Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы исследований 15
1.1. Методологические основы механизированных технологий в условиях склонового земледелия 15
1.2. Механизированные технологии обработки почвы 25
1.3. Машины и орудия для механизированных технологий обработки почвы 52
1.4. Показатели качества выполнения технологических процессов 67
2. Условия, программа и методика исследований 71
2.1. Условия проведения исследований 71
2.2. Программа исследований 82
2.3. Методика исследований 84
2.3.1. Особенности методики проектирования почвозащитных технологий и машин 84
2.3.2. Методика оценки качественных показателей работы почвообрабатывающих агрегатов на склонах 93
2.3.3. Оценка заглубляющей силы рабочих органов 96
2.3.4. Методика определения коэффициентов скольжения и буксования ротационных рабочих органов игольчатого типа 101
2.3.5. Методика определения величины сползания и перекоса машинно-тракторного агрегата при работе на склоне 106
3. Теоретический подход к обоснованию технологических и технических решений при возделывании сельскохозяйственных культур на склонах . 108
3.1. Агроэкологическое обоснование почвозащитных технологий 108
3.2. Исследование модели системы обработки почвы 120
3.2.1. Общие требования к модели обработки почвы на склоновых землях 120
3.2.2. Модель системы обработки почвы 126
3.3. Устойчивость хода рабочих органов боковых секций широкозахватных и комбинированных почвообрабатывающих агрегатов 141
3.4. Теоретический анализ работы ротационных почвообрабатывающих органов игольчатого типа в режиме "подтормаживания" 158
3.5. Особенности движения машинно-тракторного агрегата по склону 169
3.6. Оценка качества работы сельскохозяйственных машин на склонах 179
4. Результаты и анализ экспериментальных исследований 183
4.1. Взаимосвязь основных элементов почвозащитного земледелия: стока, смыва и урожайности сельскохозяйственных культур 183
4.2. Почвозащитные технологии обработки почвы под сельскохозяйственные культуры 192
4.2.1. Оптимизация модели системы основной обработки почвы при возделывании сахарной свеклы в условиях холмистой местности 192
4.2.2. Эффективность обработки почвы на склонах под яровые зерновые культуры 200
4.2.3. Влияние приемов обработки почвы на интенсивность эрозионных процессов при возделывании озимой пшеницы в условиях склонового земледелия 212
4.3. Полевые испытания рабочих органов комбинированного почвообрабатывающего агрегата 234
4.4. Устойчивость хода рабочих органов почвообрабатывающих агрегатов с шарнирно-сочлененной рамой 249
4.5. Исследования ротационных рабочих органов 263
4.6. Уплотнение почвы ходовыми системами машин 272
4.7. Динамика и качество работы машинно-тракторного агрегата на склонах 284
4.7.1. Работа сельскохозяйственных машин агрегатируемых с колесным трактором 286
4.7.2. Оценка результатов работы сельскохозяйственных машин с гусеничным трактором 297
4.7.3. Результаты тяговых испытаний машин на склонах 300
4.7.4. Анализ результатов исследований культиватора крутосклонной модификации 303
5. Экономическо-экологическая эффективность результатов исследований 314
Общие выводы 321
Предложения производству 326
Литература 327
Приложение 356
- Механизированные технологии обработки почвы
- Условия проведения исследований
- Агроэкологическое обоснование почвозащитных технологий
- Взаимосвязь основных элементов почвозащитного земледелия: стока, смыва и урожайности сельскохозяйственных культур
Введение к работе
Охрана и рациональное использование почвы, воды, воздуха, флоры и фауны — важнейшие составляющие стратегии сбалансированного развития агропромышленного комплекса страны. Если учесть, что земля (почва) является кормилицей и, что равнинных полей практически нет, то невольно приходится задумываться над сохранением и повышением плодородия почв на всей территории России. Известно, что почвы склонов, сформированные в условиях пересеченного рельефа и подверженные воздействию водной эрозии, характеризуются, как правило, пониженным плодородием и нередко неблагоприятными агроэкологическими условиями для выращивания сельскохозяйственных культур.
По расчетам ВНИИЗ и ЗПЭ с полей ежегодно смывается 1,5-1,8 млрд. т плодородного слоя. Даже на небольших склонах (1-3) эрозия уносит 30-50% минеральных удобрений, вносимых поверхностным способом. Только за счет водной эрозии около 10% почв пашни России потеряли 30-60% плодородия, а 25%о почв - 10-30%. В результате на эродированных почвах, в зависимости от степени смытости, урожаи сельскохозяйственных культур уменьшились от 10 до 70%, а общий недобор сельскохозяйственной продукции составил около 20-30%.
Приостановить разрушительное действие эрозии и вернуть утраченное плодородие почв - одна из главнейших задач аграрной науки и практики.
В последнее десятилетие решающее значение придается разработке и внедрению в хозяйствах новых противоэрозионных технологий и машин. Производственные сельскохозяйственные машины, разработанные без учета требований почвозащитного земледелия, обладают не только неудовлетворительной почвозащитной эффективностью, но и не обеспечивают качественного выполнения работ при эксплуатации на склонах даже небольшой крутизны. Для выполнения ряда приемов по защите почв от эрозии вообще нет средств механизации. Для их создания требуется проведение специальных исследований по отработке технологий и обоснова-
нию параметров рабочих органов.
