Способ оценки урожайности яровой пшеницы в зависимости от погодных условий
METHOD FOR ASSESSMENT OF SPRING WHEAT CROP CAPACITY DEPENDING ON WEATHER CONDITIONS

Изобретение относится к области сельского хозяйств, в частности к области научных исследований при оценке сельскохозяйственных культур и результатов их использования в сельскохозяйственном производстве.
Известен способ по оценке продуктивности растений в зависимости от лимитирующего фактора жизни растений (Лебедев Н.С. Закон лимитирующего фактора: применение в земледелии // Земледелие. - 1994. - №6 - С. 9-11).
Продуктивность растений определяется следующим выражением:
где У - продуктивность растения;
х - фактический параметр (лимитирующий) конкретного фактора жизни растений;
а - оптимальный параметр этого фактора;
b - минимальный или максимальный параметр того же фактора;
А - максимальная продуктивность растений.
Данное техническое решение имеет невысокую точность получаемых результатов по следующим причинам: отсутствие учета влияния любого, не лимитирующего фактора, не учитывается изменение факторов во времени и не учитывается различное влияние отдельных фенофаз на урожайность.
1
2
1
2
1
2
Известен способ прогнозирования урожайности яровой пшеницы (Кондратенко Е.П. и др. (RU), №2439873; Опубликовано: 20.01.2012 Бюл. №2). В способе используют множественную регрессионную зависимость Y=a+bX+bZ, где X - температуры, Z - осадки, а, b и b - коэффициенты. При этом измеряют средние активные температуры, средние осадки и соответствующие урожайности М предшествующих вегетационных периодов, на основании которых вычисляют коэффициенты регрессионного уравнения: b, b и а с помощью уравнений:
где Y (ц/га) - урожай яровой пшеницы i-го вегетационного периода,  - усредненный урожай яровой пшеницы за М лет предшествующих прогнозируемому вегетационному периоду, X - суммарная активная температура i-го вегетационного периода,  - усредненная суммарная активная температура за М лет предшествующих прогнозируемому вегетационному периоду, Z - суммарные осадки i-го вегетационного периода,  - усредненные суммарные осадки за М лет предшествующих прогнозируемому вегетационному периоду.
К недостаткам описанного способа относится не высокая точность прогнозирования урожайности из-за отсутствия возможности учета фенологических фаз и изменения числовых коэффициентов уравнения, которые сильно зависят от изменения условий возделывания растений. Если хозяйство поменяло технологию возделывания растений, то необходимо снова накапливать статистическую информацию в течении М лет или получать высокую погрешность.
Наиболее близким аналогом является способ оценки урожайности зерновых культур в зависимости от погодных условий (Потанин В.Г., Потанин И.В. (RU), №2281644; Опубликовано: 20.08.2006 Бюл. №23). В способе устанавливают измерительный период на протяжении вегетационного процесса зерновых культур от начала посева до временной точки, находящейся в границах от фазы колошения до фазы желтой спелости, разбивают измерительный период на интервалы времени, не превышающие декаду, на которых измеряют влажность почвы и температуру воздуха. На базе полученных результатов измерений и предварительно установленных минимальных и оптимальных значений измеряемых величин определяют для каждого интервала времени относительное значение продуктивной влажности почвы и относительное действующее значение температуры воздуха, а также - величины суммарной потери урожайности от совместного действия обоих измеряемых факторов. Данные результаты составляют основу для определения урожайности и позволяют ее вычислить по приведенной формуле
где: У - оценка урожайности, ц/га;
max.з
У- максимальная урожайность культуры для анализируемого земельного участка, ц/га;
n - число интервалов времени, входящих в измерительный период;
ϕ
K - коэффициент, соответствующий фенофазам развития растений;
α1, α2 - степень действия факторов погоды;
K - коэффициент, учитывающий отличительное влияние температуры;
i
W - среднее значение влажности почвы на i-том интервале времени, %;
min
W - минимальное значение влажности почвы, обеспечивающее жизнедеятельность растений, %;
oi
W - оптимальное значение влажности почвы на i-том интервале, %;
i
t - среднее значение температуры воздуха на i-том интервале, С°;
min
t - минимальное значение температуры воздуха для жизнедеятельности растений, С°;
oi
t - оптимальное значение температуры воздуха на i-том интервале, С°;
С - коэффициент, компенсирующий часть вегетационного периода, которая не вошла в измерительный период, ц/га.
