Обоснование технологии выращивания топинамбура

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обоснование технологии выращивания топинамбура

Введение

Механизированная технология выращивания топинамбура включает 2 блока задач: создание машин для семеноводства и создание машин для промышленного выращивания топинамбура. При этом часть машин можно использовать из общей системы машин, однако ряд специальных машин необходимо разработать. Не решены вопросы механизации посадки миниклубней топинамбура, не определены параметры машин для семеноводства и выращивания топинамбура для переработки. Для этого необходимо исследовать и обосновать требования к полевым машинам для семеноводства и промышленного выращивания топинамбура.

1. Автоматическая сажалка миниклубней топинамбура

В четвертой главе изложены исследования по агротехническому обоснованию параметров технологии механизированного возделывания топинамбура.

Для посадки миниклубней топинамбура разработана технология посадки миниклубней в биоконтейнерах. Для агрегата поштучного высева биоконтейнеров с междурядьем 70(75) см с образованием гребнистой или гладкой поверхности, рекомендуемая длина гона составляет до 500 м. Агрегат для посадки растениеводческой продукции в биоконтейнерах должен иметь ёмкость бункера на 1 рядок не менее 80 кг.

Почва под высев биоконтейнеров должна подготавливаться в соответствии с требованиями, принятыми в данной зоне агротехники. Плотность почвы на дне борозды под биоконтейнерами на тяжелых суглинистых дерново-подзолистых почвах должна быть не более 1,2 г/см2, а на связных песчаных дерново-подзолистых почвах - не более 1,4 г/см2.

Агрегат должен обеспечивать шаг посадки 25, 30, 35 см. За один проход агрегат должен: образовывать борозды, рыхлить дно борозды, смачивать контейнеры, равномерно укладывать их в раскрытые борозды, заделывать рыхлой почвой с образованием гребнистой или гладкой поверхности поля. Машина должна высаживать на гектар до 70 тыс. контейнеров. Равномерность раскладки биоконтейнеров при густоте 45-55 тыс.шт./га на 1 га должна быть не менее 80%, а при густоте 56-70 тыс. - не менее 60%. Отклонение ширины основных междурядий от заданной допускается не более 1-2 см, а стыковых ±10 см.

Агрегат должен обеспечивать при гребневой высадке высоту гребней от 4 до 12 см, интервал регулировки через 2 см от дна борозды. Средняя линия гребней должна располагаться над линией высаженных биоконтейнеров, допускается отклонение не более 2 см. При глубокой высадке поверхность поля должна оставаться ровной, заборонованной. При гребневой и гладкой высадках контейнеров агрегат должен производить заделку на глубину от 4 до 14 см от вершины гребня или поля до верхней точки. Отклонение от средней глубины заделки допускается не более 1-2 см. Рабочие органы агрегата не должны уплотнять почву, извлекать на поверхность нижний влажный слой почвы, засыпать контейнеры сухой почвой. Агрегат не должен повреждать более 10% контейнеров (по количеству). Ёмкость для смачивания биоконтейнеров должна иметь объём до 120 л и обеспечивать работу агрегата без заправки на длине гона до 500 м.

Агрегат двухрядный, но может быть и четырехрядный. Модификации могут быть полунавесными или прицепными, иметь маркеры с приспособлениями для подъема во время работы и опускания в момент загрузки. Вес агрегата, приходящийся на один рядок захвата, не должен превышать 250 кг в навесном исполнении. Агрегат для высева растениеводческой продукции в биоконтейнерах должен иметь привод рабочих органов, синхронизированный от ходовых колес тракторов класса 1,4 или опорных колёс сажалки. Транспортный просвет под сошниками должен быть не менее 300 мм. Ширина колеи агрегата должна сов-падать с колеей трактора. Рабочие скорости агрегата при работе в режиме вы-садки материала должны быть до 7,0 км/ч. Производительность за 1 час чистого времени - не менее 0,5 га. Агрегат должен обеспечивать необходимое качество работ на склонах до 7 градусов. Угол опрокидывания агрегата должен быть не менее 30 градусов.

Коэффициент готовности машины должен быть не менее 0,98, коэффициент надежности технологического процесса 0,96, коэффициент технического использования 0,96. Средняя наработка на один отказ должна быть не менее 40 часов, а средняя удельная трудоёмкость технических уходов должна быть не более 0,36 чел. час.

На рисунке 3 представлена схема высаживающего аппарата, являющегося основой для расчёта узла поштучной подачи агрегата для механизированного высева растениевод- ческой продукции в биоконтейнерах.

Схема высаживающего аппарата

1 - Диск 1; 2- Диск 2; 3 - Кольцо; 4 - Ложемент

Ведущая звездочка цепи приводится в движение от ходового колеса машины. Обозначим через d ее диаметр, то при одном обороте звездочки цепь переместится на расстояние

S=рd (4.1)

Принимая расстояние между ложементами высаживающего аппарата равным k, найдем число рабочих элементов, прошедших над выводным отверстием за один оборот ведущей звездочки элеватора:

N= рd/ k (4.2)

За один оборот ходового колеса машины число ложементов, прошедших через отверстие выводного клубнепровода:

N1= рd/ ki (4.3)

где

i=nх.к /nзв

- передаточное отношение;

nх.к - число оборотов ходового колеса;

nзв - число оборотов ведущей звездочки высаживающего аппарата.

