Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1 Биологические особенности возделывания сахарной свеклы 9
1.2 Роль удобрений в развитии свекловичных растений 15
1.3 Способы внесения удобрешпі и их агроэкономическая эффективность ...20
1.4 Технические средства для внесения минеральных удобрений и тенденции их развития 25
1.5 Выводы по главе 1 и задачи исследования 34
2 Обоснование конструктивно-технологической схемы и параметров посевной секции сеялки технических культур с очаговым внесением минеральных удобрений 36
2.1 Изыскание конструктивно-технологической схемы посевной секции сеялки технических культур 36
2.1.1 Влияние способов локального внесения минеральных удобрений на урожайность сахарной свеклы 37
2.1.2 Конструктивно-технологическая схема посевной секции сеялки технических культур 39
2.2 Обоснование геометрических параметров ячейки диска для минеральных удобрений 42
2.2.1 Определение количества минеральных удобрений в очаге 42
2.2.2 Исследование процесса загрузки ячейки 43
2.2.3 Исследование процесса разгрузки ячейки 47
2.2.4 Определение линейных размеров ячейки 49
2.2.5 Обоснование диапазона регулирования объема ячейки 51
2.3 Обоснование количества ячеек на диске для внесения удобрений 54
2.4 Обоснование межосевого расстояния дисков посевной секции для семян и удобрений 56
2.5 Обоснование длины загрузочной щели бункера минеральных удобрений 60
2.6 Формирование очага удобрений на двух уровнях 61
2.7 Обоснование длины очага удобрений 64
3 Программа, методика и результаты экспериментальных исследований 66
3.1 Программа и оборудование, используемое при экспериментах 66
3.1 Методика исследования влияния окружной скорости диска на коэффициент заполнения ячейки минеральными удобрениями 61
3.2 Методика исследования распределения удобрений по глубине борозды и определения длины очага 71
3.3 Методика исследования влияния скорости агрегата на длину очага 74
3.5 Определение физико-механических свойств почвы (влажности, плотности) 75
3.6 Определение тягового сопротивления устройства для очагового внесения удобрений на двух уровнях 76
4 Параметры устройства для очагового внесения удобрений 82
4.1 Расчет максимальной и минимальной массы минеральных удобрений в очаге 82
4.2 Расчет основных геометрических параметров ячейки диска для внесения удобрений 83
4.4 Определение расстояния между смежными ячейками 88
4.5 Определение длины загрузочной щели бункера для минеральных удобрений 89
5 Технико-экономическая эффективность разрабатываемого способа внесения минеральных удобрений 91
Выводы 96
Список использованных источников 98
Приложения
- Биологические особенности возделывания сахарной свеклы
- Способы внесения удобрешпі и их агроэкономическая эффективность
- Влияние способов локального внесения минеральных удобрений на урожайность сахарной свеклы
- Методика исследования влияния окружной скорости диска на коэффициент заполнения ячейки минеральными удобрениями
Введение к работе
Сахарная свекла является одной из важнейших технических культур, площадь которой в ЦЧЗ в настоящее время составляет около 20%.
Урожайность корнеплодов сахарной свеклы без применения удобрений колеблется от 150 до 418 ц/га. Внесение оптимальных доз минеральных удобрений увеличивает ее в 1,4 - 2 раза, но за последние 15 лет объемы их внесения существенно сокращены.
В сложившихся условиях одним из путей повышения урожайности сахарной свеклы является изыскание эффективных способов внесения минеральных удобрений. Агрохимической наукой доказано, что ту же прибавку урожая, можно получить и половинной дозой рекомендованной для разбросного внесения удобрений, но при внутрипочвенном локальном их внесении одновременно с посевом. Локальное внесение удобрений на двух уровнях в сравнении с одноуровневым внесением обеспечивает наибольшую прибавку урожая. Объясняется это особенностью строения корневой системы сахарной свеклы, достигающей глубины два и более метра, что указывает на необходимость размещения минеральных удобрений не в виде ленты вблизи рядка семян, а в виде порций для каждого растения, ориентированных в направлении роста корня.