Важнейшим звеном в системе склонового земледелия и в комплексе мероприятий по повышению плодородия почвы является ее обработка. Однако технологии основной и предпосевной обработок, применяемые во многих зонах страны, не всегда учитывают требования почвозащитного земледелия и не в полной мере отвечают требованиям получения высоких и устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур.
К негативным моментам существующих технологий можно отнести уплотнение и распыление верхнего слоя почвы. Они вызваны несоответствием и несовершенством многих рабочих органов и их сочетанием, необоснованностью ширины захвата сельскохозяйственной машины, применением энергетического средства и его ходовой системы [1,2].
Общие теоретические и практические основы проектирования противоэрозийных технологий на эрозионно опасных землях изложены в работах Бараева А.И., Госсена Э.Ф., Докучаева В.В., Заславского М.Н., Каштанова А.Н., Краснощекова Н.В., Картамышева Н.И., Милащенко Н.З., Нарциссова В.А., Сдобникова С.С, Скачкова И.А., Соболева С.С., Спирина А.П., Трегубова ПС, и многих других.
Теоретическое и экспериментальное изучение почвозащитных технологий и соответственно средств механизации изложено в работах Г.Н. Синеокова, И.М. Панова, Л.В. Гячева, А.Б. Лурье, Г.Е. Листопад, А.И. Любимова, П.Н. Бурченко, Х.А. Хачатрян, И.И. Гуреева, В.В. Кацыгина, А.С. Кушнарева, А.Д. Кормщикова, В.И. Медведева, А.П. Грибановского, М.Д. Подскребко, В.В. Бледных, Р.С. Рахимова, А.А. Князева, А.П. Иофинова, Ю.А. Ветрова, Р.Л. Турецкоко, И.Г. Шульгина, И.Т. Коврикова, А.К. Кострицина, Н.В. Грищенко, М.С. Хоменко, А.П. Спирина, Д.Д. Прокопенко, В.В. Юдкина, А.А. Шишкина и других.
В решении задач дальнейшей интенсификации сельскохозяйственного производства важное значение имеет всестороннее изучение особенностей изменения плодородия почвы, уровня урожайности, сохранения и
7 улучшения почвенного покрова с учетом новых механизированных
технологий. Научные исследования будут результативными только тогда,
когда они будут не только теоретически обоснованы, но и последовательно
проверены соответствующими опытами, экспериментами. Проверку нужно
многократно повторить с учетом изменения условий (фон, почва, крутизна
склона, машина, рабочий орган, оператор и т.д.). Так как в поисках решения
проблемы применения того или иного агроприема, механизма для
почвозащитного эффекта и повышения урожая весьма важной является
взаимосвязь, существующая между почвой, растениями и механизмами.
Наша многолетняя работа (1985-2005гг) и была направлена на разрешение этой очень важной и разносторонней проблемы, имеющей большое народнохозяйственное значение. Нами она сформулирована следующим образом: эффективное использование пахотных земель в условиях склонового земледелия на основе совершенствования технологических приемов и средств механизации для их выполнения.
Для решения этой проблемы нами была выдвинута гипотеза: повышение урожайности сельскохозяйственных культур в условиях склонового земледелия с обеспечением экологической безопасности за счет совершенствования технологии и технических средств. Она может быть реализована путем создания и решения модели экологически безопасной почвозащитной технологии обработки почвы, основанной на соблюдении уровня техногенных нагрузок, обеспечивающих самовосстановление оптимального состояния почвы на склонах.
Актуальность проблемы. Нерациональное использование богатейших природных ресурсов России приводит к необходимости завоза из-за рубежа более 60% продовольственной продукции. С целью обеспечения продовольственной безопасности страны необходимо производить на местах не менее 80-85% продуктов питания. Это в первую очередь требует сохранения и повышения плодородия почв не только равнинных территорий, но и склонов, на долю которых в России приходится более половины пашни.
8 Так как почвы склонов характеризуются пониженным плодородием и
неблагоприятными агроэкологическими условиями для выращивания
сельскохозяйственных культур, добиться повышения урожая возможно
только при внедрении новых научно-обоснованных механизированных
технологий обработки почвы.
Эффективность применения почвозащитных технологий зависит от того, насколько каждая из них будет соответствовать местным условиям. Так как основной технологической операцией возделывания сельскохозяйственных культур, влияющей на баланс органического вещества и гумуса, устойчивость к эрозии, создание и сохранение в почве благоприятных для возделываемых культур режимов, нормальных фитосанитарных условий, является обработка почвы, этой технологической операции мы уделяем в работе основное внимание.
Предлагаемые производству почвозащитные технологии возделывания сельскохозяйственных культур не могут быть реализованы без соответствующих технических средств.