Если звездочка сидит на оси ходовых колес, то i=1; при этом путь, пройденный машиной за один оборот ходового колеса

S1=рD (4.4)

Где:D - диаметр ходового колеса;

Разделив путь S1 на число ложементов, проходящих через выводной рукав за один оборот ходового колеса, найдем теоретическое расстояние между высаженными биоконтейнерами (клубнями):

L=Dki/d (4.5)

Таким образом, из равенства (2.5) следует, что расстояние между биоконтейнерами, а, следовательно, между биоконтейнерами в ряду можно изменять посредством подбора звёздочек. Кроме того, важной составляющей является линейный размер выводного окна.

При малом размере и высокой скорости диска возможны повреждения биоконтейнеров о кромки окна, при большом размере возможны "двойки", т.е. одновременное падение двух биоконтейнеров. При этом, момент выхода биоконтейнера из ложемента состоит из двух составляющих: движения со скоростью диска на пути s равном dk и далее свободное падение.

Если рассматривать момент начала падения совпадающим с моментом открытия выводного клубнепровода на величину b > dк будут падать с высоты h.

Начальная скорость биоконтейнера будет зависеть от момента освобождения, поэтому высоту падения можно определить по формулам:

h=хл cosбt + (g t2)/2 (4.6)

где: б- угол, характеризующий положение рабочего элемента при освобождении биоконтейнера. Пренебрегая сопротивлением воздуха, решим квадратное уравнение (4.6), из которого найдем:

t= (- хл cosб1±v хл2 cos2б+2gh)

Следовательно, время полного освобождения ложемента биоконтейнером составит:

T=t+ t_., (4.8)

Определяем время выхода на режим свободного падения размером биоконтейнера и скоростью движения диска, по формуле:

t_= dк/ хл (2.9)

следовательно, размер выходного окна должен быть не менее:

L= T х хл (2.10)

2. Результаты исследования биоконтейнерной технологии при выращивании топинамбура из миниклубней

Биоконтейнер - это шарик спрессованных удобрительных компонентов и микроэлементов 20, 30, 40 или 60 миллиметров в диаметре с пустотой ложем, в которое закладывается семя или полученный из меристемы оздоровленный материал (рисунок 1.2). После поливов во влажной почве межмолекулярные связи биоконтейнера нарушаются, и он начинает распадаться, создавая вокруг заложенного в биоконтейнер семени рыхлую, воздухопроницаемую питательную биомассу, превышающую первоначальный, объем контейнера в 2-2,5 раза.

Биоконтейнер (рисунок 4.3.1) - сбалансированная питательная биомасса, создающая вокруг клубней, находящихся в ней, благоприятные условия для прорастания, всхожести, приживаемости и дальнейшего вегетационного процесса, оказывающая физиологическое воздействие на онтогенез (рост) растения [125].

Биоконтейнер изготавливается из биокомпоста, торфа и питательных веществ при высоком давлении. Он содержит преимущественно биологически усваиваемые растением вещества, включая органические и неорганические питательные вещества, биологически активные вещества и другие составляющие. Его ингредиенты улучшают агрохимические и биологические свойства почвы, обеспечивают более интенсивный рост растений, увеличивают их продуктивность и качество продукции. Растение получает мощный толчок для здорового развития, повышается всхожесть семян, ускоряется их прорастание. При этом питательная оболочка обеспечивает защиту от вредителей и болезней у растения. Подготавливают формообразующее биологически усваиваемое вещество для формирования биоконтейнера.

В качестве формообразующего биологически усваиваемого вещества может использоваться любое вещество, с одной стороны, способное быть биологически усвоенным растением после пробуждения семени (при наличии достаточного количества влаги) и, частично, после переработки его почвенными микроорганизмами; а с другой стороны, способное в процессе прессования приобретать заданные форму и механическую прочность (т.е. подвергаться формообразованию). Важным качеством биоконтейнера является сохранение этих свойств при длительном нахождении в условиях, являющихся оптимальными для обеспечения периода покоя семян соответствующих растений. Правильно подобранный состав материала биоконтейнера обеспечивает наилучший влажностный режим и дыхание семени при его хранении, что способствует более высокой всхожести семян, подготовленных таким способом. Такие биоконтейнеры с семенами можно хранить на складе в условиях, соответствующих оптимальным условиям хранения материала.

Важное достоинство метода и в том, что для каждой культуры можно подобрать такой состав биоконтейнера, который наилучшим образом способствует развитию культурного растения и в то же время угнетает растущие рядом сорняки. Более того, в биоконтейнер можно заложить специальный гидрогель, и тогда растение будет нормально расти даже во время засухи. Добавляя в биоконтейнер некоторые микроэлементы, можно целенаправленно получать растения с лечебными свойствами.

Для выращивания используются мини-клубни или мелкие элитные семенные клубни, имеющие высокий выровненный потенциал для равномерного поглощения заданных количеств селена, кремния, йода.

Для оценки прочностных характеристик биоконтейнеров предварительно была оценена статическая и динамическая нагрузка, которую выдерживают контейнеры и возможный разброс этих характеристик на специальных приборах.

Прибор измерения статической твердости биоконтейнера ПСТ-1 (рисунок 4.3.2) представляет собой штатив, на котором подвижно закреплен шар-плунжер (диаметром 10 мм), упирающийся в динамометр. На штативе устанавливается исследуемый предмет. Плунжер подводится к исследуемому предмету. При дальнейшем перемещении плунжера динамометр показывает глубину проникновения и упругого сжатия исследуемого предмета и усилие, развиваемое плунжером.



