Введение к работе
Актуальность темы исследований. Основной причиной получения нестабильных урожаев полевых культур в Поволжье является дефицит влаги. Кроме того, в данном регионе больше половины пахотных земель размещены на склонах до 8о, в связи с чем на таких полях в период весеннего снеготаяния и выпадения ливневых осадков имеет место поверхностный сток воды, вызывающий эрозионные процессы.
В настоящее время производство растениеводческой продукции на склоновых землях базируется на использовании традиционных технологий и технических средств. Сельхозорудия, применяемые в склоновых агроландшафтах, практически не отличаются от технических средств, которые работают на равнинных полях.
В связи с этим полученный при обработке почвы пахотный слой не создает необходимые условия для регулирования поверхностного стока воды и процесса эрозии на склонах вследствие недостаточной порозности и низкой водопроницаемости верхнего, обработанного слоя почвы и его сопротивляемости размыву. Эта проблема является нерешенной для регионов, где имеют место глубокое промерзание почвы и зимние оттепели, снижающие почвозащитную эффективность безотвального рыхления, щелевания зяби, создания водоемкого микрорельефа. Образовавшаяся в таких условиях на пашне обледененная поверхность увеличивает потери талых вод на сток и вызывает ускоренную эрозию почв.
Таким образом, возникает противоречие между требованиями, предъявляемыми к противоэрозионной обработке почвы, и традиционными почвозащитными способами и техническими средствами, не обеспечивающими надежную защиту почв от эрозии.
Поэтому работа, посвященная повышению качества противоэрозионной обработки почвы на склоновых землях, направленная на сохранение плодородия и повышение влагонакопления путем совершенствования технологического процесса основной обработки почвы и технических средств, оказывающих влияние на регулирование поверхностного стока воды за счет создания из пожнивных остатков гребне-стерневых кулис с высокой водопоглощающей способностью, является актуальной и имеет важное хозяйственное значение.
Степень разработанности темы. В настоящее время для защиты склоновых земель от эрозии разработаны различные агротехнические мероприятия, направленные на сохранение плодородия: вспашка с почвоуглублением, образование водоемкого микрорельефа, оставление на поверхности поля стерни и т.д. Однако в регионах, где имеют место частые зимние оттепели и глубокое промерзание почвы, эти известные способы не отвечают агротехническим требованиям вследствие низкой водопроницаемости верхнего, переувлажненного слоя почвы и в связи с этим образования на мерзлой поверхности пашни стока воды, вызывающего эрозию и потерю влаги.
Поэтому проблема сохранения плодородия почв и повышения их увлажненности на склоновых землях требует дальнейших теоретических исследований и создания новых технологических и конструкторских разработок.
Исследования, изложенные в работе, выполнены в ГНУ НИИСХ Юго-Востока Россельхозакадемии согласно государственным научно-техническим программам фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2006–2010 гг., задание 09.01.02 «Разработать высокопроизводительную технику нового поколения для приоритетных групп продукции растениеводства» (ГР № 15070.7721022959.06.8.002.3/016), соответствует плану НИР ГНУ НИИСХ Юго-Востока на 2011–2015 гг. «Разработать адаптированные к склоновым агроландшафтам модернизированные способы обработки и ресурсосберегающие технологии, обеспечивающие защиту почв от эрозии, экологическую безопасность и повышенную продуктивность зерновых культур», а также по Гранту РФФИ 08-05-13527-офи_ц на 2008–2009 гг. «Разработка ресурсосберегающей технологии и создание опытного образца орудия для защиты почв и повышения эффективного плодородия гребневыми кулисами в агроландшафтах Поволжья» и по договору с ассоциацией «Аграрное образование и наука» г. Саратов, 2011–2012 гг. по теме «Разработка конструкции и изготовление макетного образца почвовлагосберегающего орудия для компенсационной обработки склоновых земель».
Цель работы – повышение качества противоэрозионной обработки почвы на склоновых землях совершенствованием технологического процесса и технических средств основной обработки, снижающих эрозионные процессы.
