Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы и задачи исследований 12
1.1. Современный технический уровень и тенденции развития технологий основной и поверхностной обработки почвы в острозасушливых условиях 12
1.2. Теоретические, технологические, конструктивные и экспериментальные предпосылки создания и совершенствования перспективных технических средств для основной и поверхностной обработки почвы 29
1.3. Задачи исследований 48
2. Агротехнические и природно-экологические основы развития технологий обработки почвы в острозасушливых условиях 50
2.1. Агротехнические основы развития почвозащитных технологий 50
2.2. Органическое вещество и его влияние на почву. Планирование системы обработки почвы 61
2.3. Природно-экологические особенности сухостепной зоны Нижнего Поволжья как объекта основной обработки почвы. Роль глубокой обработки почвы 74
2.4. Сравнительные показатели продуктивной влаги и удобрений в почве в зависимости от способов ее основной обработки. Роль чизеля с отвалом 89
2.5. Совершенствование основной обработки каштановых почв Нижнего Поволжья в зернопаровом севообороте 106
3. Перспективные рабочие органы и комплексы технических средств для основной и поверхностной обработки почвы в остроза сушливых условиях 123
3.1. Технологические требования к чизелям и чизелеванию почвы. Схемы резания, обрушения и рыхления почвы чизельными рабочими органами 123
3.2. Основы конструирования современных чизельных рабочих органов для основной обработки почвы 138
3.3. Перспективные технические средства преимущественно для поверхностной обработки почвы 154
3.4. Современные почвообрабатывающие орудия на базе чизельных рабочих органов, их возможности и основы эксплуатации 173
4. Экспериментально-теоретические исследования технических средств для основной и поверхностной обработки почвы 200
4.1. Силовое взаимодействие с почвой чизельного рабочего органа... 200
4.2. Аналитическое исследование процессов в среде почва-долото 213
4.3. Сопротивление почвы движению рабочих органов культиваторов. Совершенствование теории поверхностного резания почвы 226
4.4. Экспериментальные исследования по повышению износостойкости почвообрабатывающих рабочих органов 240
4.5. Теоретическое обоснование технологической схемы и параметров ротационного почвообрабатывающего орудия 261
4.6. Некоторые результаты приемочных и сравнительных испытаний чизельных орудий 274
5. Перспективы внедрения и экономическая эффективностьновых технических решений по почвообработке 289
5.1. Состояние и перспективы внедрения новых технологий и технических средств для основной и поверхностной обработки почвы 289
5.2. Примеры определения экономической эффективности при внедрении чизельных орудий 295
Общие выводы 303
Литература 307
Приложения 332
- Современный технический уровень и тенденции развития технологий основной и поверхностной обработки почвы в острозасушливых условиях
- Органическое вещество и его влияние на почву. Планирование системы обработки почвы
- Технологические требования к чизелям и чизелеванию почвы. Схемы резания, обрушения и рыхления почвы чизельными рабочими органами
- Сопротивление почвы движению рабочих органов культиваторов. Совершенствование теории поверхностного резания почвы
Введение к работе
Актуальность проблемы. Поверхностная обработка почвы (поверхностное рыхление) известна много тысячелетий. Сначала это были мотыги с каменными, а затем с бронзовыми и железными наконечниками. Примитивный плуг, или рало, упоминается в конце 4-го века до н.э. [230]. Со 2-го тысячелетия до н.э. плуги изготавливались из дерева и уже имели дышло для запряжки животных и рукоятки для управления. В первом веке до н.э. появились плуги с железным лемехом [231]; римлянами был изобретен передок с колесами к плугу. Затем появился нож, размещаемый перед лемехом для разрезания почвы, и доски (отвалы).