Прибор для статической оценки характеристик биоконтейнера

Исследования на приборе измерения статической твёрдости ПСТ-1 показали, что биоконтейнеры диаметром 40 мм при статической нагрузке шара-плунжера (диаметром 10 мм) имеют упругую деформацию и сжимаются на 5 мм без разрушения биоконтейнера. Дальнейшая нагрузка приводит к разрушению контейнера, при этом дополнительное продвижение плунжера не превышает 3 мм. Этот параметр включен в расчет ячеек механизма поштучной подачи.

Для оценки скоростей движения поверхностей, на которых будут находиться биоконтейнеры, необходимо было определить динамическую силу удара, приводящую к разрушению контейнера. Исследования проводились на специальном стенде.

Прибор для динамической оценки характеристик биоконтейнера (рисунок 4.3.3) представляет трубу со шкалой, по которой свободно перемещается шток с бойком на конце в виде шара диаметром 10 мм.

Коэффициент упругости, измеренный на приборе определения динамической прочности ПДП-1, составил: Ку= 8,4%, у = 2,1, V = 14,0.

Исследования на специальном стенде показали, что падение биоконтейнера с высоты 25 см на металлическую поверхность при однократном ударе не приводит к разрушению биоконтейнера. В то же время при падении плунжера с бойком с высоты 1 метр, 10% биоконтейнеров разрушается. Удар бойка плунжера диаметром 10 мм весом 100 г с высоты 50 см разрушает контейнер частично, а с высоты 1 м вероятность разрушения контейнера составляет 50% (таблица 4.3.1). Результаты этих измерений положены в основу расчета конструкции агрегата автоматической подачи биоконтейнеров в технологии высева.

Влияние высоты падения плунжера с бойком в виде шара диаметром 10 мм массой 100 г на вероятность разрушения биоконтейнера.

Показатели	Значения
Высота падения, мм	100	250	500	1000
Разрушенные контейнеры, %	0	1	12	51

Полученная зависимость прочности биоконтейнеров от их влажности и высоты падения на металлическую плиту (рисунок 4.3.4). Наилучшей является влажность биоконтейнеров 10-15%, которая позволяет сохранять биоконтейнеры целыми при падении с высоты 40 см.

Зависимость прочности биоконтейнеров от высоты падения и влажности

Динамика поглощения воды биоконтейнером (рисунок 4.3.5) показывает, что биоконтейнеры поглощают влагу в течение 7-10 секунд с коэффициентом поглощения - 3,5 (соотношение массы воды к массе биоконтейнера) и за счёт использования водных абсорбентов удерживает её, отдавая влагу по мере необходимости корневой системе растения.

Динамика абсорбции воды биоконтейнерами

3. Широкорядные посадки - новый технологический прием выращивания топинамбура

Проблема, сдерживающая распространение топинамбура, заключается в том, что не сформирован спрос на эту ценную культуру, являющуюся источником инулина, фруктозы и пектина. В настоящее время ведется строительство предприятий по переработке топинамбура на инулин, сиропы, корма но отсутствие в промышленных масштабах сырья, комплекса машин для механизированной технологии возделывания топинамбура ставит под угрозу реализацию этих инвестиционных проектов. Топинамбур по ряду технологических параметров напоминает картофель /1/.

Проблема возделывания топинамбура связана со сложностью уборки в дождливую осень при избыточной влажности клубненосного слоя почвы. Избыточная влажность приводит к задыханию клубней и последующему их разложению. Переувлажненная почва при уборке плохо сепарируется. Прямые потери при уборке в дождливую осень составляют до 10 % даже в хорошо оснащенных техникой предприятиях. А в ряде случаев урожай просто теряется.

Перспективы промышленной переработки топинамбура во многом определяется наличием на рынке сырья. А это в свою очередь определяется технологией и средствами механизации возделывания топинамбура.

В настоящее время для возделывания топинамбура используется технология возделывания картофеля, однако для промышленного использования она не пригодна, поскольку имеет ряд недостатков:

Уплотнение гребней и повреждение клубневого гнезда колёсами тракторов и автоагрегатов при междурядных обработках и уборке зелёной массы и клубней.

Клубневые гнезда топинамбура больше в 1,2-2 раза, а клубни в несколько раз прочнее связаны с корневой системой, чем клубни картофеля. При уборке клубней топинамбура картофелеуборочными комбайнами происходит сгруживание клубневых гнезд, плохое отделение клубней, остатков стеблей, корневой системы. Потери при осенней уборке составляют до 70%.

Обычно топинамбур возделывается по гребневой технологии возделывания картофеля с шириной междурядий 75 см, однако для индустриального возделывания топинамбура эта технология не пригодна по ряду причин. Во первых при уборке зеленой массы летом-осенью и при уборке осенью и весной клубней, используемый транспорт "закатывает" и уплотняет почву в гребнях и делает невозможным уборку клубней.

Клубненосный пласт при уборке плохо разделывается и сепарируется из-за большого размера клубневых гнезд по сравнению с клубневыми гнездами топинамбура. В результате комбайновая уборка связана с потерями до 40% клубней.

Принципиальное преимущество широкорядной и грядовой технологии:

1.Расстояние между грядами, шириной до 100 см, позволяют использовать практически любой транспорт при возделывании, уборке стеблей и клубней топинамбура.