Сельскохозяйственные машины и орудия равнинного земледелия в абсолютном большинстве не обеспечивают качественного выполнения технологических операций на склонах, а многократное прохождение их по полю при выращивании сельскохозяйственных культур, включая уборочно-траспортный комплекс, приводит к переуплотнению почвы и резкому усилению эрозионных процессов.
Проблема обеспечения потребителей системой машин для осуществления почвозащитных технологий на эрозионно-опасных агроландшафтах может быть решена использованием существующих сельскохозяйственных машин общего назначения в определенном режиме работы, оптимизацией параметров и режимов работы их рабочих органов, оснащением машин эффективными стабилизирующими устройствами, созданием унифицированных блочно-модульных и трансадаптивных комбинированных почвообрабатывающих и уборочных машин.
Исследования, составившие основу научной работы, выполнены во
ВНИИЗиЗПЭ (1976-1989гг) и Курской ГСХА (1989-2005гг) по хоздоговорной тематике с ВИСХОМ и ПО «Одессапочвомаш» по тематическим планам НИР в соответствии с программами ГКНТ СССР и ведомственными программами 0.51.03.08.Н9 номер государственной регистрации 76003313, О.СХ. 109.04.04 номера государственной регистрации 0182.2037769 и по темам 01.9.20.006402 и 01.9.7000668 по внедрению прогрессивных технологий в Курской области. Результаты исследований включены в систему земледелия Курской области, комплексную программу развития производства и переработки сахарной свеклы и зерновых культур в Курской области, комплексную программу социально-экономического развития Курской области на 2002-2005 гг.
Научная проблема. Обоснование механизированной технологии обработки почвы на склонах, обеспечивающей полное предотвращение стока и смыва, повышение плодородия почвы и урожайности всех сельскохозяйственных культур.
Цель и задачи исследований. Научно обосновать эффективные механизированные технологии обработки почвы в условиях склонового земледелия Центрального Черноземья, обеспечивающие сохранение и повышение плодородия, урожайности и качества продукции при минимальных затратах труда.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
Сформулировать и реализовать основные положения экологически оправданной механизированной технологии почвообработки в условиях склонового земледелия.
Выявить важнейшие механико-технологические факторы, влияющие на качество выполнения технологических операций при работе МТА на склонах.
Изучить и обосновать параметры и режимы работы рабочих органов комбинированных почвообрабатывающих агрегатов применительно к требованиям почвозащитных технологий.
4. Оценить, обосновать и реализовать предложение по обеспечению
устойчивого движения широкозахватных шарнирно-сочлененных агрегатов на склонах.
5. Разработать и экспериментально проверить конструкции рабочих
органов, приемов и средств стабилизации прямолинейного движения
агрегата для ухода за посевами пропашных культур с целью повышения
качества их работы на склонах.
Объекты исследований. Почвозащитные механизированные технологии обработки почвы на склонах, колесные и гусеничные тракторы, почвообрабатывающая техника.
Предмет исследований. Установление закономерностей при работе машин и механизмов в условиях склонового земледелия и их влияние на сток, смыв и урожайность сельскохозяйственных культур.
Научная новизна. Разработана общая модель экологически безопасной почвозащитной технологии обработки почвы, как сложной системы, рассчитаны математические модели ее подсистем в виде взаимосвязанных компонентов, а также математические модели технических элементов отдельных машин.
Обоснованы предложения по обеспечению устойчивого движения рабочих органов широкозахватных шарнирно-сочлененных почвообрабатывающих агрегатов.
Выявлены особенности изменения агрофизических характеристик почвы на склонах под воздействием ходовых систем тракторов.
Получены экспериментальные показатели и установлены теоретические зависимости влияния склона на устойчивость движения МТА, устойчивость хода их движителей и рабочих органов.
Обоснована необходимость разработки ресурсосберегающих почвозащитных технологий и совершенствования технических средств для склонового земледелия.
Определены закономерности изменения качественных и динамических
показателей работы сельскохозяйственных машин для возделывания пропашных и зерновых культур при подготовке почвы и уходе за посевами на территориях со сложным рельефом.
Предложены способы и устройства для стабилизации движения сельскохозяйственных агрегатов на склонах, защищенные авторскими свидетельствами №812199, 1060127, 1355152.
Положения выносимые на защиту. В результате исследований разработаны и выносятся на защиту следующие основные положения:
1. Разработанная нами энерго-влагосберегающая система обработки
почвы представляет собой агроэкологически обоснованную совокупность
взаимосвязанных почвозащитных приемов и средств возделывания
пропашных и зерновых культур на эрозионно-опасной территории
Центрального Черноземья.
Основой качества выполнения технологических операций в условиях склонового земледелия являются научно обоснованные механизированные технологии.
Высокое качество работы широкозахватных шарнирно-сочлененных почвообрабатывающих агрегатов на склонах достигается за счет стабилизации глубины хода рабочих органов.
Прямолинейность движения и качество работы МТА на склонах любой крутизны обеспечивается стабилизирующими устройствами.
Устойчивость движения МТА определяется влиянием склона и субъективных факторов водителя.