Технических средств, позволяющих обеспечить синхронную подачу семян сахарной свеклы и порций удобрений, расположенных в стороне от семени и в направлении роста корня, нет. Поэтому разработка способа и технических средств, позволяющих осуществлять формирование порций удобрений и внесение их в виде очагов, расположенных рядом с семенем, обеспечивая тем самым питание растений в течение всего периода вегетации, является важным направлением совершенствования технологии ее возделывания.
Целью работы является повышение эффективности использования минеральных удобрений при посеве сахарной свеклы.
Объект исследований - очаговое внесение минеральных удобрений при посеве сахарной свеклы.
Предмет исследовании - закономерности формирования порций твердых минеральных удобрений и ориентированного расположения их в почве относительно семян сахарной свеклы.
Методика исследований. Процесс формирования порций удобрений для каждого растения и размещения их в борозде на двух уровнях исследован аналитически. Оценка адекватности моделей размещения порций удобрений в почве и изменение коэффициента заполнения ячеек диска от окружной скорости выполнены экспериментально. Результаты опытов обрабатывали статистическими методами.
Научная новизна заключается в разработке:
- конструктивно-технологической схемы посевной секции сеялки технических культур, обеспечивающей синхронную подачу семян сахарной свеклы и порций удобрении на двух уровнях в стороне и ниже посевного ложа (патенты РФ на изобретение №2316928, №2295847, 2332000 и на полезную модель № 70739), что позволяет растениям использовать питательные вещества па протяжении всего периода вегетации;
- аналитических моделей формирования очагов минеральных удобрений н размещения их вдоль борозды на двух уровнях относительно семян сахарной свеклы.
Практическая значимость работы состоит в инженерном методе расчета конструктивно - режимных параметров посевной секции сеялки технических культур, обеспечивающей синхронную подачу семян сахарной свеклы и порций удобрений, расположенных в стороне и ниже уровня посева семян. Полученные теоретические и экспериментальные результаты по формированию и размещению порций удобрений в почве на двух уровнях могут быть использованы при проектировании свекловичных сеялок. Реализация результатов исследований. Работа выполнена согласно плану научно-исследовательских работ Департамента АПК правительства Белгородской области на 2006-2009 г. по теме: «Сеялка пропашных культур с очаговым внесением минеральных удобрений». Отдельные результаты исследований используются в учебном процессе и дипломном проектировании студентами инженерного факультета Белгородской ГСХА.
Достоверность научных положений подтверждается результатами лабораторных исследований, проведенных с использованием измерительной аппаратуры, обеспечивающей приемлемую точность измерений, обработкой опытных данных с использованием компьютерных математических программ. Результаты теоретических исследований достаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывали на научно-практических конференциях: в Белгородской ГСХА (2005-2008 г.), Курской ГСХА (2007 г.) и Воронежском ГАУ (2008 г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано десять печатных работ, в том числе три в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, три патента РФ на изобретение и один патент РФ на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованных источников и 12 приложений, изложена на 127 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка и 7 таблиц. Список использованных источников содержит 108 наименований, из них 4 на иностранных языках.
На защиту выносятся:
- конструктивно-технологическая схема посевной секции сеялки для посева технических культур, обеспечивающая синхронную подачу семян сахарной свеклы и порций удобрений, расположенных на двух уровнях в стороне и ниже посевного ложа; - аналитические модели формирования порций минеральных удобрений и размещения их вдоль борозды на двух уровнях;
- конструктивные и режимные параметры посевной секции сеялки технических культур.
