Geometrie der Felder
Felder sind geometrisch
Jedes landwirtschaftliche Feld ist eine geometrische Form: & diese Form bestimmt, wie effizient Sie es pflanzen, bewässern, ernten & entwässern können.
Die beiden vorherrschenden Feldformen in der mechanisierten Landwirtschaft sind rechteckig & kreisförmig.
Rechteckige Felder sind die historische Vorgabe. Pflüge, Pflanzer & Erntemaschinen bewegen sich in geraden Linien. Kopfland-Übergänge sind einfach. Das US-amerikanische Public Land Survey System teilte das Land in ein Gitter auf: Jedes Township misst 6 Meilen × 6 Meilen (36 Quadratmeilen), unterteilt in 36 Sections von jeweils 1 Quadratmeile. Eine Section entspricht 640 Acre.
Kreisförmige Felder entstanden mit der Zentralkreisbewässerung in den 1950er Jahren. Ein motorisiertes Rad am Boden, angeschlossen an einen festen Mittelpunkt, umfasst einen Kreis und bewässert alles, was der Arm erreichen kann. Von der Luft aus sehen die Great Plains wie ein Schachbrett aus grünen Kreisen auf braunen Quadern.
Geometrie des Zentralkreises
Das Kreis-in-einem-Quadrat-Problem
Ein typischer Zentralkreisarm ist eine halbe Meile lang (2.640 Fuß), der ein Kreis in einem Quadratmeilen-Section einschreibt.
Der bewässerte Kreis hat eine Fläche von A = π × r² = π × (½)² = 0,785 Quadratmeilen (etwa 503 Acre).
Die gesamte Section beträgt 640 Acre. Die vier trockenen Ecken entsprechen 640 - 503 = 137 Acre: etwa 21,5% des Feldes wird verschwendet.
Dieser Prozentsatz ist universal: Bei jedem im Quadrat eingeschriebenen Kreis beträgt der verschwendete Anteil (1 - π/4) = 21,46%. Er hängt nicht von der Größe des Feldes ab.
Einige Bauern installieren Ecken-Systeme: Auslauferweitungen, die ausgeschwenkt werden, um die Ecken zu bewässern. Andere pflanzen trockene Landpflanzen (Weizen, Sonnenblumen) in den Ecken und bewässern Pflanzen (Mais, Alfalfa) im Kreis.
Die Kurven des Landes folgen
Pfostenlandwirtschaft & Terrassen
Ebenes Land ist einfach: Rechtecke & Kreise. Aber viel der Weltlandwirtschaft liegt auf Hängen, & Hänge erzeugen ein Geometrieproblem: das Wasser läuft bergab.
Wenn Sie gerade bergauf und bergab pflügen, wird jede Furche ein Kanal. Regenwasser sammelt sich in diesen Kanälen, beschleunigt bergab und trägt den oberen Boden mit sich fort. Das ist Rillenerosion: und es kann in einem einzigen Sturm Zentimeter des oberen Bodens entfernen.
Pfostenlandwirtschaft löst dieses Problem, indem Sie pflügen quer zum Hang: entlang der Konturlinien des Geländes. Jede Furche dient als kleiner Damm, fängt das Wasser und lässt es ein instead of running off.
Konturlinien sind Linien gleicher Höhe: die gleichen Kurven, die Sie auf einem topografischen Plan sehen. Wenn ein Landwirt entlang einer Konturlinie pflügt, ist jeder Punkt in dieser Furche auf der gleichen Höhe. Das Wasser hat keine bergab führende Richtung, um entlang der Furche zu fließen, also sammelt es sich und infiltriert.
Terrassen gehen eine Stufe weiter als die Pfostenlandwirtschaft. Bei steilen Hängen (>8% Neigung) werden Terrassen in den Hang geschnitten: ebene geometrische Stufen, wie eine Treppe für Pflanzen. Jede Terrasse ist ein ebenes Podest, begrenzt durch einen Aufgang. Die Geometrie wandelt eine kontinuierliche Neigung in diskrete flache Oberflächen um.
Warum Konturlinien funktionieren
Überlegen Sie zwei Bauernhöfe auf einem 5% Hängen: Das Land fällt um 5 Fuß für jeden 100 Fuß horizontalen Abstand.
Bauernhof A pflügt gerade bergab. Bauernhof B pflügt entlang der Konturlinien (quer zur Neigung).
Beide erhalten den gleichen 2-Zoll-Regensturm.
Geometrische Gitter für das Pflanzen
Reihenabstand & Pflanzabstand
Wenn du ein Feld pflanzst, erstellst du ein geometrisches Gitter. Zwei Zahlen definieren es: Reihenabstand (Abstand zwischen Reihen) & Pflanzabstand (Abstand zwischen Pflanzen innerhalb einer Reihe).
Die Standardberechnung für Pflanzen pro Hektar:
Pflanzen pro Hektar = 43.560 ÷ (Reihenabstand × Pflanzabstand)
wobei beide Abstände in Fuß angegeben sind. Die Zahl 43.560 ist die Anzahl der Quadratfuß in einem Hektar.
Beispiel: Mais, der in 30-Zoll-Reihen (2,5 ft) mit 8-Zoll-Pflanzabstand (0,667 ft) gepflanzt wird:
Pflanzen pro Hektar = 43.560 ÷ (2,5 × 0,667) = 43.560 ÷ 1,667 = 26.130 Pflanzen pro Hektar
Quadratischer vs. Dreiecklicher Abstand
Quadratischer Abstand platziert Pflanzen an den Ecken von Quadern. Einfach, leicht zu kultivieren in zwei Richtungen.