Влияние уплотняющего воздействия ходовых систем МТА на склонах определяется оценкой агрофизических характеристик почвы.
Практическая значимость исследований. В результате выполненной работы в четырех областях внедрены почвозащитные механизированные технологии возделывания зерновых культур и сахарной свеклы, обоснованы технические решения, изготовлены и испытаны машины для выполнения предложенных технологий.
12 По данным производственной проверки, применение почвозащитных
технологий сокращает сток талых вод на 18-23%, уменьшает смыв почвы в 2-4
раза и повышает урожайность зерновых на 25-32%, сахарной свеклы - 19-23%).
Применение почвообрабатывающих комбинированных агрегатов и машин с динамически уравновешенными шарнирно-сочлененными рамами позволило уменьшить затраты труда на 23%), расход ГСМ на 27%, а улучшение агротехнических показателей способствовало увеличению урожайности на 11-21%).
Запатентованный противоэрозионный способ обработки почвы и устройство для его осуществления позволили проводить уход за посевами пропашных культур на склонах до 7.
Расчеты показывают, что применение методики разработки почвозащитных технологий позволяет сформировать технологии, применение которых сокращают затраты материальных средств на 23-27%).
Реализация результатов исследований. По разработанным технологиям были изданы:
- почвозащитные системы обработки почвы и индустриальные
технологии возделывания сельскохозяйственных культур, одобренные и
рекомендованные к внедрению ВАСХНИЛ и изданные массовым тиражом;
рекомендации по эффективному использованию технических средств для почвозащитных технологий в зонах проявления эрозий почв, одобренные ВАСХНИЛ и утвержденные министерством тракторного и сельскохозяйственного машиностроения;
методика полевых испытаний машин и орудий для защиты почв от эрозии, одобренная и рекомендованная к внедрению МСХ СССР;
рекомендации режимов работы и схем движения МТА на неровном рельефе;
личное участие автора в разработке агротехнических требований и конструктивно-технологических схем, в проведении лабораторно-полевых исследований и приемочных испытаний комбинированных почвообраба-
13 тывающих агрегатов АПК-2,7 и АПК-5, освоенных в производстве в ПО
«Одессапочвомаш» (СССР) и агрегатов АПК-3 и АПК-6, изготавливаемых
ЗАО «Курский станкостроительный завод» (РФ);
рекомендации Государственного агропромышленного комитета СССР по особенностям почвозащитных технологий возделывания зерновых культур на склоновых землях;
рекомендации Государственного агропромышленного комитета СССР по применению чизельной обработки почвы;
результаты исследований включены в систему земледелия Курской области, комплексную программу социально-экономического развития Курской области на 2002-2005гг. и внедрены в хозяйствах Курской, Московской, Воронежской и Орловской областей.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на научных конференциях Красноярского сельскохозяйственного института (Красноярск, 1974-1976гг.), ХИМЭСХ (Харьков, 1977-1979гг.), Курской ГСХА (Курск, 1989-2005гг.); международной научно-производственной конференции (Белгород, 1997, 2001гг.); заседаниях научно-технических советов ЦНИПТИМЭЖ(Запорожье, 1978г), ВО УНИИМЭСХ (Харьков, 1978г), МСХ РСФСР(Мсква 1980, 1982, 1985гг.), НПО ФКТИ кормаш (Бишкек, 1991г), на ученых советах ВНИИЗиЗПЭ (Курск, 1977-1989гг.).
Личный вклад автора. Лично автором разработана гипотеза, программа и методика исследований, проведены полевые эксперименты, предложены конструктивные изменения технических средств. Все это позволило решить важную народнохозяйственную проблему: разработать экологически обоснованную ресурсо-влагосберегающую технологию обработки почвы при производстве сахарной свеклы и зерновых культур, усовершенствовать технические средства, позволяющие возделывать их с почвозащитным эффектом в условиях склонового земледелия.
Публикации. По материалам диссертации автором опубликовано 50 научных работ общим объемом 69,3 печатных листа, в том числе 2
14 монографии (25,1 п.л.), учебно-методические работы, получено 4 патента на
изобретения.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из
введения, 5 глав, общих выводов, предложений производству, списка
литературы и приложения. Она изложена на 400 страницах компьютерного
текста, включает 91 таблицу и 131 рисунок. Список литературы включает 341
наименование.
Механизированные технологии обработки почвы
Одним из основных элементов в системе земледелия является система обработки почвы, от которой зависит не только уровень урожаев выращиваемых культур, но и степень проявления процессов эрозии и будущего плодородия почв. Поэтому способам обработки почвы издавна уделялось серьезное внимание учеными и тружениками села. Оно не ослабевает и в настоящее время.