Биологические особенности возделывания сахарной свеклы
Сахарная свекла - важная техническая культура, корнеплод которой содержит 19-22% сахара и является основным сырьем для сахарной промышленности [16;30;39]. Кроме сахара, в процессе переработки корнеплодов получают ценные дополнительные продукты - жом. Ботва сахарной свеклы -питательный-корм для скота. Сахарная свекла имеет также большое агротех/ ническое значение (благотворно влияет на развитие всех культур в севообороте, повышает общую их продуктивность). В севообороте сахарную свеклу целесообразно размещать после озимой пшеницы, которую выращивали на удобренных черных парах или по многолетним травам [19; 37;48].
Сахарная свекла относится к семейству маревых (Chenopo-diaceae).Это двулетнее растение, которое в первом году образует розетку из множества прикорневых черешковых листьев и утолщенный сахаристый корнеплод. Только на втором году развиваются из прорастающих почек головки облиственных ребристых цветоносных побегов. Цветки собраны-в соцветия типа мутовчатой колосовидной кисты. Они опыляются перекрестно, в основном ветром. На одном-растении образуются до 16000 плодов, которые представляют орешки[28;52;83]:
Масса семени колеблется от 2 до 4 мг, оно имеет сравнительно небольшой запас питательных веществ. Глубина заделки семян в почву обусловливает, в первую очередь, такие важные факторы как всхожесть семян, равномерность распределения всходов и дружность их появления [41]. Оптимальная глубина посева составляет 3-4 см.
Строение корнеплода сахарной свеклы представлено на рисунке 1.1. Из верхней части главного корня образуется основная часть корнеплода. Внизу корнеплод переходит через хвостик свеклы (диаметр 1 см) в стержневой корень. В двух противоположных, более или менее выраженных бороздках растут боковые корни первого порядка. Боковые корни первого порядка сильно разветвляются и образуют большое число боковых и мочковатых кор-ней[93;10б].
Переходная часть от корня к побегу представляет собой шейку, или ги-покотиль. Шейка находится между закладкой верхних боковых корней и нижних листьев. На ее поверхности нет ни корней, ни листьев.
Головка является нижней частью побега. Она начинается непосредственно под закладкой нижних листьев. На ее вершине находятся конус вегетации и сердцевинные листья. Переход от головки к шейке можно четко определить: это место, где сосудистая система четко переходит из беспорядочного положения в концентрические кольца (у сахарной свеклы от 8 до 12). Головка занимает 10-15% длины корнеплода, шейка -10-20 и собствегашй корнеплод -65-80% [37].
Корневая система состоит из главного корня, боковых корней и корневых волосков. Мочковатая корневая система, которая имеет решающее значение для поглощения воды и питательных элементов, находится на глубине почвы до 25 см [99].
К концу вегетации в этом слое сосредоточено до 60-80% этих корней, глубже 1,5 м - примерно 10% (рисунок 1.2). Корни весной сначала медленно развиваются, однако ко времени смыкания рядков они уже достигают общей длины 10-15 м/м2 площади и глубины 1 м. До конца вегетации в зависимости от почвы могут проникнуть на глубину 1,2-3 м и достигать общей длины 10-15км/м2[52].
Свекла в состоянии быстро восстанавливать корневую систему в прежних объемах в случае отмирания определенной части боковых и мочковатых корней. В этом одна из причин приспособления свеклы к разной влагообеспе-ченности, хотя доля боковых и мочковатых корней в сухой массе всего около 3%. Доля корнеплода в сухой массе составляет около 70%, а ботвы - около 27%.
Поверхность корней как мера способности поглощения питательных веществ и воды достигает во время вегетации почти двойного размера индекса листовой поверхности (рисунок 1.3).
Способы внесения удобрешпі и их агроэкономическая эффективность
В настоящее время возможности расширения пахотных угодий резко со кратились, в связи с чем остро встал вопрос об интенсивности их использования. Всемирное повышение эффективности химизации земледелия неразрывно связано с рациональным применением удобрений и, в частности, со способами и сроками их внесения 90;92;105J.
В России за последнее 10-летие применение минеральных удобрений сократилось в 8-10 раз, следствием чего стало резкое снижение урожаїіности и валовых сборов сельскохозяйственных культур [93]. Поэтому поступательное развитие земледелия страны может быть связано только с увеличением и рациональным использованием минеральных удобрений [98].
