Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследований 10
1.1. Анализ способов и методов количественного учета эрозионного процесса 10
1.2. Анализ способов обработки почвы и используемых орудий при почвозащитных технологиях 24
1.3. Цель и задачи исследований 37
Глава 2. Теоретические предпосылки обоснования основных параметров рыхлителя подпахотного слоя 39
2.1. Условия протекания эрозионного процесса мерзлых и оттаивающих почв 39
2.2. Основное уравнение термодинамики эродируемой мерзлой и оттаивающей почвы 44
2.3. Потенциал эрозионной стойкости (ПЭС) мерзлых и оттаивающих почв 46
2.4. Определение объема воды в-пахотном сечении с разрыхленным подпахотным слоем 48
2.5. Обоснование основных параметров рабочего органа 55
2.5.1. Определение сопротивления передвижению рыхлителя в почве 59
2.6. Обоснование расположения рыхлителя на корпусе плуга 68
2.7. Определение ширины зоны рыхления подпахотного слоя 69
2.8. Обоснование расстояния между зонами рыхления 70
Глава 3. Методика экспериментальных исследований 73
3.1. Объект и задачи исследований при определении потенциала эрозионной стойкости мерзлых и оттаивающих почв и тягового сопротивления плуга 73
3.2. Методика определения ПЭС мерзлых и оттаивающих почв в лабораторных условиях 74
3.2.1. Устройство для определения ПЭС мерзлых и оттаивающих почв в лабораторных условиях 82
3.3. Методика определения ПЭС мерзлых и оттаивающих почв в полевых условиях 85
3.3.1. Устройство для определения ПЭС мерзлых и оттаивающих почв в полевых условиях 88
3.4. Методика определения коэффициента фильтрации мерзлых и оттаивающих почв 90
3.5. Методика определения пористости мерзлых и оттаивающих почв 94
3.6. Методика определения объемной массы мерзлых
и оттаивающих почв 96
3.7. Методика экспериментальных исследований по определению тягового сопротивления плуга 97
3.7.1. Описание полевой экспериментальной установки 97
3.7.2. Методика обработки экспериментальных данных 100
3.7.3. Методика обработки осциллограмм, определения тягового усилия и фактического расхода топлива 101
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований 104
4.1. Краткая характеристика природно-климатических условий Чебоксарского района Чувашской Республики 104
4.1.1. Характеристика почвы экспериментального участка 107
4.2. Результаты экспериментальных исследований ПЭС мерзлых и оттаивающих почв в лабораторных условиях 110
4.3. Результаты экспериментальных исследований ПЭС мерзлых и оттаивающих почв в полевых условиях 114
4.4. Результаты экспериментального определения коэффициента фильтрации, пористости и объемной массы мерзлых и оттаивающих почв 117
4.5. Результаты экспериментального определения тягового сопротивления плуга 119
Глава 5. Определение энергетической эффективностииспользования рыхлителя подпахотного слоя с орудиями основной обработки почвы 124
Общие выводы 130
Литература 133
Приложения 145
- Анализ способов и методов количественного учета эрозионного процесса
- Условия протекания эрозионного процесса мерзлых и оттаивающих почв
- Методика определения ПЭС мерзлых и оттаивающих почв в лабораторных условиях
- Результаты экспериментальных исследований ПЭС мерзлых и оттаивающих почв в лабораторных условиях
Введение к работе
Водная эрозия наносит непоправимый урон сельскохозяйственному производству. На территории Российской Федерации более 98 млн. га пахотных земель расположены на склонах, которые в той или иной степени подвержены водной эрозии. По данным ВНИИЗ и ЗПЭ [95] годовой смыв почвы составляет более 1,5 млрд. т. Общая площадь оврагов составляет свыше 2,5 млн. га.
В Чувашской Республике 84% сельскохозяйственных угодий размещено на склонах, более 630 тыс. га или 78% пашни подвержено эрозионным процессам. В результате водной эрозии ежегодно с территории Чувашской Республики, уносится более 10 млн. тонн почвы, а вместе с ней в доступной и усвояемой форме - около 20 тыс. тонн азота, более 10 тыс. тонн фосфора, около 200 тыс. тонн калия [58]. Водная эрозия приводит к уменьшению площадей сельскохозяйственных угодий, ухудшению их качества, разрушению почвенного покрова, истощению плодородия почв, заиливанию рек, прудов и водоемов, нарушению общего гидрологического режима территорий, росту оврагов и балок. На территории землепользования сельскохозяйственных предприятий Чувашской Республики овраги и балки занимают 98 тыс. га, из них около 17 тыс. га действующие овраги [3, 83].