2.Сдвоенные рядки снижают на 40% объем почвы поступающий на элеваторы при уборке клубней. Боковой подкоп снижает уплотнение почвы при уборке клубней.

3. Снижаются расходы энергии

Высокая урожайность обеспечивается внутрипочвенным капельным поливом. Урожайность на поливе в 1,5-2 раза выше, чем без полива. Гряды, по сравнению с обычной технологией, снижают расход поливных трубок в 2 раза.

Параметры гряды. Для более эффективного выращивания предлагается возделывать топинамбур на грядах в 2 или 3 строки (40+110;40+40+90). Такие посадки позволяют более равномерно по отношению к поверхности поля расположить клубневые гнезда по схеме ромба со стороной 50 см /2/.

Предлагаемый способ отличается наличием новых технологических приёмов - топинамбур размещают по предшественникам - сидератам, озимым бобово-злаковым смесям, весной по всходам сидератов высаживают клубни топинамбура двумя-четырьмя рядками с шириной между рядками 20-40 см с образованием после всходов гряды шириной 120 см, чередующихся с технологическим промежутком для прохода уборочных и транспортных машин шириной 60...120 см.

Вид сечения гряды

На фиг. 1 изображён вид сечения гряды, где 1 - гряда, 2 - клубневое гнездо топинамбура, 3 - технологический промежуток для прохода колёс тракторов, транспортных средств, самоходного кормоизмельчителя и картофелеуборочного комбайна.

Способ осуществляют следующим образом. Топинамбур размещают в кормовом севообороте по предшественникам. В качестве предшественника используют сидераты - быстро растущие озимые бобово-злаковые смеси, которые используют как зелёное удобрение, производят борьбу с сорняками и вредителями.

В первый год весной по всходам сидератов высаживают семенные клубни топинамбура 2 при помощи грядовых сажалок с маркёрами. Для посадки используют сорта топинамбура с клубнями округлой формы, образующих рыхлое клубневое гнездо. Величина посадочных клубней около 30-50 мм. Клубни высаживают при помощи сошников шириной 10,0 см на глубину 5-8 см с размещением клубней топинамбура двумя-четырьмя рядками с шириной между рядками 20-40 см.

В рядке клубни размещают с расстоянием 60...80 см в шахматном порядке, что позволяет более продуктивно использовать площадь питания топинамбура. Заделку клубней в рядках производят совместно с заделкой в почву зелёной массы сидератов дисковыми загортачами или зубовыми рыхлителями. После появления всходов растений топинамбура производят первую обработку почвы культиватором с образованием гряды 1, шириной по верху 60-120 см. Между грядами образуют технологические промежутки 3 с размером по верху 60-120 см, что позволяет использовать технику в период вегетации топинамбура для проведения междурядной обработки и последующих окучиваний, что создаёт благоприятные условия для развития клубневого гнезда 2.

На связных почвах перед посадкой и на уходе проводится фрезерование, поскольку эффективная комбайновая уборка зависит от структуры почвы в гребне, чем меньше крупных комков, тем лучше сепарация почвы. Фрезерная обработка почвы эффективный прием снижающий содержание комков в почве, но энергоемкий процесс, зависящий напрямую от глубины обработки. Чем глубже обработка, тем больше затраты энергии. В тоже время структура почвы в гребне определяет сепарацию при уборке топинамбура, поэтому гряда должна состоять из мелкокомковатой хорошо сепарируемой почвы, которую может создать фреза /3/.

Глубина сплошного предпосадочного фрезерования (h) рассчитывается по формуле:

h? k S / ( L1+L2);

Где: L1,L2,S,k - ширина верхнего основания гряды, ширина нижнего основания гряды, площадь сечения гряды, коэффициент усадки почвы соответственно.

Для реализации данной технологии в ЗАО "Колнаг" разработана грядовая сажалка. Рис.2.

Рис.2. Сажалка для посадки в гряды в 2 строки.

Сажалка создает 3 гряды, высаживая клубни спаренными высаживающими аппаратами в две строки. Рис.3.

Процесс посадки осуществляется следующим образом: клубни топинамбура из самосвальных средств загружаются в бункер сажалки. При перемещении сажалки по полю клубни зачерпываются ложечками высаживающего аппарата и укладываются на дно борозд, которые создают спаренные сошники.

Клубни укладываются в борозды в шахматном порядке, что позволяет более эффективно использовать площадь посадки, за счет равномерной раскладки клубней.

Следующий за сошниками окучник и диски закрывают клубни почвой. При необходимости сразу за окучником укладывается трубка для капельного полива.

Рис.4. Грядообразующие диски и окучник.

Осеннюю предпосадочную обработку почвы, посадку семенных клубней в гряды, междурядные обработки, скашивание стеблей на фураж и уборку клубней, отличающийся тем, что топинамбур размещают по предшественникам, в качестве предшественников используют сидераты - озимые бобово-злаковые смеси, в первый год весной по всходам сидератов высаживают клубни топинамбура двумя-четырьмя рядками с шириной между рядками 20-40 см с образованием после всходов гряды с шириной 120 см, чередующихся с технологическим промежутком шириной 60-120 см для прохода уборочных и транспортных машин, после уборки топинамбура по убранным рядкам культиватором производят формирование двух-четырёх рядков на каждой гряде, на второй год в весенний период до всходов растений топинамбура производят культивацию и формирование гряд, боронование сорных растений и рядков с мелкими клубнями, а после всходов топинамбура производят прореживание или букетирование рядков с доведением расстояния между оставшимися гнёздами растений до 60-80 см.