Все задачи агрономии, как указывал К. А. Тимирязев, сводятся к определению и возможно точному осуществлению условий и правильного питания растений, их бесперебойному снабжению элементами питания.
Удобрения необходимо вносить в агротехнические сроки, соблюдать установленные дозы внесения, с максимально возможной равномерностью распределять удобрения по всей площади поля. Дозы внесения определяют агрохимики для каждого поля по картограммам, величине запланированного урожая и наличию удобрений в хозяйстве [33;96;102].
Исследованиями установлено, что одноразовое внесение полной дозы по 170 кг д. в./га NPK способствует повышению урожайности корнеплодов сахарной свеклы на 12% (с 350 до 390 ц/га) по сравнению с дробным (в 4 приема) их внесением, значительно (на 40%) сокращаются затраты на внесение удобрений [93].
Неравномерность распределения при поверхностном внесении удобрений не должна превышать 25% для кузовных машин и 15% для туковых сеялок [38;80;84;101].
Влажность вносимых минеральных удобрений должна обеспечивать нормальную работу дозирующих устройств. Максимальное отклонение влажности от стандартной не более 2% [43;45;107].
В зависимости от характера размещения минеральных удобрений в почве, способы их внесения разделяются на сплошной и локальный, в свою очередь, каждый из них может быть поверхностным и внутрипочвенным.
В результате анализа литературных источников [22;23;24;34;42;44;46;47;50;54;107] проведена классификация способов внесения минеральных удобрений и представлена в виде схемы (рисунок 1.4).
При поверхностном способе внесения минеральных удобрений, с последующей их заделкой в почву, они распределяются кузовными разбрасывателями с рабочим органом центробежного (броскового) типа, как наиболее простыми по устройству [57;58;85]. Такой способ внесения в настоящее время используется в практике чаще всего, но он имеет два существенных недостатка: неравномерное размещение удобрений по поверхности почвы и попадание значительного их количества в пересыхающий слой почвы, где они становятся недоступными для корневой системы растений [90;92;96;108].
Отрицательное влияние неравномерного внесения минеральных удобрений отмечалось еще в 19 веке в первых руководствах по применению минеральных туков. В 1947 году А.В. Соколов опубликовал результаты своих ве гетационных опытов, в которых выявились такие отрицательные последствия неудовлетворительного распределения удобрений, как неравномерность роста и созревания растений, связанная с ним пестрота урожая и снижение его качества [43J.
Фактические потери урожая от неравномерности распределения удобрений оценивали многие авторы [87]. Ы.Г. Овчинникова доказала, что при неравномерности 20-25% потери урожая не превышали 1-2%. По сообщению Л.И. Останина и Л.С. Злобиной потери урожая овса, озимой пшеницы, сахарной свеклы и картофеля при неравномерности 20-25% не выходили за пределы 4-5% [59].
Основная задача припосевного внесения удобрений заключается в улучшении корневого питания растений в первый период их жизни и обеспечение ими в течение всего периода вегетации [60].
При внесении удобрений комбинированной сеялкой семена от удобрений отделяются прослойкой почвы. Такой способ хорош тем, что прорастающие семена и молодые проростки, очень чувствительны к повышенной концентрации солей в почвенном растворе, не соприкасаются с удобрениями [38].
В зависимости от культуры и природно-климатической зоны оптимальная глубина заделки основного удобрения при локальном внесении должна быть 0,08 -0,15 м, размещаться рядом с рядком и на большей глубине, чтобы образовалась прослойка почвы 0,02-0,05 м, защищающая растения от ожогов [93].
Кроме того, локальное внесение минеральных удобрений оказывает положительное влияние на рост и физиологическое состояние листьев, обусловливает повышенную водоудерживающую их способность, повышает продуктивность фотосинтеза. Одним из существенных преимуществ локального способа внесения минеральных удобрений является более высокий, по сравнению с внесением вразброс, коэффициент использования удобрений. Дозу удобрений при локальном внесении можно сократить на 30— 50% по сравнению с разбросным способом [52].