В России плуги появились в лесостепной зоне в 8...9 веках, накануне образования Киевской Руси. Начало развития современных плугов относится к 17 веку, а первые конные плуги появились в конце 18 века [230, 231]. Заводское производство конных плугов в России началось в 1802 г. Дальнейшее развитие плугов происходило как плугов лемешных. Серийные тракторные плуги были выпущены в СССР в 1925 г. Ныне номенклатура лемешных (отвальных) плугов существенно расширилась, по взаимодействию с трактором плуги становятся в основном навесными и полунавесными. Кроме лемешных, определенное распространение получили дисковые плуги.
Рыхлители почвы сначала предназначались для послойного рыхления мерзлых грунтов и определенных скальных пород [275]. Известны рыхлители террас [276] под закладку виноградников и садов; глубина рыхления 45...70 см. Плоскорезная обработка почвы (без оборачивания пласта): в недалёком прошлом считалось, что она осуществляется культиваторами-глубокорыхлителями на глубину 20...30 см и культиваторами-плоскорезами (8... 15 см) [229] с сохранением стерни на поверхности почвы.
В фундаментальных изданиях ученых 60-х годов XX в. [277, 281 и др.] ещё нет упоминаний о стойках-плоскорезах, глубокорыхлителях, чизельных
5 плугах и т.п. орудиях и рабочих органах, хотя отечественные изобретатели и зарубежные специалисты уже работали над этой проблемой. Там представлены давно известные почвоуглубители к плугам (глубина рыхления ниже плужной подошвы - до 15 см); рыхлительные лапы культиваторов (глубина рыхления до 25 см) [281].
Несколько позже (1971) появляется понятие «глубокорыхлитель-плоскорез» [72], якобы для глубокого рыхления почвы без перемешивания её и без повреждения стерни; глубина рыхления 12...30 см. По конструктивному исполнению - это симбиоз культиватора-рыхлителя и будущей стойки СибИМЭ. Но ширина одной плоскорежущей лапы (1,1 м) предопределяет непомерное и неэкономичное тяговое сопротивление орудия.
Исторический экскурс технического развития почвообрабатывающих рабочих органов и орудий, в том числе так называемых глубокорыхлителей, можно продолжить, но очевидно, что в России создание и освоение производства подлинных глубокорыхлителей и чизельных орудий затянулось, несмотря на усилия изобретателей. Чизельные плуги для глубокой обработки почвы (с определёнными недостатками) в СССР появились в 80-х годах XX века. Их основоположником можно считать В.В.Тру фанова [316]; вместо обработки или вспашки почвы иногда стали применять термин «чизелевание».
Объективности ради можно отметить, что отдельные, менее совершенные чизели появились раньше за рубежом. Это знаменитая стойка Параплау и другие орудия [182], в СССР - стойка СибИМЭ и ряд других рабочих органов, что отмечали, в частности, И.Усманов [318], Б.Шакиров [328] и многие другие. Целесообразность глубокой обработки почвы в свое время (еще до появления соответствующих орудий) отмечали известные ученые-аграрники А.И.Бараев [28, 29], А.М.Бялый [54], Н.К.Мазитов [146], К.Г.Шульмейстер [336,338] и другие.
Современное земледелие на такой огромной территории, как страны СНГ, нуждается в различных рабочих органах и орудиях как для основной, так и для поверхностной обработки почвы. Некоторые специалисты, имеющие дело с «жирным» чернозёмом и обилием осадков, доказывают нецелесообразность глубокой безотвальной обработки почвы, другие являются ярыми сторонниками чизелевания, третьи проявляют осторожность, считая, что основная глубокая и безотвальная обработка почвы должна проводиться один раз в три года, в противном случае на полях будут «выращивать» сорняки.