Принимая эти условия предпосадочную обработку почвы надо проводить на глубину, которая обеспечит получение толщины обработанного слоя 12-14 см. Учитывая первоначальную (с1) и получаемую (сп) плотности почвы глубина предпосадочной обработки может быть различной.

Предельные значения величины защитной зоны связаны с различными сроками проведения междурядных обработок. Минимальное значение определяет зону относительно маточного клубня (начальный период вегетации), а максимальное - защитная зона при сформировавшемся клубневом гнезде.

Проблема уменьшения механических повреждений клубней топинамбура при машинной технологии его производства и особенно уборке клубнеуборочными комбайнами, одна из важнейших во всем цикле производства топинамбура, в том числе и на грядах.

Клубни подвергаются механическим повреждениям при сравнительно небольших статических и динамических нагрузках. Повреждения клубней ухудшают товарные качества топинамбура и приводят к большим потерям собранного урожая при последующем хранении.

Исследованиями установлено, что различные сорта топинамбура обладают различной устойчивостью к повреждаемости от механических воздействий на них. Кроме того, по мере завершения процесса созревания, а также при провяливании свежевыкопанных клубней на воздухе, они более устойчивы к механическим воздействиям. Повторные удары значительно увеличивают повреждаемость клубней.

При уборке топинамбура, необходимо учитывать упругие свойства клубней и рассматривать процесс как упругий удар, определяя энергию, идущую на деформацию клубня как разность кинетической энергии клубня до и после удара:

,

где: k - коэффициент восстановления,

;

Vо, V - скорости клубня соответственно после и до удара о преграду, м/с;

Р1, Р2 - вес, соответственно клубня и площадки, на которую падает клубень, кг.

Перед уборкой клубней осуществляют скашивание зеленой массы косилками для уборки крупно стебельных растений. Уборку клубней топинамбура проводят 2-х рядным картофелеуборочным комбайном.

4. Пути повышения качества семенных посадок оригинального топинамбура за счет бесконтактного распознавания больных растений

Обнаружение болезни растений

Топинамбур, как и другие культуры подвергается заболеваниям. Большинство болезней визуально проявляется на наземной части топинамбура: в первую очередь на листьях. Это мучнистая роса, септориоз, склеротиния и ряд других. Технологически бороться с ними традиционными методами сложно из высоты растений до 3,5-4 метров и высокой плотности посадок, что затрудняет фитопрочистки. В то же время больных растений, как правило, не много и массово применять традиционные опрыскиватели не обязательно. Операции по распознаванию болезней должны осуществлять в сплошную, а применение мер-точечно. Эффективным приемом в такой ситуации может быть использование беспилотников с видиозаписью посадок с координатной привязкой к местности, анализом видеоснимков и последующим принятием решения по удалению растения.

Основные методы, используемые для обнаружения болезни растений, представлены на рисунке.



Иллюстрация методов обнаружения болезни растений в зависимости от стадии ее развития

На начальной стадии заболевания растений флуоресценция является наиболее подходящим методом, так как можно оценивать состояние растения по продуктивности фотосинтеза. По мере развития метаболических изменений, грибок начинает, распространяется радиально вокруг своей точки инфекции. Инфицированные участки растения подвергаются некрозу: теряют пигментацию, прекращается процесс фотосинтеза и клеточные стенки разрушаться. В этот момент инфицированные участки становятся видимыми.

Некроз - это отмирание клеток и образование участков отмершей ткани, происходящее под действием токсинов патогенна, либо неблагоприятных абиотических факторов (высокие и низкие температуры, недостаток влаги, химические вещества и т. п.). При некрозах в клетках происходят необратимые изменения, которые приводят их к гибели. Некроз может быть общим или местным. Общий некроз характеризуется отмиранием всего растения или его большей части. Он наблюдается при таких болезнях, как сосудистый микоз ильмовых и дуба, когда патоген распространяется по всему растению и вызывает его отмирание. Местный, или локальный, некроз обычно ограничен в своем распространении и чаще проявляется в виде отдельных отмерших пятен на листьях, стеблях, плодах, либо формирования раковых язв, ступенчатых ран и т. п.

Анализ отраженного света может помочь в обнаружении инфекции. Например, может быть обнаружен возбудитель пропагулы в видимом спектре (в зависимости от возбудителя); деградация хлорофилла и покраснение кромки (550 нм; 650-720 нм); старение в диапазоне (680-800 нм) из-за потемнения (1400-1600 нм и 1900-2100 нм) из-за сухости; изменения плотности полога и листовой поверхности в NIR.

В то время как болезнь постепенно поражает все растение, оно испытывает сильный стресс, который ведет к общему закрытию устьица, в целях сокращения потерь воды. Это изменение в транспирации можно контролировать с помощью термографии. Однако температура листьев быстро меняются, и в значительной степени зависит от температуры окружающей среды, освещения и ветра. Следовательно, в связи с изменением экологических факторов, термография дает не точные результаты. Рассмотренные методы дают более надежные результаты, когда болезнь полностью развилась и инвазии являются высокими. Очевидно, что некоторые изменения в спектральных характеристиках растений делают возможным использовать оптические сигналы для обнаружения присутствия заболеваний сельскохозяйственных культур.