Влияние способов локального внесения минеральных удобрений на урожайность сахарной свеклы
Из проведенного литературного обзора следует, что перспективным способом применения удобрений является локальный, с ориентированным размещением удобрений относительно корневой системы растений, т.е. в виде ленты или рядка. Анализ патентной литературы.указывает на рост количества технических решений, обеспечивающих совмещение операций сева технических культур с одновременным внесением минеральных удобрений, а также устройств для их внесения. Это не случайно, т.к. одно из преимуществ локального внесения удобрений заключается в том, что создается концентрация удобрений, наиболее благоприятная для усвоения растениями питательных элементов и не задерживается усвоение воды остальной частью корневой системы, не находящейся под влиянием повышенной концентрации удобрений.
Характерной особенностью сахарной свеклы является строение ее корневой системы, распространяющейся, главным образом, в нижних слоях пахотного горизонта. Это позволяет высказать предположение, что размещение удобрений в виде очагов ориентированных в вертикальном направлении (см. рисунок 2.1 а) будет более эффективным в сравнении с размещением их в виде горизонтально расположенного рядка (см. рисунок 2.1 б). С целью подтверждения высказанного предположения об эффективности очагового внесения минеральных удобрений одновременно с посевом сахарной свеклы были проведены одногодичные полевые мшфоделяночные опыты. Исследования проводились на опытном поле Белгородского НИИ сельского хозяйства. Почва опытного участка - чернозем типичный, среднемощный, малогу-мусный, тяжелосуглинистый, имеющий перед закладкой следующие агрохимические показатели: Гумус (по Тюрину) 5.6%; подвижный фосфор и калий по (Чирикову) 7,4 и 11,2 мг/100 гр. Почвы соответствешю рН Нсі - 5,8, степень насыщенности основаниями - около 90%. В полевом опыте в качестве факторов изучали способы локального внесе ния минеральных удобрений одновременно с посевом сахарной свеклы: ленточное, очаговое на одном и на двух уровнях. Посевная площадь делянки 32,4м (40,5 х 8м). Учетная - 14,4 м (1,8 х 8м). Размещение вариантов и делянок систематическое. Повторность опытов трехкратная. Доза минеральных удобрений в сравнегош с рекомендуемой [33] NyoPgoKyo снижена в два раза. Ваоианты: Без удобрений - контроль; N45P45K45 - лентой на глубину 0,15 м; N45P45K45 очаг в один уровень на глубину 0,15 м; N45P45K45 — очаг на двух уровнях - 30% на глубину 0,07 м и 70% на глубину-0,15 м. Удобрения во всех случаях смещались в сторону от рядка семян на 0,05 м. Закладка опыта проводилась вручную. При проведении опытов, наблюдений и учета руководствовались методикой полевого опыта Б.А. Доспехова [35].
Схема закладки полевого опыта с сахарной свеклой при определении эффективности различных способов внесения удобрений Высокая эффективность минеральных удобрений при локальном внесении достигается за счет увеличения коэффициента их использования.
Результаты микроделяночного полевого опыта по определению влияния способов внесения минеральных удобрений на урожайность сахарной свеклы представлены в таблице 2.1 . Из таблицы 2.1 видно, что наиболее эффективным способом внесения основной дозы минеральных удобрений при посеве сахарной свеклы является очаговый на двух уровнях, прибавка урожая составила 164 ц/га (приложение А).
Для обеспечения внесения удобрений в виде очагов на двух уровнях разработана конструктивно-технологическая схема посевной секции сеялки технических культур (рисунок 2.3 ), основными элементами которой является устройство для очагового внесения удобрений на двух уровнях и семявысе вающий аппарат. Кинематическая связь дисков для семян и удобрений состоит из цепей 16, 17, а так же звездочек привода их валов. Диски для семян и удобрений получают вращение от приводного вала посевной секции 13.
