МНОГОФАКТОРНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ВЫРАЩИВАНИЯ ОВСА В УСЛОВИЯХ КОЛЬСКОГО СЕВЕРА Костюк В.И.

Полярно-альпийский ботанический сад-институт им. Н.А. Аврорина


Номер: 3-1
Год: 2017
Страницы: 58-61
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

агротехника, урожайность овса, статистический анализ и нейросетевое моделирование, agrotechnology, the yield of oats, statistical analysis and neural network modeling

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

В южной зоне Кольского полуострова (г. Кандалакша) в многофакторных полевых опытах изучено влияние основных агротехнических приемов на величину и качество урожая овса. С помощью нейросетевого подхода подобрано оптимальное сочетание агроприемов, позволяющее существенно улучшить урожайные показатели овса при характерных для данного региона метеорологических условиях .

Текст научной статьи

Введение Основными регуляторными факторами формирования урожая овса в условиях полевого агроценоза являются сроки посева культуры, плотность и высота стеблестоя, определяемые нормой высева семян, а также обеспеченность растений основными элементами питания - N, P, K. Совокупное воздействие этих регуляторов на урожайность овса является кооперативным, что обусловливает целесообразность применения системного подхода для нахождения оптимальной конфигурации управляющих агротехнических факторов. Основной целью наших опытов, проведенных в совхозе "Кандалакшский" в 1988-1990 гг., был подбор наилучшего сочетания основных агротехнических приемов для повышения урожайности и содержания сырого протеина в фитомассе овса посевного, выращиваемого на зеленый корм. Методика исследования Под опыты был отведен плакорный участок с окультуренной подзолистой песчаной почвой. Полевые опыты с овсом сорта "Золотой дождь" закладывали методом длинных полос на площади 1.8 га по схеме ортогонального латинского прямоугольника с 9 вариантами для 4 факторов в 3-кратной повторности [1]. Площадь каждой делянки составляла 600 м2. Схема рандомизации вариантов и натурного расположения делянок в проведенных опытах приведена в табл. 1. Изучали влияние следующего набора агротехнических приемов, которые варьировали на трех уровнях: сроки посева - 28 мая, 15 и 28 июня (1988 г.); 29 мая, 13 и 28 июня (1989 г.); 5, 15 и 25 июня (1990 г.). Для обобщенных расчетов эти сроки были усреднены по трем годам исследований и обозначены как 1, 2 и 3 градации временного фактора; нормы высева семян - 3, 6 и 9 млн. зерен на 1 га при 100%-ной посевной годности; дозы навоза крупного рогатого скота - 50, 100 и 150 т/га; дозы нитроаммофоски - 60, 120 и 180 кг д.в./га (по азоту) при фиксированном соотношении N : P2O5 : K2O = 1:1:1. Для оценки урожайности овса (т/га) использовали 27 пробных площадок (9 вариантов ´ 3 повторности) размером 2 ´ 2 м, выделенных на делянках каждого варианта опыта. Окончательную уборку урожая проводили 17-21 августа. Содержание сырого протеина в фитомассе овса (% на сухое вещество) определяли по Кьельдалю [2]. Статистическую обработку данных выполняли с использованием программ STATISTICA 10 [3] и PAST 3.14 [4]. Результаты исследования и их обсуждение Подбор оптимального сочетания количественных уровней 4 управляющих факторов по 9 вариантам полевого опыта является сложной задачей, требующей нетривиального подхода. Процедура такого подбора является многокритериальной и должна учитывать не только урожайность овса, но и содержание в фитомассе протеина. С целью упрощения данной задачи, мы выбрали в качестве основного параметра оптимизации такой показатель, как выход протеина с единицы площади агроценоза овса при окончательной уборке урожая - ВП, т/га (табл. 1). Данный показатель является агрегированной переменной, объединяющей величину и качество урожая овса в мультипликативной форме [5]. Таблица 1 Матрица планирования и результаты опытов с культурой овса (среднее за 1988-1990 гг.) Номер опыта Управляющие факторы Показатели Дозы навоза, т/га Дозы нитроаммо-фоски, кг д.в./га Нормы высева семян, млн. шт./га Сроки посева, градации Урожай-ность, т/га Сырой протеин, % на сух. в-во Выход протеина, т/га 1 50 60 3 1 20.0 7.5 0.20 2 100 180 9 1 29.6 10.2 0.42 3 150 120 6 1 34.0 10.2 0.47 4 50 120 9 2 33.6 13.8 0.75 5 100 60 6 2 27.0 10.8 0.47 6 150 180 3 2 23.6 14.4 0.66 7 50 180 6 3 16.7 12.1 0.24 8 100 120 3 3 9.7 12.3 0.16 9 150 60 9 3 17.0 14.6 0.36 M 100 120 6 2 23.5 11.8 0.41 V,% 43.3 43.3 43.3 43.3 35.4 19.8 48.8 Примечание. M - средняя арифметическая; V - коэффициент вариации. Проверка числового ряда "выход протеина" на гомогенность в программе PAST с помощью непараметрического метода ядерного сглаживания показала, что данный ряд является однородным, он не распадается на отдельные мелкие структуры и описывается одновершинной кривой с небольшим дополнительным пиком на ее нисходящей ветви. На основе применения параметрического метода кластеризации в PAST (процедура Mixture analysis, алгоритм максимального правдоподобия) было установлено, что данный ряд может быть разделен на две контрастные группы. В первую группу входят варианты 2-6, 9 с высоким средним значением показателя ВП = 0.52±0.15 (относительная доля группы в общем массиве данных - 70.8%), а во вторую группу - варианты 1,7,8 с низкой средней величиной ВП = 0.20±0.03 т/га (относительная доля - 29.2%). После знака ± приведены значения стандартного отклонения. В табл. 2 представлены суммарные результаты дифференциации агротехнических факторов и результативных признаков на две группы с помощью неиерархического метода кластер-анализа. Таблица 2 Итоги разделения показателей и факторов на две контрастные группы по общему сбору протеина в агроценозе овса Номер группы Управляющие факторы Показатели Дозы навоза, т/га Дозы нитроаммо-фоски, кг д.