком систем, работающих в режиме «off-line», является необходимость проведения предварительного обследования конкретного участка поля для определения недостатка в питательных элементах, что приводит к увеличению затрат; второй недостаток заключается в невозможности отбора проб в период вегетации растений. Анализ информации по системам дифференцированного внесения удобрений показал, что в условиях зерносеющих районов северного Казахстана для дифференцированного внесения фосфорных удобрений подходят системы ДВУ «Artemis» и «Агронавигатор-Дозатор», которые осуществляют дифференцированное внесение удобрений в двухэтапном режиме (off-line) по имеющимся электронным картам-заданиям. Для дальнейшего выбора системы дифференцированного внесения удобрений воспользовались комплексным показателем - обобщенной функцией желательности. Обобщенная функция желательности d учитывает ряд критериев: - критерий d1 - надежность системы ДВУ; - критерий d2 - стоимость системы ДВУ; - критерий d3 - соответствие требованиям протокола ISO 11783 (ISOBUS); - критерий d4 - трудоемкость монтажа/демонтажа системы ДВУ; - критерий d5 - наличие и доступность сервисной поддержки и запасных частей. Ранжирование каждого показателя проходило в интервале от 0 до 1 с шагом 0,33. Меньшее значение показателя показывает худший результат по сравнению с большим. Для получения экспертной оценки по каждой системе привлечены были специалисты в данной области. По обработанным данным, построена лепестковая диаграмма, представленная на рис. 1. Рис. 1. Лепестковая диаграмма обобщенной функции желательности по системам дифференцированного внесения материалов Установлено, что из двух рассматриваемых систем наибольшей площадью диаграммы обладает система «Агронавигатор-дозатор». Однако данная система имеет недостаток; оборудование не соответствует требованиям протокола ISO 11783 (ISOBUS), что не позволит совместить компоненты системы «Агронавигатор-дозатор» с бортовыми компьютерами современных тракторов. Для проверки работоспособности конструктивно-технологической схемы с пневматической системой транспортирования и системы ДВУ проведены лабораторные испытания. В испытаниях использовался гранулированный аммофос. Перед проведением лабораторных испытаний были определены физико-механические свойства минеральных удобрений и гранулометрического состава. Значения определяемых показателей соответствовали требованиям ГОСТ 28714-2007 [16]. Основным этапом проведения лабораторных испытаний являлась проверка работоспособности конструктивно-технологической схемы пневматической системы транспортирования, которая состоит из вентилятора с приводом от гидромотора, распределителя потока воздуха, соединительных трубопроводов и эжекторных воронок. Установлено, что при оборотах от 2100 до 2700 об/мин вентилятор ВР-12-26-3,15 создает скорость воздушного потока в трубопроводах в интервале от 13 до 25 м/с, что обеспечивает устойчивое транспортирование гранул без забивания. Следующим этапом лабораторных испытаний являлось проверка системы дифференцированного внесения удобрений. Для проверки работы оборудования дифференцированного внесения в лабораторных условиях без движения агрегата по полю был приобретен «Агронавигатор-тренажер» (далее симулятор) (Россия, г. Новосибирск) [10]. Общий вид системы дифференцированного внесения минеральных удобрений с установленным симулятором представлен на рис. 2. Крепление актуатора к дозирующему устройству осуществляется с помощью двух болтов, для чего был изготовлен кронштейн. Общий вид дозирующего устройства и актуатора представлен на рис. 3. Работа с системой ДВУ начинается с калибровки потенциометра актуатора, при которой происходит калибровка потенциометра актуатора от закрытого положения дозирующего устройства до максимально открытого. Проведение калибровки потенциометра позволяет установить границы хода штока актуатора от 0 до 100 % и при заданном значении системой превышаться не будут. Для проведения лабораторных испытаний в навигационный комплекс была загружена карта-задание с разбитыми ячейками с условной нормой внесения от 20 до 120 кг/га, с шагом 10 кг/га. В режиме симуляции происходило движения агрегата по полю и при пересечении ячейки с установленной нормой внесения, на актуатор подавалась команда для изменения