Водная эрозия приводит к снижению урожайности сельскохозяйственных культур от 10 до 70%о, а уменьшение валовой сельскохозяйственной продукции, в зависимости от степени смытости, составляет около 20-30% [79].
Вышеизложенное позволяет констатировать, что технологии выращивания сельскохозяйственных культур на склоновых землях должны быть почвозащитными, а организация территории землепользования и землеустройства -ландшафтно-экологической.
Общие теоретические и практические основы проектирования противо-эрозионных технологий на эрозионно-опасных землях изложены в работах Каштанова А.Н., Данилова Г.Г., Бурова Д.И., Заславского М.Н., И.Ф. Каргина, В.Д. Панникова, Л.В. Воронина, В.Г. Краак, И.А. Пабат, А.С. Козменко, Л. Му-еллера, Р. Миттелстедта, Young R.A., Benoit G.R., Onstad С.А., Botterweg P. и многих других.
Теоретическое и экспериментальное изучение технологических процессов почвозащитных сельскохозяйственных машин и их рабочих органов базируется на работах основоположника земледельческой механики В.П. Горячкина и современное состояние характеризуется работами В.А. Сакуна, Н.И. Кленина, Г.Н. Синеокова, И.М. Панова, Б.Г. Турбина, А.Б. Лурье, Г.В. Листопада, А.И. Любимова, А.И. Канаева, Ф.Р. Зайдельмана, К.И. Саранина, П. Панчева, В.Н. Шептухова, А.Д. Кормщикова, В.И. Медведева и других.
Современное состояние исследований по прогнозу эрозионных процессов определяется трудами СИ. Андреева, Н.Н. Бобровицкой, В.Д. Иванова, М.С. Кузнецова, Ц.Е. Мирцхулава, В.Б. Гусака, Г.П. Сурмача, Н.А. Назарова, И.И. Максимова, И.С. Кочетова, Г.И. Швебса, Е.Н. Цикина, Г.И. Серых, И.Ф. Аристова, В.П. Герасименко, А.Г. Рожкова, В.Н. Дьякова, Сильвестрова СИ., Фролова В.Я., Соболева С.С, Гудзона Н., Lingg A.W. и других.
Известно достаточно много способов и приемов обработки почвы, позволяющих уменьшить потери почвы от стока талых вод. Однако не всегда проводимые мероприятия на почвах, подверженных эрозионным процессам, приносят ожидаемые результаты, так как авторы разработок имеют дело с изменчивой в пространстве и во времени средой - почвой. Поэтому успех в основном базируется на предшествующем опыте, а не на расчете, что приводит к неоправданным затратам материальных средств.
Такое положение, на наш взгляд, связано прежде всего отсутствием изученных объективных критериев, характеризующих эрозионную стойкость мерз-
лых и оттаивающих почв. Многочисленные работы в этой области предполагают большое множество величин и способов их определения, целью которых являются отыскание параметров, необходимых для расчета и проектирования противоэрозионных технологий и технических средств. Однако их применение для практических расчетов ограничено: длительностью определения исходных параметров, неадекватностью результатов измерений реальному процессу, невозможностью проведения сравнительной оценки различных почв и т.д.
Таким образом, решение задач при проектировании противоэрозионных технологий и технических средств для их осуществления связано, в первую очередь, отысканием интегрального объективного параметра, удовлетворяющего требованиям практики и разработкой приемлемого способа его определения.
В качестве единого интегрального критерия оценки эрозионной стойкости мерзлых и оттаивающих почв нами предлагается использовать потенциал эрозионной стойкости (ПЭС), представляющий собой энергию, затраченную на разрушение и вынос единицы массы почвы в условиях ее залегания [68, 69].
В связи с такой формулировкой вопроса следует, прежде всего, рассмотреть взаимодействие водного потока с мерзлой и оттаивающей почвой, протекающее в реальных условиях, и установить место и связь ПЭС мерзлых и оттаивающих почв среди других термодинамических потенциалов и выявить влияние рыхления подпахотного слоя почвы на ПЭС.
Поэтому основной целью работы является разработка и обоснование основных параметров рыхлителя подпахотного слоя к орудиям основной обработки почвы для снижения стока талых вод и уменьшения смыва почвы со склоновых земель.