При описании процессов эрозии отмечалось, что любая обработка способствует разрушению почвы. Однако полный отказ от обработки почвы на данном этапе развития сельского хозяйства немыслим. Это означало бы отход от применения эродируемых почв в сельском хозяйстве и сокращение сельскохозяйственной продукции. Полное прекращение процессов эрозии почвы и одновременное повышение продуктивности земли — это трудная противоречивая задача. Выход из противоречия один: необходимо найти такие способы сельскохозяйственного производства, при которых постоянно росла бы урожайность, а процессы разрушения почвы были бы сведены до минимума. Исследованиями доказано, что интенсивность эрозии почвы зависит от способов, качества и количества обработок. Сокращая количество и подбирая наиболее рациональные способы обработки почвы, можно добиться оптимального сокращения процессов эрозии, при которых урожайность выращиваемых сельскохозяйственных культур не уменьшилась.
Наиболее сильной стороной механической обработки является универсальность ее действия не только на почву, но и на растения и всю окружающую их среду. Эта универсальность и степень воздействия обработки на рост эффективного плодородия почвы, создание благоприятных условий для лучшего развития посевов и защиту их от губительного влияния отрицательных факторов: сорняков, болезней, вредителей, эрозии - в ходе многовековой истории земледелия нарастали. В настоящее время в условиях резкой интенсификации земледелия, широкого применения удобрений, химических средств защиты посевов, обработка почвы продолжает оставаться фундаментальной основой земледелия, хотя не только орудия, но и многие приемы работы и последовательность их выполнения стали другими [25,26]. В настоящее время в сельскохозяйственной практике применяют следующие, принципиально разные, способы основной обработки почвы: отвальный, безотвальный и поверхностный.
Использование, того или иного способа обработки обусловлено поставленными задачами, климатическими условиями, рельефом местности, типом почвы, степенью ее активности и деградации, требованиями возделываемых культур и т.д. Наиболее древним приемом обработки почвы является отвальная или как ее еще часто называют - плужная. Б. Р. Вильяме - основоположник научного обоснования пахоты, как способа обработки почвы считал, что в верхнем слое пахотного горизонта происходит разрушение структуры почвы под влиянием обработки, уплотнения ходовыми системами агрегатов, осадков, солнечной радиации, разложения органических веществ, внесения удобрений и т.д. К тому же верхний слой содержит семена сорняков, возбудителей болезней и вредителей растений. Нижние слои почвы защищены от воздействия атмосферных осадков, разрушительного воздействия ходовых систем агрегатов; здесь менее активны биологические процессы. Вспашка предусматривает периодическую смену слоев почвы обрабатываемом горизонте, тем самым давая возможность почве верхнего горизонта восстанавливать свои положительные свойства [27]. В равнинных условиях весенняя обработка почв довольно проста. Имеется большое количество исследований по этому вопросу. Однако применение способов весенней обработки почвы, выработанных для равнин, в условиях эродированных почв холмистого рельефа не всегда приводит к хорошим результатам. Отдельные элементы склона просыхают неодновременно. Как правило, раньше просыхают южные склоны и вершины холмов. В то время как почва на этих элементах склона уже «зрелая» и ее можно обрабатывать, у подножий, как правило, еще сырая. Когда у подножий почва созревает, на верхних частях склона она уже пересохла и с трудом поддается обработке. Семена, высеянные в пересохшую почву, плохо всходят. В более сухую весну они вообще не всходят, или всходы появляются редкие и с большим опозданием. По этому на верхних частях склонов посевы бывают редкие и неровные. Это заставляет искать своеобразные для холмистых местностей пригодные методы и сроки весенней обработки почвы. Они должны вести к равномерному просыханию почвы на всех элементах склона, дружному появлению всходов, одновременному созреванию, максимальному урожаю и к минимальному проявлению процессов почвенной эрозии.
Условия проведения исследований
Курская область относится к Средне-Русской провинции лесостепной зоны, для которой характерны два типа почв: черноземы и серые лесные почвы [203,204,205]. Почвы почти повсеместно сформировались на лессовидных отложениях, суглинистых по механическому составу и богатых основными элементами питания. Физические и химические свойства лессовидных пород способствуют формированию на них плодородных почв. На пашне черноземы занимают 1460 тыс.га, или 74%, серые лесные почвы -482 тыс.га, или 24,5%. По механическому составу преобладают тяжелосуглинистые и глинистые почвы - 64,6%, суглинистые - 25,8%, легкосуглинистые и супесчаные - 8,6%. Количество гумуса в пахотном слое в зависимости от степени эродированости колеблется в широких пределах: на черноземах - от 6,7 до 2,9%, а на серых лесных почвах - от 3,1 до 1,1% [206]. Рельеф территории определяет структуру сельскохозяйственных угодий области. Земельный фонд Курской области составляет 2,999 млн.га [207,208]. Более 75,4% земель используется под сельскохозяйственные угодья. Ведущее место в структуре сельхозугодий занимает пашня, составляющая 1,9 млн.га, или свыше 62%» площади сельскохозяйственных угодий. Наименьшие площади пашни имеют центральные районы области, где она составляет 55-65% от площади сельхозугодий (рис.2.1).
Формирование типов почв связано с различными местными природными условиями (рис.2.2). Свыше 61% территории области занято черноземами, которые преобладают в юго-восточной части. В Курской области распространены черноземы следующих подтипов: типичные, слабовыщелоченные, выщелоченные, оподзоленные. Содержание гумуса в них колеблется от 6-8%) в типичных и слабовыщелоченных до 4-6%) в выщелоченных и оподзоленных.