Задачи исследований:
-
Разработать эффективный способ основной обработки почвы, обеспечивающий сокращение эрозионных процессов и накопление атмосферных осадков при возделывании полевых культур на склоновых землях.
-
Теоретическими исследованиями обосновать процесс формирования гребне-стерневых кулис и их инфильтрационные свойства на склоновых землях, а также конструктивно-технологические параметры технических средств для их создания.
-
Разработать новые конструктивно-технологические схемы и изготовить почвообрабатывающие орудия, повышающие почвозащитную направленность основной обработки почвы в эрозионно-опасных условиях.
-
Провести лабораторные и лабораторно-полевые исследования предлагаемого способа противоэрозионной обработки почвы и технических средств для его выполнения, определить агротехнические, энергетические, эксплуатационно-технологические показатели.
-
Провести производственную проверку предлагаемого способа противоэрозионной обработки почвы и разработанных технических средств, определить агроэкологические показатели и дать технико-экономическую оценку эффективности их применения.
Объект исследований – технологический процесс основной обработки почвы, обеспечивающий снижение водной эрозии, сохранение плодородия и повышение урожайности полевых культур на склоновых землях, осуществляемый новыми способами и техническими средствами.
Предмет исследований – показатели качества основной противоэрозионной обработки почвы, физико-механические и технологические свойства создаваемых при основной обработке гребне-стерневых кулис, конструктивные и технологические параметры почвообрабатывающих орудий и их энергооценка.
Научная проблема. При возделывании полевых культур на склоновых землях, с одной стороны, необходимо проводить обработку почвы, но с другой стороны, полученный при обработке традиционными способами пахотный слой в результате недостаточной защищенности и низкой порозности в большей степени подвергается эрозии за счет образования поверхностного стока воды, вызывающего смыв почвы. Поэтому объективно существует научная проблема сохранения плодородия почвы и снижения потерь влаги путем создания на поверхности склона при основной обработке почвы противоэрозионного микрорельефа в виде чередующихся гребне-стерневых кулис с высокой водопоглощающей способностью, разделяющих склон на множество элементарных замкнутых участков, позволяющих предотвратить появление лавинообразного стока воды и эрозии.
Научную новизну работы представляют:
новый способ, обеспечивающий совершенствование технологического процесса основной противоэрозионной обработки почвы на склоновых землях за счет снижения поверхностного стока воды и эрозии почвы;
теоретические зависимости, позволяющие проанализировать процесс формирования гребне-стерневых кулис с учетом величины поперечного уклона поля, аналитические выражения для определения тягового сопротивления разработанных почвообрабатывающих орудий, оснащенных противоэрозионными приспособлениями;
математическая модель процесса инфильтрации воды, оценивающая фильтрационные свойства обработанной почвы и создаваемых гребне-стерневых кулис;
конструктивно-технологические схемы и конструкции новых почвообрабатывающих орудий ПГО-1,75 для выполнения отвальной, ОПС-3,5 – безотвальной и ОП-3С – мелкой гребнекулисной обработки в эрозионно-опасных условиях;
конструктивные и технологические параметры технических средств для основной обработки почвы на склоновых землях и агроэкологическая оценка разработанного противоэрозионного способа.
Новизна разработанного способа противоэрозионной обработки и технических средств для его реализации подтверждена четырьмя патентами РФ на изобретения (№ 2294070, № 2310297, № 2318303, № 2443093).
Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты исследований явились основой для разработки противоэрозионного способа отвальной, безотвальной и мелкой гребнекулисной обработки почвы, а также почвообрабатывающих орудий для его выполнения.
Опытные образцы противоэрозионных орудий ПГО-1,75 для отвальной, ОПС-3,5 безотвальной и ОП-3С, мелкой гребнекулисной обработки почвы прошли приемочные государственные испытания в Поволжской МИС (протоколы № 08-41-94 (106000052); № 08-42-94 (106000042); № 08-77-2009 (4020612)) и рекомендованы к внедрению в производство.