Научная новизна состоит в применении термодинамического подхода при изучении эрозионных процессов мерзлых и оттаивающих почв, аэродинамического метода при определении ее водно-физических свойств и разработке
рабочего органа для рыхления подпахотного слоя при проведении основной обработки почвы.
Разработаны способ, устройства и методика определения ПЭС мерзлых и оттаивающих почв в полевых и лабораторных условиях;
Предложен рабочий орган для рыхления подпахотного слоя при проведении основной обработки почвы на склонах, уменьшающий эрозионные процессы от стока талых вод. Обоснованы основные параметры рабочего органа для рыхления подпахотного слоя почвы и определено расстояние между зонами рыхления подпахотного слоя;
Определены водно-физические свойства мерзлых и оттаивающих почв.
В представленной работе, на основании выполненных автором исследований, сформулированы и обоснованы научные положения, позволяющие определить ПЭС мерзлых и оттаивающих почв и предложен рабочий орган для снижения стока талых вод и уменьшения смыва почвы со склоновых земель.
В связи с этим на защиту выносятся следующие положения:
теоретические предпосылки определения ПЭС мерзлых и оттаивающих почв;
методика и устройства для определения ПЭС мерзлых и оттаивающих почв в полевых и лабораторных условиях;
методика определения объема талой воды в почвенном сечении с разрыхленным подпахотным слоем;
методика обоснования основных параметров рабочего органа для рыхления подпахотного слоя почвы;
результаты экспериментальных исследований и энергетические показатели использования рыхлителя подпахотного слоя при основной обработке почвы на склонах.
По теме диссертации опубликованы 9 научных работ.
Новизна способа для определения ПЭС защищена 1 патентом РФ.
Основные положения работы доложены и обсуждены на: - научных конференциях профессорско-преподавательского состава Чувашской государственной сельскохозяйственной академии в 2000-2001 гг. (г.Чебоксары);
- научно-технических советах МСХ и Госкомзема Чувашской Республики (ЧР) в 1993-1997 гг. и в 2001 г. (г.Чебоксары).
На основании теоретических и экспериментальных исследований разработаны и изготовлены макетные образцы следующих устройств и приборов для изучения эрозионных процессов и уменьшения смыва мерзлых и оттаивающих почв со склонов:
Лабораторный лоток для определения ПЭС мерзлых и оттаивающих почв.
Устройство для определения ПЭС почв в полевых условиях.
Рабочий орган для рыхления подпахотного слоя при проведении основной обработки почвы на склонах, уменьшающий эрозионные процессы от стока талых вод.
.Материалы исследований и техническая документация на лабораторный лоток для определения потенциала эрозионной стойкости мерзлых и оттаивающих почв, устройство для определения потенциала эрозионной стойкости почв в полевых условиях переданы Министерству сельского хозяйства Чувашской Республики (1994 - 1996 гг.), Государственному Комитету Чувашской Республики по земельным ресурсам и землеустройству (1995, 1996 гг.). Рабочий орган для рыхления подпахотного слоя почвы внедрен в ФГУП УОХ «Приволжское» ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА».
Автор благодарен сотрудникам кафедр физики и математики, автомобили и тракторы и сельскохозяйственных машин Чувашской ГСХА: Сироткину В.М., Аквильянову А.П., Константинову Ю.В., Чегулову В.В., Данилову В.М., Чернову В.Г., Максимову В.И., Борисову А.П., Малову А.А- за практическую помощь, оказанную на различных этапах выполнения диссертационной работы.
# "І- ДВ»!,^,^,
Анализ способов и методов количественного учета эрозионного процесса
Сравнение рассчитанного значения Э, по приведенному выражению, с эродированностью территорий, позволило СИ. Сильвестрову предложить балльную шкалу, отражающую степень подверженности территории эрозионным процессам. Развитие данного направления применительно к комплексному эрозионному районированию нашло отражение в дальнейших работах СИ. Сильвестрова [92]. В основу схемы районирования положены 4 ступени, которые позволили выделить фитоклиматические зоны, внутри которых (в зависимости от макрорельефа) — провинции, далее — области, затем (в зависимости от местных природных и хозяйственных условий) — сельскохозяйственные округа. На различных стадиях оценки факторов водной эрозии применялись шкалы баллов, изменяющихся по законам прогрессии. Для получения комплексной оценки все баллы перемножались, а полученный ряд делился на классы.