длины рабочей части катушки. Работа дозирующего устройства осуществлялась путем вращения приводного колеса на определенное количество оборотов, согласно стандартной методике, и проводился отбор проб для измерения фактической дозы внесения удобрений [16]. В процессе калибровки потенциометра актуатора установлено, что для корректной работы системы дифференцированного внесения минеральных удобрений в дозирующей системе необходимо устранить люфты в рычагах и катушках высевающих аппаратов. Результаты лабораторных испытаний представлены в таблице. В результате лабораторных испытаний проверена работоспособность конструктивно-технологической схемы пневматической транспортирующей системы, установлен интервал оборотов вращения вентилятора: от 2100 до 2700 об/мин, при которых обеспечивается транспортирование гранул удобрений без забивания эжекторных воронок и трубопроводов, при скорости воздушного потока в трубопроводах в интервале от 13 до 25 м/с. По результатам испытаний системы дифференцированного внесения минеральных удобрений установлено, что отклонение фактической дозы внесения удобрений от заданной составило 2,1-5,0 %, что соответствует нормативным требованиям [17]. Выводы и заключение Установлено, что для хозяйств зерносеющих районов Северного Казахстана подходят системы Artemis и «Агронавигатор-дозатор», которые осуществляют дифференцированное внесение удобрений в двухэтапном режиме (off-line) по имеющимся электронным картам-заданиям. По обобщенной функции желательности выбрана оптимальная система «Агронавигатор-дозатор», которая состоит из навигационного комплекса с монтажным устройством, ГЛОНАСС/GPS-антенны, исполнительных механизмов (актуаторы), кабелей питания и связи, пульта дистанционного включения режима обработки. По результатам лабораторных испытаний установлено, что конструктивно-технологическая схема пневматической транспортирующей системы обеспечивает транспортирование гранул без забивания трубопроводов в интервале оборотов вентилятора от 2100 до 2700 об/мин, при скорости воздушного потока в трубопроводах в интервале от 13 до 25 м/с. Исполнительный механизм дозирующего устройства обеспечивает регулировку дозы внесения в соответствии с картой-заданием с отклонением фактической дозы внесения от заданной на 2,1-5,0 %. Рис. 2. Общий вид системы дифференцированного внесения минеральных удобрений с установленным симулятором Рис. 3. Общий вид дозирующего устройства и актуатора Таблица Результаты лабораторных испытаний системы дифференцированного внесения минеральных удобрений Показатель Значение показателя Осевое перемещение штока, % 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Осевое перемещение штока, мм 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Длина рабочей части катушки, мм 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 Установленная доза внесения удобрений, кг/га 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Фактическая доза внесения удобрений, кг/га 19,0 28,5 38,1 47,8 57,5 67,5 77,4 87,3 97,2 107,3 117,4 Отклонение фактической дозы внесения удобрений от заданной, % 5,0 4,9 4,7 4,4 4,2 3,6 3,3 3,0 2,8 2,5 2,1 Представленные исследования выполнены в рамках договора № 31-2 от 19 ноября 2018 г. с НРЦЗХ им. А.И. Бараева на выполнение прикладных научных исследований в области агропромышленного комплекса на 2018-2020 г. по бюджетной программе 267.

About the authors

I. V Tokarev

Kostanai branch LLP «Scientific production center of agricultural engineering»

Email: Tokarev_Ivan.V@mail.ru. 1989_antoxa_30@mail.ru. celinnii.@mail.ru. Sergbobkov@mail.ru
Kostanai, Kazakhstan

A. N Kuvayev

Kostanai branch LLP «Scientific production center of agricultural engineering»

Email: Tokarev_Ivan.V@mail.ru. 1989_antoxa_30@mail.ru. celinnii.@mail.ru. Sergbobkov@mail.ru
Kostanai, Kazakhstan

A. I Derepaskin

Kostanai branch LLP «Scientific production center of agricultural engineering»

Email: Tokarev_Ivan.V@mail.ru. 1989_antoxa_30@mail.ru. celinnii.@mail.ru. Sergbobkov@mail.ru
DSc in Engineering Kostanai, Kazakhstan

S. I Bobkov

Kostanai branch LLP «Scientific production center of agricultural engineering»

Email: Tokarev_Ivan.V@mail.ru. 1989_antoxa_30@mail.ru. celinnii.@mail.ru. Sergbobkov@mail.ru
Kostanai, Kazakhstan

References

Supplementary files