Эффективность выявления заболевания во многом зависит от алгоритмов, используемых для обработки данных. Для каждой болезни растений гиперспектральные способы визуализации могут быть использованы для упрощения и автоматизации обнаружение заболевания. Это может быть основано на использовании простых алгоритмов или нейронных сетей, например. [54, 55, 56, 57, 58], которые использовали алгоритмы анализа изображений для различения между фоном и пшеничной массой (на основе отражательной способности в диапазоне 675 нм и 750 нм), а затем по классификации комбинаций спектральных диапазонов различать здоровые ткани листьев и участков озимой пшеницы, пораженных желтой ржавчиной [59].

Дальнейшее улучшение систем обнаружения болезни растений, может быть достигнуто в результате объединения мультисенсорных спектральных и флуоресцентных методов [56]. Преимущества, недостатки и лучшее потенциальное использование рассмотренных сенсорных технологий приведены в таблице 4.

Таблица 2 - Сенсорные технологии для обнаружения болезни растений

Сенсорная технология	Преимущества	Недостатки	Наилучшие сферы применения
Флюоресценция	Ранее обнаружение болезней даже до того, как произошли изменения растения	Не могут быть определены факторы, вызвавшие стрессовое состояние, недостаточная точность и чувствительность к уровню освещенности	Метод может быть использован для раннего предупреждения возможного осложнения в будущем или для использования в лабораторных исследованиях
Отражение света	Обеспечивает хорошее определение факторов, вызвавших стресс, высокая точность в распознании болезни растений	Более эффективно после того как определены симптомы и обесцвечивание становятся видимым. Чувствительность к интенсивности контроля и возрасту растения
Термография	Можно определить наличие болезни если с ней связано содержание воды в листьях. Боле эффект при использовании на летательных аппаратах.	Сильно зависит от уровня освещенности, очень низкая точность при изменении погодных условий, не позволяет идентифицировать специфические факторы, вызвавшие стресс растений	Термография может быть использована в теплицах или летательных аппаратах при равномерной освещенности и постоянной температуры окружающей среды

Потенциальные спектральные методы для выявления заболевания растений

Имеется ряд показателей, по которым с помощью технических средств может быть обнаружена болезнь растений. Для обнаружения болезни растений могут быть использованы электромагнитные волны. Обычно опираются на гипотезу, что электромагнитные волны взаимодействуют со здоровыми растениями (поглощение, отражение, флюоресценция) по-другому, чем зараженные растения. У растений различные оптические свойства. Некоторые из них могут быть обнаружены невооруженным глазом, для обнаружения других необходимы сложные технические средства. Световые методы измерения очень полезны для обнаружения этих свойств.

Анализ спектра, отраженного от растений света, выходящего из кроны после нескольких взаимодействий, т.е. отражений, трансмиссий, и поглощения, с тканями растения позволяет обнаружить заболевание растений. Это диффузно отраженное излучение образует образ растения в форме функции, описывающей соотношение интенсивности отраженного света к поступившему на растение света для каждой длины волны в видимом (400-700 нм), ближнем инфракрасном (700-1200 нм) и коротковолновом инфракрасном (1200-2400 нм) диапазоне спектра.

Взаимодействие электромагнитного излучения с растениями изменяется с длиной волны излучения. Здоровые листья обычно имеют:

- Низкий коэффициент отражения в видимом спектре обусловлен сильным поглощением светочувствительными пигментами (хлорофиллы, антоцианы, каротиноиды).

На рисунке можно наблюдать, как облучение поглощается [60].

Высокая отражательная способность в ближнем инфракрасном спектре обусловлена многократным рассеянием.

Низкий коэффициент отражения в широком коротковолновом инфракрасном (1200-2400 нм) областях спектра обусловлен поглощением излучения водой, белками и другими компонентами углерода [61, 62].



Схематическое изображение отражения и пропускания излучения через слои растения (горизонтальные линии) пронумерованные в видимом и ближнем ИК регионах соответственно навес и очень мало излучения освобождается, особенно от нижнего слоя

Из-за их высокого содержания воды (излучательная способность от 0,97 до 0.99), здоровые листья ведут себя подобно "черному телу" и излучают в тепловом инфракрасном диапазоне (TIR?10 м) в соответствии их температурой.

Изменения отражательной способности листьев растений можно объяснить изменением состава листьев. Болезни могут повлиять на оптические свойства листьев при многих длинах волн. Таким образом, болезнь может быть обнаружена на основе спектральных измерений в различных диапазонах длин волн или комбинации диапазонов.

Здоровые растения кажутся зелеными, поскольку зеленый свет (около 550 нм) отражается более эффективно по сравнению с синим, желтым и красным, которые поглощаются фотоактивными пигментами.

Использования беспилотных квадрокоптеров для оценки качества посадок оригинального топинамбура

Системы точного земледелия значительно облегчают работу сельхозпроизводителям, повышают ее эффективность, сокращают затраты. Но в России технология точного земледелия только развивается. Внедрению мешают дороговизна компонентов, не всегда высокая квалификация персонала и отсутствие достаточного количества современной техники.

Принципиальное отличие от обычного земледелия состоит в том, что технология точного земледелия рассматривает каждое сельскохозяйственное поле как неоднородное. Поле разделяется на некоторое количество однородных участков - новых единиц управления. Для получения с данного поля максимального количества качественной продукции на каждой новой единице управления необходимо с помощью варьирования уровня технологического воздействия создать оптимальные условия для произрастания растений. Новые информационно-измерительные и вычислительные технологии позволяют обнаруживать болезни и вредителей топинамбура по визуальному анализу цветных изображений, полученных с квадрокоптеров с фиксацией с помощью GPS/ГЛОНАСС границы выявленной неоднородности, т.е. точно определять нахождение на поле больных растений.