Недостатком данного метода является субъективность и необоснованность принятых критериев при определении шкалы сложных баллов [116]. Сущность метода водороин, предложенный С.С Соболевым [97], заключается в том, что вдоль склона закладываются нивелировочные профили, на которых через 25-100 м выбираются учетные площадки размером 10x25 м. Они располагаются длинными сторонами вдоль горизонталей. На площадках определяется сечение промоин, вычисляется их объем, который пересчитывается в м3 на 1 га. При рассмотрении особенности метода видно, что за объем снесенной со склона почвы принимается средний объем водороин (размоин). При этом подразумевается, что смыв протекает лишь в ручейках, по которым происходит сток, а гребни между ручейками остаются в течение всего стока (дождя) неизменными. Следует заметить, что применяя метод водороин, процесс смыва представляют очень упрощенно и исключают не только возможность смыва между промоинами, но и отложение частиц в местах понижения микрорельефа. Существующие методы учета величины смыва по водороинам основывается на определении его объема малыми учетными площадками с последующим переводом полученных данных на большие площади (обычно на 1 га). При этом предполагается относительная однородность его параметров в этих пределах. Поэтому первостепенное значение имеет выбор участка склона с относительно однородными условиями. По данным [31], в настоящее время наиболее доступным и распространенным является определение смыва на учетных площадках размером 25x100 м, заложенных поперек склона с расстоянием между ними не более 50-100 м (на перегибах склонов через 20-25 м), а на однородных длинных склонах - на большем расстоянии. В работе [31] отмечается, что применение метода водороин с закладкой профиля у основания склона привело к ошибке равной -10,2%, а при расположении его в середине учетной площадки -7,8%. Наибольшая точность достигается при закладке профиля размером 100x10 м у основания участка (отклонение - 0,6%) и при учете величины стока площадками размером 20x20 м (отклонение + 1,3%). Точность учета водной эрозии методом водороин зависит от типа микрорусел и вида агрофона. Для измерения смыва почвы большей точностью, современными гидрометрическими сооружениями, необходимо учитывать на том или ином объекте (водосборе, стоковой площадке) все без исключения водороины и назначать по длине каждой из них не менее 20 створов на озимых и 30 створов на зяби, а также 5-10 промеров глубин на поперечном сечении микрорусла [20]. Недостатком метода водороин является занижение величины смыва на небольших участках. Для склона в целом не исключена возможность получения завышенных значений поверхностного смыва из-за неполного учета аккумуляции почвы, смытой выше по склону [38]. Для уточнения метода водороин при обычном его исполнении целесообразно использование метода шпилек и временных реперов как вспомогательных устройств [114]. Метод шпилек основан на сопоставлении положения поверхности почвы до и после стока. Эталоном для сравнения служат неподвижные головки шпилек (реперов). Этот метод позволяет измерять смыв, как в промоинах, так и между ними. Для большей точности целесообразно применять систему постоянных и временных парных реперов, между которыми строго горизонтально устанавливается измерительная рейка. Нарушение горизонтальности рейки при последующих измерениях говорит об изменении высотного положения реперов. При явном смещении только Одного из них измерение можно производить по другому, надежному реперу [117]. Недостатком данного метода является учет смыва почвы на небольших участках склона.
При изучении водноэрозионного склонового процесса, происходящего во время ливня или таяния снега, трудно обойтись без анализа явлений, составляющих данный процесс, который можно проводить на основе наблюдений на стоковых площадках. Данный вопрос приобретает особое значение в свете необходимости создания модели склоновой водной эрозии и разработки метода моделирования противоэрозионных мероприятий. Стоковая площадка чаще всего бывает короче длины среднего склона исследуемого района, хотя может занимать весь конкретный склон. Она представляет собой водосборную площадь ручейковой системы на склоне, внутри которой наблюдается концентрация водных масс. Для рассматриваемого метода интересует соотношение длины и ширины ручейковой системы, которые определят ширину и длину стоковой площадки. Для ровных склонов, например, при продольном рядовом посеве пропашных культур значение ширины элементарной ручейковой сети редко превышает ширину 3 рядов. Для того чтобы на площадке могла сформироваться хотя бы одна полная ручейковая система, необходимо, чтобы ширина стоковой площадки была минимум в 2 раза больше ширины ручейковой системы. Исследования [117], проведенные в районе Молдавской воднобалансовой станции, показали, что отношение длины стоковой площадки к ширине должно составлять по крайней мере 4:1 при длине стоковой площадки равной 100 м, 5:1 при длине - 100-200 м и 6:1 при длине - 200 м. Важный элемент стоковой площадки - водомерный лоток, который служит местным базисом эрозии для площадки. Для обеспечения естественного процесса образования ручейковой сети на коротких площадках (до 50 м) необходимо применять лотки с размывающей стенкой [115].