В первой и второй главах эти вопросы и проблемы будут рассмотрены подробно, при этом основное внимание будет уделено почвообработке сухо-степных (бедных гумусом) зон Нижнего Поволжья и, прежде всего, Волгоградской области. Учитывая, что от основной и поверхностной обработки почвы зависит не только урожайность многих сельскохозяйственных культур, но и экономика, и трудозатраты, и экология производства продукции растениеводства, эта проблема, безусловно, относится к числу особо актуальных, ввиду того, что современная и перспективная почвообработка - это залог повышения урожайности в тяжёлых острозасушливых условиях [225-227, 283, 288, 325 и др.]. Поэтому проблема совершенствования технологий и технических средств основной и поверхностной обработки почвы в острозасушливых условиях Нижнего Поволжья требует своего дальнейшего разрешения.
Работа выполнена по плану НИОКР ГНУ «Нижне-Волжский НИИ сельского хозяйства» в соответствии с координационным планом НИР (ВРО ВАСХНИЛ) РАСХН на 1996-2000-2005года (задание 03.03.01; 03.03.03; 02.01.03; 02.01.04; 09.01.01 и другие).
Цель исследования. Совершенствование технологий основной и поверхностной обработки почвы в острозасушливых условиях, разработка теоретических и практических основ создания перспективного комплекса технических средств для данных технологий с учетом ресурсосбережения и поч-возащиты в зернопаровых севооборотах сухостепных агроландшафтов Ниж-
7 него Поволжья.
Объекты и предмет исследования. Перспективные технологии и технические средства основной и поверхностной обработки почвы в острозасушливых условиях. Взаимодействие новых рабочих органов с почвой, различные аспекты последействия на ее агрофизические свойства, ресурсосбережения и почвозащиты сухостепных агроландшафтов.
Научная новизна. Для острозасушливых условий усовершенствованы почвозащитные технологии, обоснован ряд перспективных технологических приемов основной и поверхностной обработки почвы новыми рабочими органами и орудиями, в том числе: чизельная зяблевая вспашка для озимых и яровых культур на глубину 36...40 см.; комбинированная глубокая чизельно-отвальная обработка почвы с возможностью формирования гребнистой поверхности поля; сочетание поверхностной обработки с рыхлением и прика-тыванием почвы, подрезанием и вычесыванием сорняков. Для реализации данных технологий предложены новые рабочие органы и орудия: чизельные рабочие органы с узким долотом; многооперационные катки; конусообразные рабочие органы; плоскорежущие лапы с малым углом крошения. Разработаны основы взаимодействия долота с почвой при блокированном резании без выноса почвенной стружки на дневную поверхность, принципы исследования новых рабочих органов для поверхностной обработки почвы, оптимизации параметров ротационных орудий. Новизна технических решений подтверждена 13 патентами РФ и 2 решениями о выдаче патента на изобретение. На защиту выносятся следующие научные и практические результаты: усовершенствованные почвозащитные технологии обработки почвы для острозасушливых условий Нижнего Поволжья, как обоснование изменения конструкторских решений чизельных рабочих органов; комплекс технических средств для основной обработки почвы, новые рабочие органы и комбинированные орудия преимущественно для поверхно-
8 стной обработки почвы, как способ улучшения водно-физических и агрохимических свойств почвы, стабилизации плодородия и повышения урожайности зерновых культур; экспериментально-теоретические исследования и основы теории чи-зельных рабочих органов для основной и поверхностной обработки почвы, результаты полевых испытаний новых орудий; особенности эксплуатации чизельных и чизельно-отвальных орудий, в том числе при заделке в почву органики и формировании различных почвенных горизонтов; проблемы и перспективы экономии ресурсов при почвооб-работке.
Достоверность разработанных положений, выводов и рекомендаций подтверждена практикой конструирования, изготовлением опытно-промышленных образцов, полевыми и приемочными испытаниями новых орудий, их рядовой эксплуатацией при обработке почвы, экспериментальными исследованиями отдельных компонентов системы, практикой внедрения, а также апробацией на научно-практических конференциях и показе в работе на выставках.