Известно, что условно точное земледелие можно разбить на три этапа: сбор данных, анализ данных и принятие решений, выполнение агротехнических операций в поле. Сбор данных включает в себя создание электронных карт полей болезней растений с привязкой к местности.

Наибольшее распространение в России получили различные навигационные технологии (все, что связано с автопилотированием). позволяющие дифференцированно вносить удобрения, по-прежнему внедряются слабо, именно здесь аграриям нужна поддержка, без нее технология не будет развиваться. Хуже дела обстоят с дозированным внесением СЗР, эти компоненты в российском АПК практически не используются.

Исследования показали, что стебли топинамбура достигают высоты 3,5 метров, при этом плотность растений достигает 5 шт/га. и более. Очевидно, что защитная обработка полей при такой высоте растений затруднена. В то же время топинамбур устойчивая к болезням культура и больные растения в семеноводстве топинамбура - редкость. В то же время на посадках для производства кормов и топинамбура для переработки возможны проявления болезни склеротиния, поэтому важно отслеживать посадки топинамбура. Для таких целей может подойти квадрокоптер с дистанционными цветными видеозаписями с привязкой к местности для визуального анализа снимков. В перспективе предлагается использовать современные - мини-вертолеты (гелиокоптеры) для опрыскивания полей защитными препаратами. Топинамбур может подвергаться поражению грибными, бактериальными и вирусными заболеваниями. Наиболее часто встречаются: ложная мучнистая роса, септориоз, белая гниль, склеротиния.

Система семеноводства топинамбура, описанная в 1 главе, надежно защищает посадки с оригинальным и элитными семенами. Защитить свои насаждения от вредителей мечтает каждый производитель. А если общая площадь полей большая, и вручную обработать ее не получается, то целесообразно использовать беспилотники, которые можно в перспективе использовать для фитопрочисток посадок, а репродукционные посадки защищать от болезней. Для этих целей предлагается использовать современные беспилотники самолеты и мини вертолеты с навигацией, видеокамерами и устройством, которое поможет распылять пестициды на поля с воздуха по команде оператора. Преимущества использования такой техники заключается в том, что она может использоваться не только для распыления защитных препаратов, но и контролировать посадки и своевременно определять сроки обработки и конкретные участки, которые нужно обработать.

Установленная на квадрокоптере видео камера позволяет сделать видеосъемку посадок топинамбура. Анализ видеосъемки позволяет оценить обстановку и определить болезни и их распростроненность. Детальный просмотр растений, например, листьев позволяет, немедленно проанализировать фотографию, принять необходимые меры для подтверждения потенциального заболевания и принятия соответствующих действий по устранению больных растений.

Видеобиблиотека сорной растительности, вредителей и болезней на посадках топинамбура.

Сорняки.

Аистник (Erodium cicutarium). /Семейство гераниевые. /Geraniaceae/. /Цветение. /Снижение численности в 2014 г.

//Незабудка полевая Д./Myosotis arvensis (L.) Hill./Boraginaceae /140514. /Высота 10 - 15 см длины. Доминирует в большинстве случаев.

//Ромашка.

//Тысячелистник (ЛP)./Achillea millefolium L./Compositae. /140514. /Распространение незначительное.

Чистотел (ЛР)

Опылители

//Дневной павлиний глаз И /100712. /2013. - 2014. - численность на одном уровне.

/Шмели И /200512. И. /130612. /180712 И /Топинамбур./Цветы. /140514. Имаго. /Единично.

Энтомофаги

//Пикромерус И. /Клоп хищный. /200512. /На полыни. /030712. /На топинамбуре. /140514. Имаго. /2013. - 2014. - численность на одном уровне.

Вредители.

//Бронзовка. И. /300512. /140514. Имаго. Нарастание численности в 2014 г.

/ /Клоп свекловичный. И. /300512 /180712 И /Топинамбур. /Цветы. Последовательное снижение численности в 2013 и 2014 гг.

/Пяденицы /Г /И. /090612. /070712. /Фото. /2013. - 2014. - численность на одном уровне.

/Саранчовые.

/Щелкуны /И. /090612. /210612.

Фото септориоза из библиотеки болезней топинамбура для визуального распознавание болезней по видеоснимку.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Фото мучнистой росы из библиотеки болезней топинамбура для визуального распознавание болезней по видеоснимку.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Фото склеротинии из библиотеки болезней топинамбура для визуального распознавание болезней по видеоснимку

Предложенный способ не нуждается в сложных алгоритмах и дорогом оборудовании для обработки изображений и поэтому может быть легко реализован с использованием языков программирования Java или С.

Визуальное распознавание болезней по видеоснимкам наиболее эффективно при наличии библиотеки снимков болезней.

Для исследования возможностей БПЛА (беспилотных летательных аппаратов проводятся на аппаратах ГеоСкан.



В связи с их высокой стоимостью и необходимостью решить относительно простую задачу провести видеосъемку поля и получить видеозаписи, работа проводилась на Квадрокоптере DJI Phantom 3 Professional. Затем проводился анализ видеоматериалов и сравнения их с библиотекой болезней.