Для расчета стока склоновых наносов необходимы измерения мутности и расхода воды. Расход воды определяется чаще всего объемным способом в комбинации с водосливом. Для нахождения мутности потока необходим отбор проб. Эта операция обычно выполняется вручную или с применением автоза-борника.
Условия протекания эрозионного процесса мерзлых и оттаивающих почв
В основу схемы районирования положены 4 ступени, которые позволили выделить фитоклиматические зоны, внутри которых (в зависимости от макрорельефа) — провинции, далее — области, затем (в зависимости от местных природных и хозяйственных условий) — сельскохозяйственные округа. На различных стадиях оценки факторов водной эрозии применялись шкалы баллов, изменяющихся по законам прогрессии. Для получения комплексной оценки все баллы перемножались, а полученный ряд делился на классы. Недостатком данного метода является субъективность и необоснованность принятых критериев при определении шкалы сложных баллов [116]. Сущность метода водороин, предложенный С.С Соболевым [97], заключается в том, что вдоль склона закладываются нивелировочные профили, на которых через 25-100 м выбираются учетные площадки размером 10x25 м. Они располагаются длинными сторонами вдоль горизонталей. На площадках определяется сечение промоин, вычисляется их объем, который пересчитывается в м3 на 1 га. При рассмотрении особенности метода видно, что за объем снесенной со склона почвы принимается средний объем водороин (размоин). При этом подразумевается, что смыв протекает лишь в ручейках, по которым происходит сток, а гребни между ручейками остаются в течение всего стока (дождя) неизменными. Следует заметить, что применяя метод водороин, процесс смыва представляют очень упрощенно и исключают не только возможность смыва между промоинами, но и отложение частиц в местах понижения микрорельефа. Существующие методы учета величины смыва по водороинам основывается на определении его объема малыми учетными площадками с последующим переводом полученных данных на большие площади (обычно на 1 га). При этом предполагается относительная однородность его параметров в этих пределах. Поэтому первостепенное значение имеет выбор участка склона с относительно однородными условиями. По данным [31], в настоящее время наиболее доступным и распространенным является определение смыва на учетных площадках размером 25x100 м, заложенных поперек склона с расстоянием между ними не более 50-100 м (на перегибах склонов через 20-25 м), а на однородных длинных склонах - на большем расстоянии. В работе [31] отмечается, что применение метода водороин с закладкой профиля у основания склона привело к ошибке равной -10,2%, а при расположении его в середине учетной площадки -7,8%. Наибольшая точность достигается при закладке профиля размером 100x10 м у основания участка (отклонение - 0,6%) и при учете величины стока площадками размером 20x20 м (отклонение + 1,3%). Точность учета водной эрозии методом водороин зависит от типа микрорусел и вида агрофона. Для измерения смыва почвы большей точностью, современными гидрометрическими сооружениями, необходимо учитывать на том или ином объекте (водосборе, стоковой площадке) все без исключения водороины и назначать по длине каждой из них не менее 20 створов на озимых и 30 створов на зяби, а также 5-10 промеров глубин на поперечном сечении микрорусла [20]. Недостатком метода водороин является занижение величины смыва на небольших участках. Для склона в целом не исключена возможность получения завышенных значений поверхностного смыва из-за неполного учета аккумуляции почвы, смытой выше по склону [38]. Для уточнения метода водороин при обычном его исполнении целесообразно использование метода шпилек и временных реперов как вспомогательных устройств [114]. Метод шпилек Метод шпилек основан на сопоставлении положения поверхности почвы до и после стока. Эталоном для сравнения служат неподвижные головки шпилек (реперов). Этот метод позволяет измерять смыв, как в промоинах, так и между ними. Для большей точности целесообразно применять систему постоянных и временных парных реперов, между которыми строго горизонтально устанавливается измерительная рейка. Нарушение горизонтальности рейки при последующих измерениях говорит об изменении высотного положения реперов. При явном смещении только Одного из них измерение можно производить по другому, надежному реперу [117]. Недостатком данного метода является учет смыва почвы на небольших участках склона. Исследование эрозии с помощью стоковых площадок При изучении водноэрозионного склонового процесса, происходящего во время ливня или таяния снега, трудно обойтись без анализа явлений, составляющих данный процесс, который можно проводить на основе наблюдений на стоковых площадках. Данный вопрос приобретает особое значение в свете необходимости создания модели склоновой водной эрозии и разработки метода моделирования противоэрозионных мероприятий.