Недостатком данного технического решения является наличие погрешности из-за не учета того обстоятельства, что температура почвы (на глубине заделки семян) на фенологической фазе «посев - всходы» точнее определяет развитие проростков растения, чем температура воздуха и того обстоятельства, что погодные факторы имеют различное по существу влияние на различных фенологических фазах.
Задача заявленного технического решения - повышение точности и надежности оценки урожайности яровой пшеницы, а так же уточнения картины или принципов воздействия погодных условий (факторов) на развитие растений.
Эффект и технический результат от реализации данного способа проявляются в более точной и достоверной информации об урожайности и в получении более информативного представления о том, как погодные условия влияют на развитие растений. Последнее обстоятельство способствует расширению возможностей развития научных исследований и селекционных работ.
Это достигается тем, что для оценки урожайности яровой пшеницы определяют значения погоды на установленном измерительном периоде от точки посева до временной точки, находящейся в границах от фазы колошения до фазы желтой спелости и разделяют измерительный период на временные отрезки, соответствующие длительности фенологических фаз. Разбивают измерительный период на временные интервалы, не превышающие двух дней, измеряют средние значения температуры воздуха и влажности почвы на данных интервалах времени и применяют коэффициенты, учитывающие различное влияние фенологических фаз. Используют в качестве основы примененное в аналоге положение о том, что возникающие при развитии растения потери пропорциональны отклонениям температуры воздуха и влажности почвы от их оптимальных значений, а совокупные потери от совместного действия данных факторов равны геометрической сумме ортогональных векторов отдельных потерь вышеотмеченных факторов. Выполнение дальнейшей части способа отличается от аналога тем, что на первой фенологической фазе (посев - всходы) вместо температуры воздуха измеряют температуру почвы наряду с ее влажностью, а на остальных фенологических фазах развития растений - температуру воздуха и влажность почвы. Уменьшают длительность временного интервала до величины не более двух дней. Определяют угол, характеризующий область эффективного использования растением факторов погоды для каждой фенологической фазы при осуществлении ростового процесса, как угол между осью температуры и вектором, проходящим от начала координат до точки, соответствующей оптимальным значениям влажности и температуры воздуха (или почвы). При этом, для определения точки с выше отмеченными оптимальными значениями используют графические построения ранее выполненного экспериментального исследования при заданным масштабе осей, выявляющего при помощи остаточного метода вид зависимости урожайности на различных фенологических фазах. А также определяют проекции данного вектора на ось температур и ось влажности и осуществляют оценку урожайности по формулам:
i
1
ф1
p1j
w1j
где: У - оценка урожайности, ц/га; n - количество временных интервалов на протяжении измерительного периода; n - количество временных интервалов на протяжении измерительного периода; n - количество временных интервалов на протяжении i-ой фенологической фазы;  - количество анализируемых фенологических фаз; i - номер анализируемой фенологической фазы; j - номер временного интервала на протяжении фенологической фазы; A - коэффициент преобразования рассчитанного результата к величине в «кг/га»; n - количество временных интервалов на протяжении 1-ой фенологической фазы; К - коэффициент 1-ой фенологической фазы; B - потери по температуре почвы на 1-ой фенологической фазе; B - потери по влажности на 1-ой фенологической фазе.
p1j
1j
1j
1
где: B - потери по температуре почвы на 1-ой фенологической фазе; t - значение температуры на j-ом интервал времени 1-ой фенологической фазы, С°; w - значение влажности почвы на j-ом интервал времени 1-ой фенологической фазы, мм; α - значение угла на 1-ой фенологической фазе, град;
w1j
1j
1j
1
где: B - потери по влажности почвы на 1-ой фенологической фазе; t - значение температуры на j-ом интервал времени 1-ой фенологической фазы, С°; w - значение влажности почвы на j-ом интервал времени 1-ой фенологической фазы, мм; α - значение угла на 1-ой фенологической фазе, град;
tij
ij
ij
i
где: B - потери по температуре воздуха на j-ом интервале времени i-ой фенологической фазы; t - значение температуры на j-ом интервале времени i-ой фенологической фазы, С°; w - значение влажности почвы на j-ом интервале времени i-ой фенологической фазы, мм; α - значение угла на i-ой фенологической фазе, град;
wij
ij
ij
i
где: B - потери по влажности почвы на j-ом интервале времени i-ой фенологической фазы; t - значение температуры на i-ом интервале времени i-ой фенологической фазы, С°; w - значение влажности почвы на j-ом интервале времени i-ой фенологической фазы, мм; α - значение угла на i-ой фенологической фазе, град;