Технические характеристики:

Размер53 см

Дальность2000 м

Время полета25 мин

Пульт работает от

АКБ Li-Po 7.4V 6000mAh

Длинна: 350 мм.

Ширина: 350 мм.

Высота: 190 мм.

Время полёта - до 23 мин

Дальность полёта - до 3.5 км

Масимальная скорость полета - 58 км/ч

Максимальная высота полёта - до 6 км

Эффективные пиксели - 12.4 Мп

Автопилот - есть

Навигация - GPS/ГЛОНАСС

Режим видеозаписи - UHD: 4K 4096x2160

Для организации управляющих воздействий можно использовать небольшой беспилотный вертолет, к которому прикреплен бак с химическим веществом для опрыскивания полей. Два винта помогают конструкции подняться в воздух, совсем как настоящий геликоптер. Если вдруг случится аварийная ситуация, то при падении винты замедлят движение и устройство плавно опустится на землю.

Запускать вертолет в воздух нужно при помощи пульта управления. Набор определенных команд заставляет устройство автоматически выполнять все руководства человека и успешно возвращаться обратно на землю.

Авиационный способ обработки сельскохозяйственных и лесных угодий имеет преимущества перед на - земным по производительности, возможности обрабатывать поле с увлажненной почвой, отсутствию механических повреждений растений. Обоснована целесообразность применения легкого летательного аппарата для авиационно-химических работ. Отметили, что автожир - перспективный легкий винтокрылый летательный аппарат для внесения жидких средств химизации. Он сочетает в себе свойства самолета и вертолета. Разработали автожир с модульной конструкцией устройства, обеспечивающего автоматизированное внесение жидких средств химизации с рабочей скоростью полета 70-100 км/ч, шириной распределения 8 м, высотой обработки 1,0-1,5 м, нормой внесения 10-20 л/га.

Установлены параметры эффективности применения автожира: продолжительность одного полета-цикла в зависимости от длины гона и расстояния подлета к обрабатываемому участку поля; полезную грузоподъемность и норму внесения. Определили, что площадь поля, обрабатываемого автожиром, возрастает с уменьшением нормы внесения, рациональные значения которой составляют 10-20 л/га. С увеличением полезной грузоподъемности со 100 до 350 кг производительность автожира в летный час возрастает в 3 раза и более.

Однако грузоподъемность ограничивается мощностью силовой установки автожира. Установили, что наименьшее время полета автожира 14-46 мин и наибольшая производительность обработки сельскохозяйственных культур 37-43 га/ч обеспечиваются при рациональных значениях длины гона участков поля 1,0-2,6 км в пределах расстояния подлета к полю 0,6-1,5 км. Так, для автожиров с мощностью двигателя силовой установки 150, 200 и 300 л.с., полезная грузоподъемность обычно составляет 120, 200 и 350 л соответственно.

Но основная цель - проведение фитопрочисток и своевременная оценка посадок семенного топинамбура, чтобы повысить качество получаемого семенного материала и получать высококонкурентную продукцию продукцию в долгосрочной перспективе, может решаться с использованием простейших БПЛА, оснащенных видеокамерой.

Выводы

сельскохозяйственный топинамбур семеноводство механизация

1. В результате исследований разработана технология и средства механизации посадки миниклубней в биоконтейнерах, позволивший выращивать оригинальные семенные клубни топинамбура.

2. Для выращивания топинамбура можно использовать междурядье 75 см, 90 см и гряды в 2 или 3 строки (40+110;40+40+90) в зависимости от целей. Посадки на грядах позволяют более равномерно по отношению к поверхности поля расположить клубневые гнезда по схеме ромба со стороной 40-50 см.

Предлагаемый способ отличается наличием новых технологических приёмов - топинамбур размещают по предшественникам - сидератам, озимым бобово-злаковым смесям, весной по всходам сидератов высаживают клубни топинамбура двумя-четырьмя рядками с шириной между рядками 20-40 см с образованием после всходов гряды шириной 120 см, чередующихся с технологическим промежутком для прохода уборочных и транспортных машин шириной 60...120 см. Для посадки топинамбура разработана специальная сажалка способная высаживать топинамбур в 2-3 строки в 3 гряды. Даны обоснованные параметры гряды.

3. Для контроля качества семенного топинамбура в процессе роста целесообразно использовать квадрокоптеры. Для качественной работы этих машин необходимо создать видео библиотеки сортов по болезням, вредителям, сорнякам. В ближайшей перспективе возможно использование БПЛА с элементами высокоточных управляющих воздействий по применению фунгицидов, гербицидов, инсектицидов.

Источники информации

1.Старовойтов В.И., Старовойтова О.А., Звягинцев П.С., Лазунин Ю.Т. Топинамбур - культура многоцелевого использования / Научно-производственный журнал "Пищевая промышленность". № 4. 2013. с. 22-25.

2. Способ возделывания топинамбура [текст] / В.И. Старовойтов, О.А. Старовойтова, В.И. Черников // Пат. 2455813, заяв. 2010152852. - 2010.

3. О.А.Старовойтова Инновационная грядовая технология выращивания топинамбура и топинамбура. Труды ВИМ, 2015 г.

4. Способ возделывания топинамбура / В.И. Старовойтов, О.А. Старовойтова, В.И. Черников // Пат. 2539635, заяв. 2013134375/13 - 22.07.2013.

Размещено на Allbest.ru

...