Практическая значимость. Разработан комплекс технических средств для основной безотвальной обработки почвы с чизельными рабочими органами - 6 вариантов по конфигурации стойки и 19 модификаций по назначению. Каждый вариант рабочего органа может устанавливаться на серийных или специальных рамах плугов, агрегатируемых с тракторами класса 1,4...5,0. Ширина захвата чизельного рабочего органа - 40 см. Для гусеничных тракторов класса 3 чизельное орудие является пятикорпусным с шириной захвата 2,0 м (для отвально-лемешного плуга - 1,4 м); для тракторов класса 5 - ширина захвата 4,0 м. По сравнению с сопоставимыми отвально-лемешными плугами производительность МТА (при значительно большей глубине обработки) увеличивается, удельный расход топлива снижается, а суммарные эксплуатационные показатели МТА улучшаются на 15...50% в
9 зависимости от условий работы. В засушливые годы в Нижнем Поволжье на каштановых и светло-каштановых почвах прибавка урожая зерновых колосовых культур при использовании предлагаемой технологии основной обработки почвы составляет 10... 15%. Разработанные комбинированные чизель-но-отвальные рабочие органы позволяют заделывать в почву сорняки, пожнивные остатки, удобрения и мелиоранты. Для поверхностной обработки почвы разработаны перспективные комбинированные культиваторы и рабочие органы, в том числе многооперационные катки для одновременного выполнения нескольких технологических операций. Предложенные разработки формируют новое поколение технических средств для основной и поверхностной обработки почвы.
Реализация работы. Разработанные орудия и рабочие органы реализованы в хозяйствах Волгоградской, Астраханской, Тамбовской и Саратовской областей: чизельные орудия различной модификации - 111 шт., рабочие органы с малым углом крошения для поверхностной обработки почвы - свыше 1500 шт., универсальный противоэрозионный культиватор КУПЭ-4 - 4 шт. Исследуемые чизельные орудия включены ОАО «ВгТЗ» (Волгоградский тракторный завод) в перечень основных сельскохозяйственных машин и орудий, агрегатируемых с тракторами серии ДТ-75 и ВТ. Проведены специальные испытания совместно с ВГСХА по улучшению износостойкости рабочих органов как способа повышения надежности и эффективности использования агрегатов.
Исследуемые технологии и технические средства нашли свое отражение при разработке следующих рекомендаций: Технологии подготовки чистых паров (РАСХН. - М., 2001); Технология производства высококачественного зерна озимой и яровой пшеницы (Волгоград, 2002); Рекомендации по проведению весенне-полевых работ в хозяйствах Волгоградской области в 2003 году: Технологические требования (Волгоград, 2002); Технология и технические средства для основной обработки почвы в сухостепных агро-
10 ландшафтах Нижнего Поволжья (Волгоград, 2005); Рекомендации по проведению весенне-полевых работ в хозяйствах Волгоградской области в 2006 году (Волгоград, 2006).
Апробация работы. Авторские разработки неоднократно демонстрировались в Волгоградском сельскохозяйственном Выставочном центре (2001-2002), два орудия (ПЧВ-8-40М и ПЧВ-10-40) отмечены дипломами и третьим местом с материальным вознаграждением (50 тыс. руб.); демонстрировались в работе на «Днях поля» (Волгоградская область, 2002,2003);
4 типоразмера орудий прошли приемочные испытания с оформлением отраслевых актов или протоколов:
Поволжской МИС: орудия ПЧВ-5-40 (акт 08-82-96), ПЧВ-4-40 (акт 08-77-96);
СевКавМИС: орудие ПЧС-10-40 (протоколы 11-27-03 и 11-54-04), комбинированный чизельный рабочий орган к плугу ПЛН-5-35 (протокол 11-40-03); демонстрировались на 7-й агропромышленной выставке «Золотая осень» в составе экспозиции НВНИИСХ (М., 2005) и отмечены дипломом 3-й степени и бронзовой медалью; выставке при Волгоградском международном экономическом форуме «Инвестиции в Россию» (2005); показах с.-х. техники в полевых условиях в рамках выставки «Царицынская ярмарка» (Волгоградская обл., 2005-2006) - два чизельных орудия отмечены золотыми медалями.