Заявленное техническое решение отличается от прототипа тем, что на первой фенологической фазе (посев - всходы) вместо температуры воздуха измеряют температуру почвы наряду с ее влажностью, а на остальных фенологических фазах развития растений - температуру воздуха и влажность почвы. Уменьшают длительность временного интервала до величины не более двух дней. Определяют угол, характеризующий область эффективного использования растением факторов погоды для каждой фенологической фазы при осуществлении ростового процесса, как угол между осью температуры и вектором, проходящим от начала координат до точки, соответствующей оптимальным значениям влажности и температуры воздуха (или почвы). При этом, для определения точки с выше отмеченными оптимальными значениями используют графические построения ранее выполненного экспериментального исследования при заданным масштабе осей, выявляющего при помощи остаточного метода вид зависимости урожайности на различных фенологических фазах. А также определяют проекции данного вектора на ось температур и ось влажности и осуществляют оценку урожайности по формулам:
,   (2)
i
1
ф1
p1j
w1j
где: У - оценка урожайности, ц/га; n - количество временных интервалов на протяжении измерительного периода; n - количество временных интервалов на протяжении измерительного периода; n - количество временных интервалов на протяжении i-ой фенологической фазы;  - количество анализируемых фенологических фаз; i - номер анализируемой фенологической фазы; j - номер временного интервала на протяжении фенологической фазы; A - коэффициент преобразования рассчитанного результата к величине в «кг/га»;  n - количество временных интервалов на протяжении 1-ой фенологической фазы; К - коэффициент 1-ой фенологической фазы; B - потери по температуре почвы на 1-ой фенологической фазе; B - потери по влажности на 1-ой фенологической фазе.
p1j
1j
1j
1
где: B - потери по температуре почвы на 1-ой фенологической фазе; t - значение температуры на j-ом интервал времени 1-ой фенологической фазы, С°; w - значение влажности почвы на j-ом интервал времени 1-ой фенологической фазы, мм; α - значение угла на 1-ой фенологической фазе, град;
w1j
1j
1j
1
где: B - потери по влажности почвы на j-ой фенологической фазе; t - значение температуры на j-ом интервал времени 1-ой фенологической фазы, С°; w - значение влажности почвы на j-ом интервал времени 1-ой фенологической фазы, мм; α - значение угла на 1-ой фенологической фазе, град;
tij
ij
ij
i
где: B - потери по температуре воздуха на j-ом интервале времени i-ой фенологической фазы; t - значение температуры на j-ом интервале времени i-ой фенологической фазы, С°; w - значение влажности почвы на j-ом интервале времени i-ой фенологической фазы, мм; α - значение угла на i-ой фенологической фазе, град;
wij
ij
ij
i
где: B - потери по влажности почвы на j-ом интервале времени i-ой фенологической фазы; t - значение температуры на j-ом интервале времени i-ой фенологической фазы, С°; w - значение влажности почвы на j-ом интервале времени i-ой фенологической фазы, мм; α - значение угла на i-ой фенологической фазе, град;
Способ оценки урожайности яровой пшеницы в зависимости от погодных условий реализуется следующим образом. Получают необходимые данные от метеослужбы. Преобразовывают их, формируя необходимый измерительный период (наполненный измерительной информацией) и разбивая его на временные отрезки, соответствующие длительности фенологических фаз, и на временные интервалы, не превышающие двух дней. Так как обычно информация по температуре в метеослужбах накапливается ежедневным образом, а по влажности почвы - подекадно, то соответственно при двухдневном временном интервале вычисляют среднее значение температуры за два дня, а по влажности почвы на каждом временном интервале данной декады повторяем ее измеренное значение. Но при этом выполняют небольшое сглаживание для уменьшения скачков на краях декад. В случае однодневного интервала все аналогично, но с учетом его фактической длительности. Для обеспечения вычислительных процедур необходимо знание величин углов, определяющих область эффективного использования растением факторов погоды (для каждой фенологической фазы). Обычно информация, позволяющая определить этим углы, априорно известна, из собственных предварительных исследований или из материалов других авторов. Так как для каждого сорта данная информация определяется однократно. В противном случае выполняют экспериментальное исследование, использующее остаточный метод (А.Р. Константинов, ПОГОДА, ПОЧВА И УРОЖАЙ ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЫ, Гидрометиздат, 1978. С. 40-45). На фиг. 1 (из выше отмеченного источника) приведена иллюстрация полученных остаточным методом графиков, по которым можно определить требуемые углы.