По комплексу природных факторов (рельеф, климат, почвенных покров) на территории области выделено дваагропочвенных района (рис.2.3). Первый район является частью Верхнеокского района северной лесостепи. В этом агропочвенной районе на долю серых лесных почв приходится 43,3 % и черноземов выщелоченных и оподзоленных - 41%.слой черноземных почв приобрел некоторые неблагоприятные признаки: значительное распыление зернистой структуры, наличие так называемой "плужной подошвы". Значительное ухудшение свойств черноземных почв обусловлено резким снижением содержания гумуса при их использовании. По данным Государственного Центрально-Черноземного заповедника им. В.В. Алехина [203]целинные участки содержат 576 т/га гумуса, а после их распашки, через 8 лет это содержание уменьшилось до 492, через 30 лет - до 475 и через 69 лет - до 389 т/га, т.е. на 32,5%. Серые лесные почвы по своим физическим и химическим свойствам и уровню плодородия значительно отличаются от черноземов. Пахотный слой их имеет распыленную структуру, при увлажнении они быстро заплывают с образованием при высыхании плотной корки на поверхности. Период физической спелости у них значительно короче, чем у черноземов, что создает дополнительные организационные трудности при их обработке. Серые лесные почвы содержат в 2-3 раза меньше гумуса, чем черноземы, а общий запас его в метровом слое почвы почти в 5 раз (33-117 т на гектар), гумусовый горизонт укорочен и составляет всего 20-35 см. Серые лесные почвы бедны азотом, поэтому здесь особенно эффективно внесение навоза.
С увеличением содержания гумуса в почве улучшаются не только ее физико-механические и химические свойства, но и все почвенные режимы: пищевой, водный, воздушный. Результаты исследований [205] свидетельствуют о том, что с повышением содержания гумуса в почве уменьшается ее плотность и повышается устойчивость к различным деформациям. При содержании гумуса в почве 3,7% и более равновесная плотность почвы устанавливается на оптимальной для культурный растений величине. Такие почвы даже после принудительного уплотнения способны под действием естественных факторов (увлажнение, замораживание, высушивание) к разуплотнению и не требуют рыхления с целью регулирования физических свойств. Почвы с содержанием гумуса менее 3,7% после принудительного уплотнения не восстанавливают исходной плотности. На таких почвах необходима механическая обработка как средство регулирования физико-механических свойств.
Незначительное содержание гумуса и, как следствие, плохие водно-физические свойства серых лесных почв обусловливают большую подверженность этих почв процессам эрозии. На территории Курской области под оврагами и балками занято 300 тыс.га, что составляет 1/10 территории. Более 4,5% этих земель не пригодны для использования в земледелии. Густота овражной сети Курской области различна по территории. Наибольшей овражностью отличаются восточные районы. Северная и южная часть области - это районы средней овражности. Слабо овражными являются центральные и юго-западные районы. Наличие возвышенных участков распаханных земель с крутизной склона более 3 является причиной развития эрозионных процессов на территории области [210]. В настоящее время в Курской области площадь эродированной пашни составляет более 500 тыс.га, в том числе 200 тыс.га - сильно и среднесмытой. Водная эрозия почв вызывается стоком талых и ливневых вод в условиях нерационального хозяйственного использования склоновых земель. На территории области сток талых вод по годам колеблется в значительных пределах. В годы с влажной осенью и сильными зимними оттепелями при снегозапасах выше нормы он бывает наибольшим, в годы с засушливой осенью и устойчивой зимой без существенных оттепелей сток может полностью отсутствовать на зяби, а на уплотненной пашне (озимые, многолетние травы) составлять небольшую величину. Средний слой стока на серых лесных почвах (1-й агропочвенный район) на зяби колеблется от 30 до 40 мм, на уплотненной пашне - от 60 до 70 мм, а на черноземах (2-й агропочвенный район) - соответственно от 25 до 35 мм на зяби и от 55 до 65 мм - на уплотненной пашне. Величины стока 10%-ной обеспеченности могут достигать на серых лесных почвах с зяби 105-110 мм, с уплотненной пашни - 150-160 мм; на черноземах - с зяби 85-90 мм, с уплотненной пашни - 140-145 мм. Большая пространственная вариация весеннего стока связана с различными условиями его формирования.