Основные положения диссертации доложены, обсуждены и одобрены на Международных научно-практических конференциях: «Модели и технологии оптимизации земледелия» (Курск, 2003), «Проблемы АПК» (Волгоград, 2003), «Основы достижения устойчивого развития сельского хозяйства» (Вол- гоград, 2004), «Актуальные проблемы развития АПК» (Волгоград, 2005), «Перспективные технологии для современного сельскохозяйственного производства» (Курск, 2005); на Всероссийских и региональных конференциях: «Адаптивные технологии производства качественного зерна в засушливом Поволжье» (Саратов, 2004), «Актуальные инновационные разработки по оптимизации агроланд-шафтов в условиях рыночных отношений» (Волгоград, 2004), «Адаптивно-ландшафтные системы земледелия для засушливых условий Нижнего Поволжья» (Волгоград, 2005),
Межвузовской научно-практической конференции (Брянск, 2006); на научно-технических конференциях ВГСХА;
Ученых советах НВНИИСХ; научно-технических совещаниях на предприятиях Волгограда и области (ОАО Волгоградский тракторный завод, научно-производственное предприятие «Дубовская сельхозтехника», ОАО «Еланьферммаш» и др.).
В полном объеме диссертация доложена и одобрена на Ученом совете НВНИИСХ (2006) и научном семинаре «Чувашская ГСХА» (2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 62 работы, из них: статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ - 9; изобретения, защищенные патентами РФ - 13; монографии - 3; рекомендации и технические требования - 6; статьи в сборниках научных трудов, докладов на научных конференциях и в журналах - 31. Дополнительно опубликовано 15 информационных листков.
Современный технический уровень и тенденции развития технологий основной и поверхностной обработки почвы в острозасушливых условиях
Объекты и предмет исследования. Перспективные технологии и технические средства основной и поверхностной обработки почвы в острозасушливых условиях. Взаимодействие новых рабочих органов с почвой, различные аспекты последействия на ее агрофизические свойства, ресурсосбережения и почвозащиты сухостепных агроландшафтов.
Научная новизна. Для острозасушливых условий усовершенствованы почвозащитные технологии, обоснован ряд перспективных технологических приемов основной и поверхностной обработки почвы новыми рабочими органами и орудиями, в том числе: чизельная зяблевая вспашка для озимых и яровых культур на глубину 36...40 см.; комбинированная глубокая чизельно-отвальная обработка почвы с возможностью формирования гребнистой поверхности поля; сочетание поверхностной обработки с рыхлением и прика-тыванием почвы, подрезанием и вычесыванием сорняков. Для реализации данных технологий предложены новые рабочие органы и орудия: чизельные рабочие органы с узким долотом; многооперационные катки; конусообразные рабочие органы; плоскорежущие лапы с малым углом крошения. Разработаны основы взаимодействия долота с почвой при блокированном резании без выноса почвенной стружки на дневную поверхность, принципы исследования новых рабочих органов для поверхностной обработки почвы, оптимизации параметров ротационных орудий. Новизна технических решений подтверждена 13 патентами РФ и 2 решениями о выдаче патента на изобретение. На защиту выносятся следующие научные и практические результаты: 1) усовершенствованные почвозащитные технологии обработки почвы для острозасушливых условий Нижнего Поволжья, как обоснование изменения конструкторских решений чизельных рабочих органов; 2) комплекс технических средств для основной обработки почвы, новые рабочие органы и комбинированные орудия преимущественно для поверхностной обработки почвы, как способ улучшения водно-физических и агрохимических свойств почвы, стабилизации плодородия и повышения урожайности зерновых культур; 3) экспериментально-теоретические исследования и основы теории чи-зельных рабочих органов для основной и поверхностной обработки почвы, результаты полевых испытаний новых орудий; 4) особенности эксплуатации чизельных и чизельно-отвальных орудий, в том числе при заделке в почву органики и формировании различных почвенных горизонтов; проблемы и перспективы экономии ресурсов при почвооб-работке. Достоверность разработанных положений, выводов и рекомендаций подтверждена практикой конструирования, изготовлением опытно-промышленных образцов, полевыми и приемочными испытаниями новых орудий, их рядовой эксплуатацией при обработке почвы, экспериментальными исследованиями отдельных компонентов системы, практикой внедрения, а также апробацией на научно-практических конференциях и показе в работе на выставках.