Equilateral Dreieck Abstand (auch als versetzt oder gestaffelt bezeichnet) verschiebt jede zweite Reihe um die Hälfte des Pflanzabstands. Dies passt etwa 15,5% mehr Pflanzen pro Hektar als quadratischer Abstand bei gleichem minimalen Pflanzen-zu-Pflanzen-Abstand.
Warum? Bei quadratischem Abstand beträgt der diagonale Abstand zwischen Pflanzen d × √2 ≈ 1,414d: verschwendeter Raum. Bei dreiecklichem Abstand ist jeder Pflanze gleich weit von seinen sechs Nachbarn entfernt, wodurch das Gebiet effizienter besetzt wird. Dies ist derselbe Grund, warum der hexagonale Honigwabenkörper die effizienteste Möglichkeit ist, um eine Ebene zu verkleiden.
Berechnung von Pflanzpopulationen
Ein Sojaanbauer erwägt zwei Pflanzkonfigurationen:
Option A: 15-Zoll-Reihen (1,25 ft), 3-Zoll-Pflanzabstand (0,25 ft): Standard-Quadratgitter.
Option B: Die gleichen 15-Zoll-Reihen, der gleiche 3-Zoll-Pflanzabstand, aber mit equilateral Dreieck (versetzter) Abstand: Jede zweite Reihe verschiebt sich um 1,5 Zoll.
Neigung, Neigung und Wasserabfluss
Entwässerungsgeometrie
Wasser fließt abwärts. Die Geometrie wie schnell es fließt wird durch die Neigung bestimmt, die Landwirte und Ingenieure als Neigung (Prozentsatz der Neigung) ausdrücken.
Neigung = (Anstieg ÷ Lauf) × 100
Eine Neigung von 2% bedeutet, dass der Boden 2 Fuß für jeden 100 Fuß horizontaler Entfernung absinkt. Eine Neigung von 1% sinkt 1 Fuß pro 100 Fuß.
Oberflächenentwässerung
Für ein richtiges Entwässern von Oberflächen müssen Felder eine Mindestneigung von 1-2% haben. Unter 1% sammelt sich Wasser in tiefen Stellen. Über 5-8% wird Erosion zu einem ernsthaften Problem. Für die meisten Ackerflächen liegt der sweet spot zwischen 1-3%.
Drainageleitungen
In flachen, feuchten Regionen (US-amerikanischer Maisgürtel, Niederlande) installieren Landwirte Drainageleitungen: Netzwerke perforierter Rohre, die 3-4 Fuß tief begraben sind. Das Wasser sickert durch den Boden, tritt in die Löcher ein und fließt durch die Rohre zum Auslass.
Zwei gängige geometrische Muster:
- Parallelmuster: Rohre verlaufen parallel über das Feld, verbinden sich an einem Ende mit einem Hauptsammlerohr. Einfache Geometrie, funktioniert bei gleichmäßigen Neigungen.
- Saitenmuster: Seitenrohre gehen von einem zentralen Hauptrohr aus unter Winkeln von 45-60°, ähnlich den Knochen eines Fisches. Bessere Abdeckung für unregelmäßig geformte Felder oder Felder mit einem zentralen Niedergelände.
Die Entfernung der Leitungen hängt von der Bodenart ab: 30-50 Fuß voneinander entfernt in Tonböden (das Wasser bewegt sich langsam), 80-100+ Fuß in Sandböden (das Wasser bewegt sich schnell). Die selbst begrabenen Rohre werden mit einer Mindestneigung von 0,1% gelegt: genug, um das Wasser zum Auslass zu fließen.
Entwässerungsdesign
Ein Landwirt hat ein 40-Acre-Feld, das 1.320 Fuß × 1.320 Fuß (ein Viertel eines Viertels) misst. Das Feld neigt sich gleichmäßig von Nord nach Süd.
Die nördliche Kante befindet sich auf einer Höhe von 102 Fuß. Die südliche Kante befindet sich auf einer Höhe von 100 Fuß.
Sie möchten parallel verlegte Drainageleitungen in Nord-Süd-Richtung installieren, mit Rohren, die 60 Fuß voneinander entfernt sind.
Landwirtschaftliche Geometrie - Zusammenfassung
Was Sie gelernt haben
Landwirtschaft ist angewandte Geometrie auf großem Terrain:
- Feldanlage: Rechteckige Felder für geradlinige Maschinen, runde Felder für Zentrifugalbewässerung. Das Kreis-in-einem-Kreuz verliert 21,5% der Fläche: eine geometrische Konstante.
- Gleisraupe: Drehen der Gräben um 90° relativ zur Neigung verwandelt Entwässerungsgräben in Infiltrationsbarrieren. Terrassen erzeugen geometrische Stufen auf steilem Terrain.
- Pflanzabstand: Die Formel Pflanzen/Acre = 43.560 ÷ (Reihe × Pflanzabstand) bestimmt die Pflanzenlichte. Dreieckige Anordnung packt ~15% mehr Pflanzen als quadratische Anordnung bei derselben minimalen Entfernung: hexagonale Nahpackung.
- Entwässerung: Neigung = Anstieg / Abstieg. Oberflächenentwässerung benötigt eine Mindestneigung von 1-2%. Leitungsentwässerung verwendet parallele oder Hirschgeweih-Pipe-Muster mit einer Neigung von 0,1%+.
Jede Entscheidung, die ein Landwirt trifft, wo er pflügen soll, wie dicht er pflanzen soll, wo er Rohre legen soll, ist ein geometrisches Problem. Die Geometrie ist nicht komplex, aber falsche Entscheidungen kosten Topsoil, Wasser und Ertrag.