Разработаны и изданы методические рекомендации, приведенные в перечне публикаций по данной работе.
Новый способ основной обработки почвы в эрозионно-опасных условиях и технические средства для его выполнения апробированы и внедрены в ФГУП «Аркадакская СХОС», ИП КФХ «Зотов П.А.» Саратовской области и ОАО «Семеновское» Волгоградской области.
Созданы противоэрозионные приспособления для серийно выпускаемых комбинированных агрегатов АПК-3 и АПК-6, разработанных в ГНУ ВИМ Россельхозакадемии (г. Москва). Опытная партия этих агрегатов изготовлена в ОАО «Волгодизельаппарат» (г. Маркс, Саратовская область).
Методология и методы исследования. Теоретические исследования процесса инфильтрации воды в разных средах, обоснование оптимальных конструктивных параметров противоэрозионного приспособления и технологических параметров образованного на поверхности склона противоэрозионного микрорельефа, проводились на основе известных законов и методов механики, гидравлики и математического анализа с получением уравнений регрессии, разработкой математической модели и оценкой достоверности полученных результатов.
Экспериментальные исследования и производственная проверка выполнены методом сравнительных исследований, а также планирования многофакторного эксперимента при использовании стандартных и разработанных методик, приборов и установок с последующей обработкой полученных результатов на ЭВМ.
Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:
адаптированный к условиям среднего Поволжья новый противоэрозионный способ основной обработки почвы на склоновых землях;
математическая модель, описывающая процесс инфильтрации воды в неоднородной среде, позволяющая оценить фильтрационные свойства обрабатываемой почвы и создаваемых гребне-стерневых кулис с учетом изменения их порозности;
теоретическое обоснование конструктивных и технологических параметров новых технических средств для выполнения противоэрозионной обработки почвы на склоновых землях;
конструктивно-технологические схемы и конструкции новых почвообрабатывающих орудий для выполнения гребнекулисной обработки почвы в эрозионно-опасных условиях;
агротехнические, энергетические, эксплуатационно-технологические и технико-экономические показатели предлагаемых почвообрабатывающих орудий.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных данных подтверждается сходимостью теоретических исследований с результатами лабораторных и лабораторно-полевых экспериментов, а также полученными в лабораторно-полевых и производственных условиях агроэкологическими показателями сравниваемых способов и средств механизации для основной обработки почвы на склоновых землях.
Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на ежегодных научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ» (1993–1997 гг., 2004–2007 гг., 2011 г.); на научной сессии Россельхозакадемии (г. Саратов, 2000 г.); на Международной научно-практической конференции (пос. Шортанды, 2006 г.); на научно-практических конференциях ГНУ НИИСХ Юго-Востока (г. Саратов, 1995 г., 2004 г., 2009 г.); на научно-практической конференции ГНУ Самарский НИИСХ Россельхозакадемии (2007 г.); на научно-практической конференции (г. Москва, 2009 г.); на Международной научно-практической конференции ГНУ ВИМ Россельхозакадемии (г. Москва, 2010 г.); на научно-техническом совете минсельхоза Саратовской области (2009–2012 гг.); на расширенном заседании отдела механизации ГНУ НИИСХ Юго-Востока Россельхозакадемии (2013 г.).
Почвозащитная технология возделывания озимой пшеницы и орудия для противоэрозионной гребнекулисной обработки почвы на VI и VII Салонах изобретений, инноваций и инвестиций г. Саратов в 2011 и 2012 гг. отмечены дипломами I и II степени и медалями.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 52 научных работах общим объемом 46,2 п.л., из которых автору принадлежит 12,2 п.л., в том числе 15 работ в изданиях, рекомендованных ВАК при Минобрнауки РФ, получено 4 патента РФ на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 324 страницах, состоит из введения, 6 разделов, общих выводов, списка использованной литературы из 216 наименований и приложения. Диссертация включает 87 рисунков, 43 таблицы.
