многолетних насаждений

При разработке такой сложной проблемы, какой является оптимизация управления механизированными технологиями многолетних насаждений в процессе их функционирования, возникает необходимость видеть одновременно и проблему целиком, и связи между её частями, и отдельные её части. Всё это рассматривать в зависимости от закономерностей среды, развития культур и обрабатывающей их техники.

Механизм решения поставленной задачи соответствует «поня-тийно - образно - практической» структуре (Г.Альтшуллер, 1973, М.Зиновкина, 1996). В данном случае решение сводилось к системному анализу развития с последующей доработкой принятых в производстве вариантов технологий многолетних культур.

Закономерность формообразования этих вариантов развития определялась морфологическим анализом функциональных отличий стыка между параметрами насаждений (табл. 1), в том числе и формообразования растений в насаждениях (табл. 3), и параметрами средств ухода за ними, на фоне мировой градации поколений техники (НТР.ВО «Знание» / Бюл. - № 20, 1986 г.) и почвенно - климатических особенностей Северо - Кавказского региона России в разрезе отрицательных факторов воздействия технологий на параметры среды и среды на параметры технологий [16, 19, 23, 24, 25, 69, 92, 96, 104, 120].

Видение проблемы в целом, связей между её частями и отдельных её частей осуществлялось специально разработанным для этого методологическим подходом, отправным моментом которого являет- ся доказательство достаточности массива информации о проблеме [43, 70, 73, 81, 82, 86, 88, 89, 91, 95, 98].

Анализ информации морфологической матрицы (табл. 1) показал, что на данном этапе развития многолетних культур существует, с позиции теории систем, два технологических «организма»  и , имеющих собственные цели. Первый и конструктивно и функционально «застыл» на втором уровне мировой градации поколений техники (  и ). Его средства ухода ограничиваются моторизацией инвентаря с ручным управлением. Его самоцель - заставить рабочий объём насаждения максимально давать продукт. Поэтому он является основой ведения дачных, приусадебных и других куртинных насаждений. Второй, в отличие от первого «организма», развивающийся. Его цель - максимальная замена ручного труда машинным. Ему осталось в управлении системой применить гибкое программирование с адаптацией и внутренней диагностикой системы, тогда он полностью перейдёт на пятый уровень мировой градации поколений техники. В нём противоречие отбора рабочего объёма насаждения на технологические коридоры  [98] решается переходом средств ухода на мостовые системы по схеме  и  [82, 124]. В «организме»  заложена не только собственная цель, но и возможные пути развития её «организма» в направлении , или , или , или , или , или .

Из этого следует, что каждое последующее функциональное отличие технологии предыдущему функциональному отличию является альтернативным (  альтернатива для  и т. д.), поэтому вектор развития архитектоники многолетних насаждений явно движется от  к . Кульминацией этого развития станет блочно - пропашное исполнение «организма»  (см. табл. 2).

Чисто пропашное исполнение «организма»      бесперспективно для садоводства

по причине сло-жности транспортировки урожая с участка. Рационально его использовать в питомниководстве с модернизацией трактора МТЗ-80/82 и

 При четырёхразовой ротации насаждений.

культиватора КРН-5,6 [124]. Применение «организма» , с использованием  по схеме , при появлении    стало не рациональным [34, 35, 48, 54, 56, 70, 71, 72, 85, 90, 93, 117, 119, 120].

Таким образом, многолетние насаждения с технологическими коридорами являются самоорганизующейся системой, каждый вариант которой имеет сугубо свои цели, поэтому на ближайшее обозримое будущее варианты , или , или , или  этой технологии правомочны. В них параметры технологического коридора останутся стабильными как минимум до 2010 года, (на период пятого поколения техники ширина коридора будет в пределах 2 ... 2,5 м.), в то время как архитектоника растения будет продолжать совершенствоваться [11, 26, 31, 32, 38, 43, 48, 56, 60, 65, 67, 73, 75, 81, 82, 83, 93, 94, 98, 111, 112, 113, 115, 116, 123, 125]. А это значит, что заданная стратегия развития отличительной функции  архитектоники многолетних насаждений, «опирающаяся на поведенческие стере-отипы» (Н.Н.Моисеев, 1996) этой функции, ещё не только не исчерпала себя, но и находится на подъёме. Подъём её идёт явно по двум