и Стоковая площадка чаще всего бывает короче длины среднего склона исследуемого района, хотя может занимать весь конкретный склон. Она представляет собой водосборную площадь ручейковой системы на склоне, внутри которой наблюдается концентрация водных масс. Для рассматриваемого метода интересует соотношение длины и ширины ручейковой системы, которые определят ширину и длину стоковой площадки. Для ровных склонов, например, при продольном рядовом посеве пропашных культур значение ширины элементарной ручейковой сети редко превышает ширину 3 рядов. Для того чтобы на площадке могла сформироваться хотя бы одна полная ручейковая система, необходимо, чтобы ширина стоковой площадки была минимум в 2 раза больше ширины ручейковой системы. Исследования [117], проведенные в районе Молдавской воднобалансовой станции, показали, что отношение длины стоковой площадки к ширине должно составлять по крайней мере 4:1 при длине стоковой площадки равной 100 м, 5:1 при длине - 100-200 м и 6:1 при длине - 200 м. Важный элемент стоковой площадки - водомерный лоток, который служит местным базисом эрозии для площадки. Для обеспечения естественного процесса образования ручейковой сети на коротких площадках (до 50 м) необходимо применять лотки с размывающей стенкой [115].
Для расчета стока склоновых наносов необходимы измерения мутности и расхода воды. Расход воды определяется чаще всего объемным способом в комбинации с водосливом. Для нахождения мутности потока необходим отбор проб. Эта операция обычно выполняется вручную или с применением автоза-борника.
Методика определения ПЭС мерзлых и оттаивающих почв в лабораторных условиях
Землепользование сельскохозяйственных предприятий Чебоксарского района расположено в северной части Чувашской Республики, приблизительно в 56 с.ш. По степени проявления процессов водной эрозии и распространения почв различной степени смытости (эродированности) относится Присурско-Приволжскому почвенно-эрозионному району, который вытянут вдоль правого берега р. Волги от западной границы Чувашской Республики с Нижегородской областью и Республикой Марий Эл до восточной границы с Республикой Татарстан [83].
Рельеф данного почвенно-эрозионного района волнистый, глубоко и сильно расчлененный овражно-балочной сетью, густота которой достигает 1,1 км на 1 км . Глубина местного базиса эрозии составляет 110-150 м. Пахотные угодья в этом районе сильно подвержены всем видам водной эрозии. Интенсивность проявления эрозионных процессов на пашне в среднем составляет 6,6 м3/га.
Территории землепользования сельскохозяйственных предприятий Чебоксарского района расположены в первом агроклиматическом районе Чувашской Республики, которые характеризуется умеренным по температуре климатом и с незначительным дефицитом осадков. Сумма среднесуточных температур воздуха выше 0 С равна 2500-2600С, гидротермический коэффициент Для характеристики климатических особенностей Чебоксарского района Чувашской Республики приведем многолетние данные Чувашского республиканского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (за 50 лет) (табл. 4.1); в приложении 8 среднесуточную температуру воздуха; в приложении 9 высоту снежного покрова, глубину промерзания и оттаивания почвы в марте и апреле с 1960 по 1995 гг. Среднегодовая температура воздуха не превышает +3,0С. Самым холодным месяцем является январь с минимальной температурой до —42С, а самым теплым - июль с максимальной температурой до +35С. Период с темпера турой выше 0С начинается с 3-4 апреля и заканчивается 29-31 октября. Продолжительность этого периода составляет 200-210 дней. Период с температурой ниже 0С (продолжительность зимы) составляет 155-165 дней. Анализ приложения 8 показывает, что в 3-й декаде марта и в 1 -ой декаде апреля наблюдается чередование дней с отрицательными и положительными температурами воздуха окружающей среды. Но, в отдельные годы, в вышеуказанных периодах, просматриваются только незначительные отрицательные или положительные интервалы температур. Поэтому в эти дни не просматривается установившегося интенсивного таяния снега. В основном, стабильная положительная температура воздуха окружающей среды и таяние снега устанавливается во второй декаде апреля. Таяние снега возможно и при незначительных отрицательных температурах воздуха за счет солнечной радиации и «парникового эффекта». Количество годовых осадков выпадает от 267 до 615 мм и в среднем (за 50 лет) составляет - 545 мм. По месяцам распределение осадков неравномерное (см. табл. 4.2). Из таблицы 4.2 видно, что основная часть осадков (385 мм) выпадает в теплое время года. Снежный покров появляется в сроки от 5 ноября по 27 ноября, но, в основном, окончательно устанавливается между 4 и 13 ноября. Мощность снежного покрова колеблется в пределах 21-58 см, запас воды в снеге находится в пределах 160 мм. Количество дней со снежным покровом составляет 145-150. Период снеготаяния продолжается с 22-24 марта по 15-17 апреля. Анализ приложения 9 показывает, что уменьшение высоты снежного покрова начинает происходить в 3-й декаде марта. Стабильный процесс таяния снега наблюдается в начале апреля и заканчивается во второй декаде месяца. Глубина промерзания почвы, в зависимости от мощности снежного покрова и температуры воздуха, колеблется в широких пределах от 32 до 102 см, но в отдельные годы достигает до 150 см и более. В среднем почва полностью оттаивает до 5 мая. От глубины промерзания почв, влажности, запаса воды в снежном покрове и интенсивности таяния снега зависит величина весеннего стока. При глубине промерзания 70-85 см, по данным [101], величина стока составляет в среднем 70-80 мм при максимуме 100 мм, коэффициент стока в среднем составляет 0,85. Анализ приложения 9 показывает, что глубина промерзания почв, по приведенным годам наблюдений, различная, в ряде случаев она превышает 100 см, но в отдельные годы достигает 140 см и более, а в 1984 году составила 150 см. Перепады глубины промерзания можно объяснить тем, что в малоснежные годы почва промерзала на большую глубину, и наоборот, за редкими исключениями (например, 1960 год). В большинстве случаев почва интенсивно начинает оттаивать после схода снежного покрова, а ее полное оттаивание происходит в конце апреля или в начале мая. Из анализа видно, что погодно - климатические условия Чебоксарского района Чувашской Республики благоприятствуют развитию эрозионных процессов, так как почва промерзает на значительную глубину, а ее оттаивание происходит после схода снежного покрова. Следовательно, вся энергия талых вод будет направлена на оттаивание и смыв почвенных агрегатов. Территория землепользования ФГУП УОХ «Приволжское» ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА» входит в состав Приволжского агропочвенного района. В почвенном покрове данного района преобладают серые лесные почвы со сред-несуглинистым механическим составом [6]. Основной фон почвенного покрова территории хозяйства составляют светло-серые лесные, серые лесные, дерново-подзолистые почвы. Почвенный фон экспериментального участка площадью более 1 га составляют светло - серые лесные почвы. По механическому составу эти почвы среднесуглинистые, характеризуются светло-серой окраской гумусового слоя. Содержание гумуса находится в пределах 1,4-2,4%. Экспериментальный участок расположен на покатом склоне крутизной 3-4, где почва слабосмытая, а также встречаются мелкие ложбины и борозды стока, что характеризуют среднюю степень смыва пахотного горизонта.