Методика исследования влияния окружной скорости диска на коэффициент заполнения ячейки минеральными удобрениями
Загрузка ячеек диска происходит непрерывно от правой стенки бункера для удобрений до левой по всей длине загрузочной щели L (рисунок 2.15 ). Минеральные удобрения Для определения ее минимальной длины необходимо найти время t полета частиц удобрений от края щели до дна ячейки:
За это время любая точка на диске для внесения удобрений пройдет расстояние L, следовательно, длина загрузочной щели бункера для удобрений должна быть не менее L=vOKp t. Тогда Длина загрузочной щели бункера для удобрений определяется при максимально допустимой окружной скорости vOKp диска. В этом случае выбранная длина загрузочной щели L бункера для удобрений обеспечит работоспособность туковысевающего аппарата и при меньших значениях скоростей дттска.
В параграфе 2.1 была показана целесообразность деления порции удобрений на две части для каждого растения и размещение их на двух уровнях одна над другой. Для решения этого вопроса сошник, образующий борозду, выполнен из двух щитков, соединенных в передней части друг с другом, причем правый щиток сошника выполнен короче левого, а между ними установлена делительная пластина, длиной равной длине левого щитка. Заметим, что делительная пластина имеет возможность перемещения в направлении от правого к левому щитку. При движении сошника в почве образуется борозда, но, так как правый щиток короче левого, то борозда в поперечном сечении имеет Z-образную форму (рисунок 2.16 ).
Удобрения, вышедшие из ячейки диска под действием центробежной силы и силы веса, распределяются по всей ширине полости, заключенной между щитками. Делительная пластина делит порцию удобрений на две части, одна из которых размещается справа на меньшей глубине, а другая (с левой стороны) - на большей. Перемещением делительной пластины от одного щитка к другому достигается изменение соотношения с/ /сг. количества удобрений на верхнем и нижнем уровне.
Уудь Ууд2 - глубина борозды соответственно для удобрений первого и второго уровней Рисунок 2.16 - Схема деления порции минеральных удобрений на две части
Поскольку расстояние полета частиц минеральных удобрений правой и левой частей порции до соприкосновения с почвой различно - возможно смещение их одна от другой по ходу движения агрегата (рисунок 2.17).
Дадим количественную оценку этому явлению. Используя выражение (2.50) дальность полета порции удобрений до контакта с почвой на верхнем и нижнем уровне определим по формуле:
Исследуем размещение частиц удобрений в почве по уровням для условий: радиус диска для внесения удобрений R = 0,11 м; расстояние между соседними очагами - Щ = 0,16 м; количество ячеек на диске для внесения удобрений Куд = 12. Изменение дальности полета частиц удобрений, в зависимости от глубины их размещения в почве приведено на рисунке 2.18.
Анализ рисунка 2.18 показывает, что при глубине размещения частей порции удобрений по уровням: верхний - 0,07 м, нижний - 0,015 м при скорости движения агрегата 2 м/с смещение удобрений на верхнем уровне относительно нижнего составляет 0,0106 м. снижение скорости агрегата приводит к сокращению смещения удобрений по уровням. Заметим, что нижняя часть диска для внесения удобрений размещается на уровне поверхности почвы (рисунок 2.17). Выполненные аналитические расчеты возможного смещения удобрений, расположенных на разных уровнях, необходимо проверить экспериментальным путем.
Длина очага удобрений зависит, прежде всего, от длины наружной дуги ячейки, а так же от окружной скорости диска для внесения удобрений и скорости движения агрегата. Время разгрузки ячейки должно равняться времени формирования очага в борозде:
Изменение длины очага в зависимости от скорости агрегата и от окружной скорости вращения диска для внесения удобрений при длине наружной дуги ячейки равной 0,025 м, которой соответствует доза внесения удобрений 0,221 кг/м2, представлено на рисунке 2.19 .