Таблица 3

Морфологическая матрица вариантов исполнения

основных функций архитектоники многолетних растений

направлениям: уменьшением количества технологических коридоров и параметров растений. Но эти направления для  и  антагонистичны, так как с уменьшением параметров растений уменьша-

ется ширина междурядья, что увеличивает её долю в параметре коридора с 25% на СКС до 50% на карликовых подвоях М9, а это и недобор урожая с площади, и увеличение антропогенного влияния агрегатов на почву более частыми проходами на этой площади. Поэтому варианты  и  наиболее перспективны [98]. При этом следует ожидать, что из вариантов ,  и  будут синтезированы садовые [98] и виноградниковые (В.П.Бондарев, 1989) оптимальные конструкции крон отдельных растений или рядов [93] для блока варианта . Путь этого синтеза чётко прослеживается с помощью формализации кроны многолетнего растения в виде четырёхмерного пространства, которая показывает направления совершенствования архитектоники кроны, а следовательно и насаждения. Для этого были использованы понятия науки проектирования и конструирования «носителей функций» (Я.Дитрих, 1981), информация о которых представлена в табл. 3 и на рис. 1.

Рис. 1. Модульное с) нарастание дерева а) и куста в);

 - апикально, по порядкам ветвления ;

 - латерально, по порядкам утолщения

Анализ данных таблицы 3 показал, что, с позиции теории систем, вся гамма форм архитектоники многолетнего растения строится на трёх основных иерархически подчинённых функциях: ствола, скелета и периферии кроны. Каждая из этих функций отдельный организм, имеющий сугубо свою цель, но закономерность построения этих организмов однотипна - обязательная соподчиненность последующих порядков предыдущим, «с размещением в пространстве таким образом, чтобы занять в нём минимальный объём» (Ф.Патури, 1979). По положению в пространстве нарастание тела растения происходит апикально (верхушек побегов 1, 2, 3 и т.д. в длину) и латерально (вторичное утолщение уже выросших органов растения  и т.д.) по схеме, приведённой на рис. 1.

Согласно рис.1, многолетнее растение, - безразлично, дерево ) или куст ), - в процессе нового цикла роста «одевает» выросшее за предыдущие циклы роста тело растения латерально, одновременно осуществляя на этом слое «одежды» апикальный рост новых органов кроны, используя идентичные строительные модули ) архитектоники кроны с побегами апикального роста. При этом, согласно законам

механики, растение, как живой организм, реагирует на действие сил,

приложенных к нему и, согласно биологическим законам, также реагирует на них изменением строения своего тела и его частей.

Наши исследования архитектоники укрывных и неукрывных виноградных кустов с различными шпалерными системами подтвердили эту схему построения. Куст представляет собой сообщество двух типичных конструкций: одной - соответствующей форме опоры (субъективной), а другой - видовой (объективной). Первая в виде балки - удлинителя равного сечения выполняет роль проводника, а вторая - постоянно наращиваемой плодообразующей древесины, представляющей собой балку равного сопротивления.

Более полно свойства архитектоники кроны изложены в публикациях [23, 31, 38, 60, 67].

Анализ полученной информации [65] показал, что структурно это построение отображается тремя принципами: согласованностью, повторяемостью и целесообразностью.

По принципу согласованности определялся [73, 80, 81, 89, 94, 111, 113, 125] уровень оптимизации стыка системы машина - растение при постоянном изменении архитектоники крон. Так как стык, прежде всего, осуществляется через внешние параметры основных функций архитектоники растения по коридору  или над растениями  , то одним из возможных путей достижения оптимальности является формирование кроны в нужном направлении без побуждения её израстания, но вызовом в первую очередь закладки системы структурного и функционального объединения тех органов растения, которые должны в необходимом количестве развиваться в слое плодообразующей древесины. Эта согласованность обусловлена наследственно закреплёнными параметрами кроны сортоподвойной комбинации, отображённой на проекции в плане кругом, периметр площади которого является определяющим параметром при расчёте ширины междурядья. Следовательно, влиять на параметр ширины междурядья возможно внешними факторами, например, деформацией круга в эллипс в пределах этого параметра. Таким образом, соблюдая закон золотого сечения 21 / 34 (Ф.Патури, 1979), параметр проекции кроны может быть сдеформирован вдоль ряда до 1,2 её естественного диаметра d и до 0,74 того же диаметра со стороны междурядий. Тогда, за счёт параметра 0,74d уменьшается ширина междурядья, а за счёт 1,2d увеличится шаг посадки растений в ряду.