Агроэкологическое обоснование почвозащитных технологий
Одним из основных условий повышения эффективности земледелия является более полное использование биоклиматического потенциала в каждом хозяйстве. Это осуществляется посредством научно обоснованной, интенсивной, ресурсосберегающей, природоохранной системы земледелия, под которой понимается комплекс взаимосвязанных приемов и методов воздействия на почву и окружающую среду, обеспечивающих максимальное использование солнечной энергии. Она строится с учетом принципов организации всеобщих взаимодействий в биосфере по следующей схеме: система земледелия для земельного участка — для конкретного хозяйства — для района — для области — края — зоны. Основными принципами их разработки являются следующие: — использование полной информации по биоклиматическому потенциалу, детальной характеристике рельефа и почвенного покрова с учетом оптимального соотношения природных ландшафтов и агроценозов (целина, пашня, пастбище, сенокос, лес) и социально-экономическим факторам; — обеспечение условий для расширенного воспроизводства плодородия почв на пашне и других угодьях на основе организации оптимальных уровней содержания органического вещества и элементов питания в почве, как источника жизнедеятельности микроорганизмов главных производителей углекислоты и минеральных элементов; — использование мелиоративных мероприятий по регулированию состава, свойств почвы, водновоздушного режима; — обязательное включение природоохранных мер, предусматривающих рациональную организацию территории, исключающую выдувание, смыв и разрушение почвенного покрова, возможность поддержания поверхности почвы под постоянной защитой вегетирующих растений или растительных 109 остатков, рациональное использование химических средств и другие. Для реализации основных принципов при разработке систем земледелия для каждого уровня необходимо: — всесторонне учитывать местные почвенно-климатические условия, возможную (потенциальную и фактическую) подверженность почв эрозии и дефляции, наличие трудовых и энергетических ресурсов и охрану ландшафта; — предусматривать пути и средства сохранения и повышения плодородия почвы, регулирование стока талых и ливневых вод, не допускать на длительное время почвы, не занятой растениями или не защищенной растительными остатками; — учитывать разработку комплексов противоэрозионных и технологических мер не только для пашни, но и для других сельскохозяйственных угодий; — проектировать системы севооборотов с учетом природных условий и экономической эффективности возделывания сельскохозяйственных культур и их почвозащитной способности; — разрабатывать систему удобрений на основе балансовых методов расчета, обеспечивающих получение плановых урожаев, воспроизводство почвенного плодородия и охрану окружающей среды; — обеспечивать комплексность и взаимосвязь всех ее элементов; — включать конкретные рекомендации по применению энергосберегающих индустриальных технологий возделывания сельскохозяйственных культур; — иметь технологические и организационно-экономические мероприятия с учетом современного состояния и перспектив развития сельскохозяйственного производства. Внедрение систем земледелия с учетом изложенных принципов и требований позволит получить программированные урожаи сельскохозяйственных культур, величина которых будет ограничена только действием метеорологических условий. Анализ современного состояния земледелия в Курской области пока 110 зывает, что обострившиеся в последнее время экономические и экологические проблемы требуют значительных изменений в применяемых технологиях в сторону их биологизации и ресурсосбережения при обеспечении рентабельности сельскохозяйственного производства.
Современное земледелие во всем мире развивается в этом направлении. Однако мотивация такого развития в странах Запада и в России различны. Если в высокоразвитых странах, достигших высокого уровня продуктивности сельскохозяйственного производства за счет внесения высоких доз минеральных удобрений и пестицидов - основной задачей является получение экологически чистой продукции и снижение негативного влияния технологии выращивания сельскохозяйственных культур на получаемую продукцию и окружающую среду, то в нашей стране этой причиной является резко обострившиеся экологические проблемы, т.е. невозможность для большинства хозяйств купить в достаточном количестве удобрения, пестициды, технику и ГСМ для возделывания сельскохозяйственных культур. Это вынуждает земледельцев использовать технологии, исключающие применение дорогостоящих минеральных удобрений, а так же химических средств защиты растений, основанные на севооборотах с высоким насыщением многолетними бобовыми травами, широком использовании сидеральных и бактериальных удобрений, соломы в качестве удобрения, биологических регуляторов роста растений.
Важным резервом увеличения продукции растениеводства, улучшения ее качества является дальнейшее совершенствование почвозащитных технологий при различных севооборотах. Основными направлениями совершенствования структуры использования пашни являются: - улучшение состава предшественников ведущих культур - озимой пшеницы и сахарной свеклы; - расширение посевов более продуктивных зерновых и кормовых культур; Ill - более строгий учет почвенно-климатических особенностей отдельных зон и районов, качества земель и специализации отдельных хозяйств; - создание условий для резкого повышения общего уровня культуры земледелия с целью ускоренного освоения почвозащитных экологически безопасных ресурсосберегающих технологий возделывания основных сельскохозяйственных культур.
Взаимосвязь основных элементов почвозащитного земледелия: стока, смыва и урожайности сельскохозяйственных культур
Технологии возделывания культур - сложные системы, включающие целые комплексы агротехнических, биологических, химических и других средств. На первом этапе решается задача разработки возможных для местных почвенно-климатических условий вариантов технологий на основании достижений аграрных наук с последующей детальной оценкой их в полевых стационарах многофакторных опытах [260].