Но фактически для этих целей требуется построение лишь самых малых «квазиэлипсов», соответствующих высокой урожайности (например, замкнутую кривую урожайности «1,2», среди 4-ой группы кривых) или даже порядка 6 их точек. Так как этого достаточно для определения центров «квазиэлипсов». А эти центры являются точками оптимумов, необходимых для определения требуемых углов. Необходимо дополнительно отметить, что на фиг. 1 используется ось абсолютной влажности воздуха. В нашей работе применяется переменная «влажность почвы» и соответствующая ей координатная ось. Так как переменные обеих осей коррелированны и отображают потребление воды растением, то для иллюстрации любой вариант применим.
Выше приведенные операции позволяют получить данные для расчета урожайности и выполнить ее оценку, используя следующие формулы.
i
1
ф1
p1j
w1j
где: где: У - оценка урожайности, ц/га; n - количество временных интервалов на протяжении измерительного периода; n - количество временных интервалов на протяжении измерительного периода; n - количество временных интервалов на протяжении i-ой фенологической фазы;  - количество анализируемых фенологических фаз; i - номер анализируемой фенологической фазы; j - номер временного интервала на протяжении фенологической фазы; A - коэффициент преобразования рассчитанного результата к величине в «кг/га»; n - количество временных интервалов на протяжении 1-ой фенологической фазы; К - коэффициент 1-ой фенологической фазы; B - потери по температуре почвы на 1-ой фенологической фазе; B - потери по влажности на 1-ой фенологической фазе.
p1j
1j
1j
1
где: B - потери по температуре почвы на 1-ой фенологической фазе; t - значение температуры на j-ом интервал времени 1-ой фенологической фазы, С°; w - значение влажности почвы на j-ом интервал времени 1-ой фенологической фазы, мм; α - значение угла на 1-ой фенологической фазе, град;
w1j
1j
1j
где: B - потери по влажности почвы на 1-ой фенологической фазе; t - значение температуры на j-ом интервал времени 1-ой фенологической фазы, С°; w - значение влажности почвы на j-ом интервал времени 1-ой фенологической фазы, мм;
1
α - значение угла на 1-ой фенологической фазе, град;
tij
ij
ij
i
где: B - потери по температуре воздуха на j-ом интервале времени i-ой фенологической фазы; t - значение температуры на j-ом интервале времени i-ой фенологической фазы, С°; w - значение влажности почвы на j-ом интервале времени i-ой фенологической фазы, мм; α - значение угла на i-ой фенологической фазе, град;
wij
ij
ij
i
где: B - потери по влажности почвы на j-ом интервале времени i-ой фенологической фазы; t - значение температуры на j-ом интервале времени i-ой фенологической фазы, С°; w - значение влажности почвы на j-ом интервале времени i-ой фенологической фазы, мм; α - значение угла на i-ой фенологической фазе, град;
С целью проверки работоспособности выполнена экспериментальная работа, в процессе которой определены угловые показатели для пшеницы Новосибирская 81. А именно, для фенологической фазы «посев - всходы» угол (оптимального восприятия растением показателей погоды) составил 54 град.; для фазы «всходы - кущение» - 49 град.; для фазы «кущение - выход в трубку ») - 48 град.; для фазы «выход в трубку - колошение» - 43 град.; для фазы «колошение - цветение» - 24 град.; для фенологического интервала «цветение - восковая спелость» - 26 град. Для сорта Новосибирская 67 выявлено отличие по углу лишь для фенологической фазы «выход в трубку - колошение», для которой угол составил 35 град., а для остальных случаев разница была в пределах ошибки. Осуществленная оценка урожайности для сорта Новосибирская 81 по 6-ти годам показала наличие среднеквадратической ошибки в 1,3 (кг/га) при средней урожайности 34 (кг/га). Для уменьшения погрешности предусмотрен экспериментальный эксперимент по доработке коэффициента . В настоящее время он изменяется в пределах от 0,8 до 2,2 и постоянен для каждой вазы, а планируется в виде несложной функции, зависящей от предшествующего результата (результата оценки предшествующей фенологической фазы).
Краткое описание чертежей.
В качестве иллюстрационного материала на фиг. представлена зависимость урожайности от погодных условий периода вегетации, характеризуемых температурой и влажностью воздуха. Для разных периодов вегетации осуществлена группировка кривых (данной зависимости) следующим образом: 1 группа соответствует межфазному периоду «посев - осеннее прекращение вегетации»; 2 группа - «возобновление вегетации - выход в трубку»; 3 группа - «выход в трубку - колошение»; 4 группа - «колошение - восковая спелость»; 5 группа - «весь период». Каждая группа имеет отличительный вид начертания кривых и, кроме того, в непосредственной близости от каждой кривой указана величина урожайности.