Результаты экспериментальных исследований ПЭС мерзлых и оттаивающих почв в лабораторных условиях
По результатам исследования энергозатрат рассмотренных способов основной обработки с рыхлением подпахотного слоя и без его рыхления можно сделать следующие выводы: 1. Использование рыхлителя подпахотного слоя почвы при проведении основной обработки по сравнению с основной обработкой без рыхления приводит к увеличению общих энергозатрат на AZs = 254,5 МДж/га при 21=75 и АЕ = 462,0 МДж/га при 21=180. 2. Удельная энергоемкость рассмотренных способов основной обработки почвы представлена в таблице 5.5. 3. При переводе значений энергозатрат в дизельное топливо с примене нием энергетического эквивалента по [105] е/=42,7 МДж/кг и известных значениях цены дизельного топлива получаем энергозатраты в рублях. Так же при средней закупочной цене на пшеницу 220 руб/ц (цены 2002 г.) определяется экономическая эффективность от прибавки урожайности при использовании рыхлителя подпахотного слоя одновременно со вспашкой. Результаты расчетов экономической эффективности при возделывании озимой пшеницы представлены в таблице 5.6 [24]. 1. Для описания и оценки эрозионных процессов, возникающих на склонах от стока талых вод, предложено использование метода термодинамических потенциалов. Разработана уточненная методика определения потенциала эрозионной стойкости (ПЭС) мерзлых и оттаивающих почв при различных исходных способах механической обработки почвы и применение его в качестве интегрального критерия для оценки эрозионных процессов. Установлено, что ПЭС мерзлых и оттаивающих почв является величиной аддитивной, зависящей от исходного состояния физико-механических свойств (влажности, пористости, коэффициента фильтрации, плотности и др.) и исходного способа механической обработки, но постоянной для конкретных типов почв при прочих равных условиях. 2. Разработаны методики и устройства для определения ПЭС мерзлых и оттаивающих почв в лабораторных и полевых условиях. В результате экспериментальных исследований установлено, что ПЭС мерзлых и оттаивающих почв уменьшается с увеличением ее исходной (перед промерзанием) влажности, вследствие повышения содержания льда в почве: - ПЭС для светло-серых лесных почв (образцы нарушенного сложения -лабораторные опыты) уменьшаются в среднем на 1935,1 ±85,3 Дж/кг (с 22480,8 до 20545,4 Дж/кг) при увеличении ее влажности от 15% до 30%; - ПЭС для песка древнеаллювиальных отложений (лабораторные опыты) в среднем на 171 + 23,7 Дж/кг (с 3669,6 до 3498,6 Дж/кг); - ПЭС для светло-серых лесных почв (ненарушенного сложения - полевые опыты) уменьшаются в среднем на 3147,1 ±151,5 Дж/кг (с 28540,1 до 25393,0 Дж/кг) при увеличении влажности от 24,5 до 31,6%. 3. Для уменьшения стока талых вод разработан и предложен рабочий ор ган для рыхления подпахотного слоя при основной обработке почвы на склонах. В результате проведенных лабораторно-полевых исследований установлено, что численное значение ПЭС перед началом снеготаяния в почвенном сечении с разрыхленным подпахотным слоем в среднем составляет 28540,1 ±929,5 Дж/кг, влажность почвы 24,5%; между зонами рыхления — соответственно 27065,9± 1154,2 Дж/кг и 28,2%; на контрольном участке (отвальная вспашка без рыхления подпахотного слоя) - соответственно 25393,0± 1079,5 Дж/кг и 31,6%. Коэффициент фильтрации над зоной рыхления в 2,9-3,5 раза выше по сравнению между зонами рыхления и в 4,0-6,6 раза больше по сравнению на пашне без рыхления подпахотного слоя; соответственно, пористость над зоной рыхления в 1,7-2,2 раза больше по сравнению между зонами рыхления и в 2,0-2,9 раза выше по сравнению с пашней без рыхления подпахотного слоя. 4. В результате проведения лабораторно-полевых исследований уточнены основные конструктивные параметры рабочего органа для рыхления подпахотного слоя при основной обработке почвы: - угол резания а =35-40; - ширина захвата рыхлителя =0,015-0,016 м; - ширина стойки рыхлителя с=0,035-0,040 м; - угол заточки лезвия рыхлителя"2/=75 ± 5; - радиус фронтальной стороны рыхлителя /?=0,12± 0,005 м; - радиус тыльной стороны рыхлителя Rj-0,15 ± 0,0025 м. 5. Усилие резания почвы рыхлителем зависит от физико-механических свойств почвы и его конструктивных параметров (угла а\ лезвия рыхлителя, угла заточки 2/ и толщины 8 лезвия). Снижение сопротивлений при малых углах а\ происходит в результате изменения угла заточки 2/ и толщины 8 лезвия рыхлителя. Экспериментальными исследованиями установлено, что при уменьшении угла заточки 2/ рыхлителя с 180 до 75 тяговое сопротивление рабочего органа в среднем уменьшается на 0,61 + 0,028 кН (с 1,71 кН при 2i=J80 до 1,1 кН при 2і=75). 6. Полевые испытания орудия основной обработки почвы с одновременным рыхлением подпахотного слоя по сравнению со вспашкой без рыхления показали, что: - урожайность озимой пшеницы повышается на 1,5-1,7 ц/га; - удельная энергоемкость увеличивается на 6,48-14,13 МДж/ц; - экономическая эффективность составляет 309,07-338,21 руб./га.