При разработке схемы опыта в каждом блоке исходили из специфики решаемых в нем задач, необходимости охвата всей области факторного пространства, особенностей исследуемого процесса, возможности формализованного отражения взаимосвязей основных элементов системы земледелия. Так, в состав схемы первого блока включены факторы, последовательные комбинации которых создают условия существенного сокращения стока талой воды (на 43%) и смыва почвы в период снеготаяния (на 77%). Исследуемые севообороты - зернопаропропашной (чистый пар - озимая пшеница - сахарная свекла - ячмень) и зернотравяной (мн.травы - мн.травы -озимая пшеница - ячмень + мн.травы) имеют коэффициент эрозионной опасности равный 0,66 и 0,25 соответственно и размещаются как по всей длине склона крутизной 1-5, так и по отдельным его элементам. Основная обработка почвы представлена вспашкой и плоскорезным рыхлением. Роль этих факторов в изменении стока воды, смыва почвы и урожайности выявляется в сочетании с органоминеральными удобрениями, лесными полосами на склоне с-с-з и ю-ю-в экспозиции. Для полученных данных о взаимосвязях между севооборотами, обработкой почвы и экспозицией склона, севооборотами, лесными полосами и экспозицией склона, удобрениями, лесополосами и экспозицией склона, удобрениями и обработкой почвы, обработкой почвы и лесополосами, размещением культур, обработкой почвы и экспозицией склона по выходным показателям опыта разработана соответствующая его схема. На основании этой схемы, которая содержит полнофакторные сочетания 2-4-х элементов, представляется возможность получать сведения о взаимосвязях основных элементов, определять долю вклада исследуемых факторов в получаемые показатели по стоку воды, смыву почвы и урожайности. При формировании схемы второго блока, наряду с размещением задач регулирования плодородия почвы, предусмотрены такие комбинации факторов, которые позволили создавать разные уровни в планируемой урожайности.
Поля севооборотов второго блока размещены на водоразделе и склонах крутизной от 2 до 5 градусов. Сочетание вариантов схемы второго блока позволяет вычленять взаимосвязи между включенными в опыт факторами. В результате соответствующей обработки данных получили уравнения, решение которых позволило выбрать оптимальные варианты системы земледелия. Размещение блоков и полей многофакторного опыта на экспериментальном полигоне ВНИИЗ и ЗПЭ производилось после предварительных уравнительных посевов, дробных учетов урожая, характеристики почвенного покрова участка и определения пестроты плодородия почвы по содержанию микро- и макроэлементов. Установлено соотношение локального и случайного компонентов в общем варьировании. По результатам условных и микроделяночных опытов выбрано наиболее приемлемое размещение блоков, полей и делянок (рис.П.7.) Схема многофакторного комплекса на экспериментальном полигоне, сформированная в соответствии с требованиями системного анализа, задачами физического и логико-математического моделирования и положениями теории рационального планирования эксперимента, дала возможность получить информацию, обеспечивающую переход от описательного характера систем земледелия к нормативно-технологическому на единой методологической основе.
Обработка данных методами дисперсионного и регрессионного анализов показала определенную взаимосвязь между факторами, включенными в опыт со стоком и смывом. В 1984-1985 гг. сток воды был незначительной величины, а смыв почвы отсутствовал. Формирование стока в условиях этого года, по всем приведенным функциям, зависело от экспозиции склона (64, 48 , 45, 94%), обработки почвы (34,81%) лесополос (98%), а также от совокупности факторов - обработки почвы и размещения культур (77%), лесополос и экспозиции склона (71%). В 1985-1988 гг. погодные условия отличались от условий 1984-1985 гг. тем, что была меньше высота снега, значительно увеличилась глубина промерзания почвы, на 1,5-2 ниже температура воздуха зимой. Такие погодные условия обусловили, по сравнению с предыдущим годом, более высокий сток воды и смыв почвы. Одним из главных факторов, влияющих на сток, является экспозиция склона, где доля варьирования составляет от 43,4 до 72.2%; вторым фактором - обработка почвы (от 32,2 до 81,6%). Формирование стока от взаимодействия факторов отмечено лишь при сочетании обработки почвы и ярусного размещения севооборотов (31,45%); обработки почвы и экспозиции (46,9%). На смыв почвы оказали существенное влияние севооборот, экспозиция, лесополосы, обработка почвы (39,4; 60,7; 91,7 и 54,9%), а также взаимодействие факторов: удобрение - лесополосы (14,3%), удобрение и экспозиция (19,8%). Метеорологические условия 1986-1987 гг. значительно отличались от предыдущего года и были более идентичны условиям 1984-1985 гг. Отмечен значительный сток талых вод и почти отсутствовал смыв почвы. Это связано с тем, что высота снега превышала 35 см, а промерзание почвы достигало 120 см. В течении зимы дни с оттепелями отсутствовали. В таких условиях на сток талых вод оказали влияние такие факторы как севооборот, удобрения, обработка почвы, лесополосы (доля варьиро 186 вания факторов составляла от 63,1 до 99,3%»), на смыв почвы - лесополосы, севооборот, обработка почвы и экспозиция (от 28,7 до 99,8% ). Доля варьирования остальных факторов и их взаимосвязей в формировании эрозии ниже 10-15%. В условиях 1987-1988 гг. наблюдалось в осенне-зимне-весенний периоды резкое колебание температуры воздуха, что обусловили 43 оттепе-льных дня, значительный сток воды и смыв почвы.