По принципу повторяемости определялась [23, 26, 31, 32, 38, 43, 65, 67, 75, 98] идентичность составляющих системы машина - растение через скалярность скелетов растений в ряду (квартале). Благодаря этой скалярности насаждение ведётся подобными компонентами системы структурного и функционального объединения органов архитектоники растения (например, лопастирование), используя «организм» . . Такая «инвариантность в подобии» указывает на возможность применения автоматических систем в частях  и  этого «организма» [56, 112]. Математически подобная скалярность выражается как фрактальная система формулой Мандельброта [43], 

                         ,                                              (1)

где  - количество одинаковых компонентов системы структурного и функционального объединения органов архитектоники растения в разрезе каждой её основной функции;

   - масштаб в разрезе иерархии (  и т.д.) каждой основной функции;

   - порядок ветвления.

В формуле (1) изменяется по мере нарастания объёма кроны, а количество ветвлений в модуле «с» зависит от их целесообразности, которая определяется из табл. 4 и рис. 2, где увеличение в скелете коли-чества компонентов первого порядка ветвления ведёт к потере темпа набора объёма кроны. Лучшими являются двухкомпонентное ветвление ранга  (вариант I) и двенадцатикомпонентное ветвление в плодообразующем слое древесины ранга  (варианты I и II) [125].

Рис. 2. Закономерность набора объёма кроны

в зависимости от интенсивности её ветвления

Наращивание остальных порядков ветвления не имеет смысла, так как темп увеличения объёма кроны асимптотически приближается к масштабу , который следует считать нижним критерием ветвления, так как при  остаётся только побег продолжения, а при  растение превращается в плеть (ствол). В настоящее время  используется в насаждениях короткого цикла, например, садах - питомниках [93] и петлеобразном кордоне виноградного куста [113].

Таблица 4

Морфологическая матрица

 данных членов формулы Мандельброта (1)

Иерар-хия ран-гов вет-	Варианты ветвления по рангам
вления	I		II		III		IV
	Коли-чество		Коли-чество		Коли-чество			Коли-чество
	0	1	0	1	0	1		0	1
	2	0,5	3	0,33	4	0,25		5	0,2
	6	0,408	6	0,408	8	0,353		12	0,437
	12	0,437	12	0,437	16	0,397		24	0,451
	24	0,451	24	0,451	32	0,421		48	0,461
	48	0,461	48	0,461	64	0,435		96	0,468
	96	0,468	96	0,468	128	0,444		192	0,473
	192	0,473	192	0,473	256	0,468		384	0,476

Развитием работ [93 и 113] нами установлено, что крона многолетнего растения строится посредством модуля «с» темпоральными слоями (рис. 1), поэтому возможна её формализация в виде четырёхмерного пространства Генриха Минковского (рис. 3).

Согласно рис. 3, координаты  и время  реализуются в своих главных чертах - вдоль ряда « » и его поперечном сечении « », « ». С математической точки зрения они равноправны, так как прошедшее, настоящее и будущее этих компонентов кроны запрограммировано генетически в пределах статической концепции

Рис. 3. Формализованный вид кроны многолетнего растения

через пространственные координаты  и время

времени  (по Козыреву), поэтому может быть для каждого варианта табл. 4 отображено моделью

(2)

где , ,  - количество ветвлений по рангам ;

 - объём темпорального слоя .

При асимптотическом приближении к нижнему критерию ветвления (рис. 2), последующие за третьим членом модели (2) по своему объёму будут близки третьему члену, поэтому он может быть отображён в модели (2) в периоде.

Создавая почвообрабатывающие комплексы для садоводства, виноградарства и питомниководства, мы установили идентичность влияния на почву в этих насаждениях факторов природного и антропогенного происхождения. В качестве природного фактора - водная эрозия, а антропогенного - утяжеление почвы техникой, что ускоряет процесс слитогенеза в землепользовании и, в конечном итоге, способствует переувлажнению земель за счёт потери почвой естественной дренированности. Установлено, что способы возделывания многолетних насаждений влияют на дренированность почвы в междурядьях из за однообразия механических воздействий на неё в течении всей жизни насаждения [16, 23, 25, 28, 69, 92]. Различия в толщине слоёв одной массы до возделывания и после доходят до 0,1 м за вегетацию. К концу периода вегетации уплотнение машинами верхних 0,4 м рыхлого выщелоченного чернозёма Прикубанья уменьшает толщу у этого слоя по следу трактора на 25 %, а проходы почвообрабатывающих машин - не менее, чем на 10 %. В слое 0,00 ... 0,39 м на виноградниках в конце вегетационного периода можно встретиться с тремя типами распределения плотности почв - равномерное по всей толщине слоя в ряду, более плотное сверху в колее трактора и более плотное внизу в центре междурядья - «плужная подошва».