в./га Нормы высева семян, млн. шт./га Сроки посева овса Урожай-ность, т/га Сырой протеин, % на сух. в-во Выход протеина, т/га 1 117 120 7 10 июня 24.5 12.3 0.52 2 67 120 4 17 июня 15.5 10.6 0.20 Из табл. 2 видно, что высокие значения урожайности, накопления сырого протеина в фитомассе и общего сбора протеина с единицы площади агроценоза овса в группе 1 являются результатом увеличения доз органических удобрений, применения ранних сроков посева и повышенной нормы высева семян. При этом возникает закономерный вопрос о практической целесообразности использования столь высоких доз органических и минеральных удобрений в условиях реального производства. Стандартный корреляционный анализ (включающий расчет коэффициентов парной корреляции Пирсона и ранговой корреляции Спирмена) показал, что выход протеина с единицы площади агроценоза овса в наибольшей мере зависел от нормы высева семян. Влияние сроков посева и доз удобрений на вариации данного показателя было выражено слабее (табл. 3). Таблица 3 Парные линейные связи между общим сбором протеина и основными агротехническими факторами Факторы Коэффициенты парной корреляции Пирсона P-level Коэффициенты ранговой корреляции Спирмена Навоз 0.22 0.58 0.26 Минеральные удобрения 0.21 0.59 0.21 Норма высева 0.37 0.32 0.37 Сроки посева -0.23 0.55 -0.32 Примечание. P-level - уровень статистической значимости коэффициентов корреляции Пирсона. Следует заметить, что в целом значения коэффициентов корреляции оказались сравнительно низкими из-за выраженного нелинейного характера парных связей. Это уменьшает возможности корректного применения "классического" регрессионного анализа для адекватного описания связей между факторами-предикторами и общим сбором протеина. Даже построение статистически значимой полиномиальной модели главных эффектов (линейных + квадратичных) влияния экзогенных факторов на отклик сопряжено с редукцией значительного числа регрессоров из-за малого числа вариантов опыта. Поэтому для выявления и альтернативного описания нелинейной зависимости данного показателя от изученных в опыте управляющих факторов мы использовали модуль STATISTICA Automated Neural Networks. Искомая связь удовлетворительно описывалась нейронными сетями в виде многослойного персептрона [6]. Всего было построено 10 сетей с различной архитектурой, которые затем объединяли в ансамбль. Качество аппроксимации нейросетями зависимости отклика от вариаций управляющих факторов оказалось достаточно высоким - r = 0.96-0.99. Затем, с помощью ансамбля данных сетей был выполнен поиск наиболее подходящего (квазиоптимального) сочетания уровней управляющих факторов, позволяющего получать максимальный выход протеина с единицы площади агроценоза овса. С этой целью использовали модуль Response Optimization for Data Mining Models, в который загружали XML-файлы нейронных сетей. Процедуру многофакторной оптимизации выполняли с использованием метода сеток, который позволяет адекватно описывать практически любую поверхность отклика [7]. Стартовые условия для начала работы данного алгоритма - средние значения управляющих факторов (табл. 1). Тип использованной оптимизации - поиск самого большого значения отклика (0.75 т/га), который в натурном эксперименте был получен в варианте 4. Выполненные расчеты показали, что для максимального сбора протеина в северных агроценозах овса наиболее благоприятным является следующее сочетание агротехнических факторов: дозы навоза - 50-60 т/га, дозы нитроаммофоски - N80-90P80-90K80-90 кг д.в./га, нормы высева семян - 8.5-9.0 млн. шт./га, сроки посева - 12-18 июня. Необходимо отметить, что столь высокое значение параметра оптимизации достигнуто при гораздо меньших дозах удобрений, чем ранее было указано для лучшей группы вариантов полевого опыта (см. табл. 2). На сроках посева семян следует остановиться отдельно. Известно, что сроки посева овса напрямую зависят от начальных гидротермических условий летнего сезона. Данный агротехнический фактор существенно влияет на общую продолжительность периода вегетации растений. При управляемых вариациях сроков посева овса закономерно (иногда противоположным образом) изменяются параметрические очертания и других агротехнических факторов. Для иллюстрации сказанного сравним результаты модельных расчетов с "ранним" (12 июня) и "поздним" (18 июня) сроком высева семян (табл. 4). Таблица 4 Агротехнические условия максимального сбора протеина в зависимости от сроков посева овса Сроки посева Дозы навоза, т/га Дозы нитроаммофоски, кг д.в./га (по азоту) Нормы высева семян, млн. шт./га 12 июня 50 90 8.5 18 июня 60 84 9.0 Из данной таблицы видно, что при посеве овса 12 июня оптимальная конфигурация агротехнических факторов достигается за счет снижения доз навоза, нормы высева семян и повышения доз минеральных удобрений. А при более позднем посеве (18 июня) максимальный выход протеина с единицы площади агроценоза овса наблюдается при повышении доз органических удобрений, увеличении нормы высева семян и снижении доз минеральных удобрений. Предложенные нами градации агротехнических приемов наиболее эффективны для оптимизации продукционного процесса в фитоценозах овса при метеорологических условиях, близких к среднему многолетнему тренду на широте г. Кандалакша.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.