Эти данные подтверждены структурным анализом образцов приёмом деинтеграции (Г.Н.Теренько, С.Ф.Неговелов, В.А.Бондарев, 1979). В большинстве образцов выход агрономически ценной структуры превышал 80 % от их массы. На этом фоне резко выделялись образцы, взятые в колее. Даже интенсивная деинтеграция не смогла разрушить созданных трактором глыб; структура не только сжата и деформирована, но кое где полностью нарушены её прежние границы. Поэтому не только осталось больше глыб, но и сама агрономически ценная структура отличается по характеру от верхнего слоя в ряду, где преобладает более мелкая структура, размером от 3 до 0,25 мм, её доля в агрономически ценной структуре 63  2,8% при коэффициенте варьирования 10,8%. В колее, наоборот, преобладают более крупные фракции 3 ... 7 мм, которые составляют 69  4,9% при коэффициенте варьирования 17,5%. Интерпретируя полученные результаты исследования и увязав их с информацией использования почвы однолетними посевами, мы сделали вывод [99], что уплотнение пахотного и особенно подпахотного слоя вносит глубокие изменения в водный режим преобладающих на юге тяжелосуглинистых и глинистых структурных чернозёмов. При насыщении влагой уплотнённых слоёв следует ожидать ухудшения аэрации корнеобитаемого слоя, где водоудерживающие капилляры сильно сжаты, а это может в более глубоких неуплотнённых слоях сильно понизить полезную влажность. Опыты с внутрипочвенными бороздователями [121] показали, что запасы продуктивной влаги в корнеобитаемом слое сада снижаются от этого почти вдвое. Вода, просачиваясь сквозь узкие капилляры уплотнённого слоя, заполняет такие же тонкие капилляры более глубоких слоёв, а более широкие, которые в нормальной по плотности верхних слоёв почвы заполнялись водой, остаются пустыми. Кроме того, на склонах уплотнение ведёт к прямым потерям влаги. Водопроницаемость почвы понижена и сток во время дождя увеличивается, образуя в междурядьях мочажины [33]. Это и прямая потеря влаги для урожая текущего года и усиление эрозии почвы, то есть потенциальная потеря урожая последующих лет.

С позиции физики процесса, приобретение почвой плотности во время потери влаги следует квалифицировать, как процесс становления пласта до появления эффекта «каркаса». Принимая во внимание тот факт, что между механическим составом, влажностью и способностью почвы к уплотнению существует определённая связь, а утяжеление почвы в зарегулированных междурядьях зависит от времени года[23], в «каркас» твёрдой фазы будут упаковываться механическим путём разбухшие коллоидные частицы, которые покажут достижение эффекта «каркаса» ещё на не высохшей почве, поэтому в раннем периоде вегетации эффект «каркаса» будет кажущимся (неустойчивым). Это подтверждается исследованиями утяжеления почвы в междурядьях виноградников Краснодарского края в 1962 ... 1980 г.г. [69], (табл. 5) .

Таблица 5

Динамика коэффициента утяжеления почвы ( )

в междурядьях виноградника

Из табл. 5 следует, что кажущийся «каркас» возможен до июля. С июля по октябрь он будет уже истинным и имеющим наибольшую несущую способность. Эта способность приобретается почвой за счёт воздействия на неё двух факторов: природного, вызванного диффузией влаги в системе «почва - атмосфера - почва» (внутренний деформатор) и антропогенного, вызванного воздействием средств ухода (внешний деформатор). Из - за различной интенсивности испарения влаги из почвы влияние природного деформатора переменно, в то время как антропогенный деформатор, состоящий из одного и того же энергетического средства, воздействует на пласт одной и той же массой. То есть приобретение почвой несущей способности в междурядьях многолетних насаждений не стационарно из - за природного фактора - влажности.

К концу лета влажность почвы в пахотном горизонте всего междурядья уменьшается в 1,5 ... 2 раза [69]. К этому времени явно проявляется особенность «всплытия» твёрдости почвы, в результате чего до глубины 0,1 ... 0,15 м пахотный горизонт превращается в монолит, обладающий максимальной несущей способностью, но, в силу усадо-чных явлений, он разрывается на крупные отдельности, образуя трещины глубиной до 1 м. и более. При этом почва в горизонте 0 ...0,1 м. на 10 ... 15 % влажнее горизонта 0,1 ... 0,2 м. и на 20 ...25 %, чем в горизонте 0,2 ... 0,3 м. То есть, несмотря на вертикальные трещины, в монолитах сохраняется «подошва», образованная проходами стрельчатых лап, которая способствует зависанию осадков и капиллярному подтягиванию влаги нижних слоёв. Наличие «подошвы» в монолитах доказано графическим отображением информации табл. 5 (рис. 4).

Рис. 4. Динамика коэффициента утяжеления почвы  за

вегетацию в ряду ( ), в колее ( )

и междурядьи ( )

Из рис. 4 следует, что в междурядье процесс утяжеления почвы продолжается до октября (отрезок ) за счёт отдачи влаги в атмосферу через капилляры «подошвы».

Нами установлено, что абсолютная величина твёрдости почвы в междурядьях многолетних культур Северного Кавказа по годам варьирует в сильной степени, но её относительные показатели между полосами (в ряду, колее и вне колеи междурядья) более или менее стабильны, поэтому они могут быть определены отношением средней твёрдости почвы пахотного горизонта в различное время вегетации и в различных полосах междурядья к величине твёрдости почвы начала вегетации в ряду [69].

Так как структурные схемы посадок садов и виноградников по параметрам междурядий и рядов аналогичны, а принципы уходных работ идентичны (табл. 1), то приведённое состояние обрабатываемого слоя почвы является общим для всех многолетних насаждений Северного Кавказа. В связи со стремлением в архитектонике насаждений к уменьшению ширины междурядий, то полосный структурный характер утяжеления почвы в междурядьях может быть отображён изолиниями твёрдости, части которых изменяются по законам тригонометрических функций [23].

,

где   и  ;

    - максимальная амплитуда изолиний в первом и третьем полупериодах, м;

    - период изолинии, равный ширине колеи трактора, м;

      - ширина междурядья, м.

Установлено [16, 23, 25, 28, 69, 82, 92, 99], что среда порождает ограничения почвенным параметрам многолетних насаждений природными температурными факторами климата. Влажность и перемещение воздушных масс являются при этом усиливающими факторами течения его годичного цикла. Для равнинной части Кубани в усреднённом виде за последний столетний период эти факторы отображены на циклограмме (рис. 5)

Рис.5. Природное течение годичного цикла температур

воздуха равнинной части Кубани:

1 - годичный ход средних температур;

2 - нижнее отклонение средних температур;

3 - максимумы температурного возмущения климата;

4 - смена прямого природного течения годичного цикла температур на обратный.

Важным в установлении (рис. 5) является то, что начало осенних ( ) и конец весенних ( ) заморозков делят климат центральной части на две равные угловые апертуры. Максимумы температурных возмущений климата района летом и зимой принадлежат одному и тому же вектору циклограммы , проходящему через конец второй декады июля ( ) и января ( ). В летнюю пору максимум связан с интенсивным трещинообразованием в почве, а в зимнюю - во время смены природного течения температуры (кривая 3) на обратный (кривая 4) - связан с оживлением компонентов системы не ко времени, в результате чего растения попадают в неблагоприятные условия среды не потому, что они в корне изменились, а потому, что потеплением спровоцирован параметр устойчивости компоненты.

С этими двумя явлениями в механизированных технологиях многолетних насаждений следует считаться: для почвы находить соответствующую технологию ухода, а для насаждений - растения с соответствующей устойчивостью [94] или технологию их защиты от экстремальных условий среды [19, 24, 25, 28, 29, 38, 68, 112]. К остальному течению годичного цикла температур воздуха следует приспосабливать технологию ухода за насаждением. Особенно это относится к угловой апертуре апреля, так как параметры характера его погоды чем севернее, тем устойчивее [23].

3. Разработка методологии оптимизации управления