Практическая значимость. Разработан комплекс технических средств для основной безотвальной обработки почвы с чизельными рабочими органами - 6 вариантов по конфигурации стойки и 19 модификаций по назначению. Каждый вариант рабочего органа может устанавливаться на серийных или специальных рамах плугов, агрегатируемых с тракторами класса 1,4...5,0. Ширина захвата чизельного рабочего органа - 40 см. Для гусеничных тракторов класса 3 чизельное орудие является пятикорпусным с шириной захвата 2,0 м (для отвально-лемешного плуга - 1,4 м); для тракторов класса 5 - ширина захвата 4,0 м. По сравнению с сопоставимыми отвально-лемешными плугами производительность МТА (при значительно большей глубине обработки) увеличивается, удельный расход топлива снижается, а суммарные эксплуатационные показатели МТА улучшаются на 15...50% в зависимости от условий работы. В засушливые годы в Нижнем Поволжье на каштановых и светло-каштановых почвах прибавка урожая зерновых колосовых культур при использовании предлагаемой технологии основной обработки почвы составляет 10... 15%. Разработанные комбинированные чизель-но-отвальные рабочие органы позволяют заделывать в почву сорняки, пожнивные остатки, удобрения и мелиоранты. Для поверхностной обработки почвы разработаны перспективные комбинированные культиваторы и рабочие органы, в том числе многооперационные катки для одновременного выполнения нескольких технологических операций. Предложенные разработки формируют новое поколение технических средств для основной и поверхностной обработки почвы.
Реализация работы. Разработанные орудия и рабочие органы реализованы в хозяйствах Волгоградской, Астраханской, Тамбовской и Саратовской областей: чизельные орудия различной модификации - 111 шт., рабочие органы с малым углом крошения для поверхностной обработки почвы - свыше 1500 шт., универсальный противоэрозионный культиватор КУПЭ-4 - 4 шт. Исследуемые чизельные орудия включены ОАО «ВгТЗ» (Волгоградский тракторный завод) в перечень основных сельскохозяйственных машин и орудий, агрегатируемых с тракторами серии ДТ-75 и ВТ. Проведены специальные испытания совместно с ВГСХА по улучшению износостойкости рабочих органов как способа повышения надежности и эффективности использования агрегатов.
Исследуемые технологии и технические средства нашли свое отражение при разработке следующих рекомендаций: Технологии подготовки чистых паров (РАСХН. - М., 2001); Технология производства высококачественного зерна озимой и яровой пшеницы (Волгоград, 2002); Рекомендации по проведению весенне-полевых работ в хозяйствах Волгоградской области в 2003 году: Технологические требования (Волгоград, 2002);
Органическое вещество и его влияние на почву. Планирование системы обработки почвы
Рассмотрим некоторые парадигмы основной обработки почвы: 1) плодородие и структура целинных почв лучше тех, которые подвергались многолетней обработке; 2) выращивание растений возможно без всякой почвообработки, в противном случае нетронутые земли были бы пустыней; 3) инфильтрация воды на целинных землях значительно выше, чем на подвергавшихся механической обработке; 4) первые сельскохозяйственные системы основывались на подсечно-огневом земледелии, на использовании палки для образования семенного ложа; 5) впоследствии технологии производства становились эффективными только на чистых и больших полях; 6) в зонах умеренного климата влияние почвообработки было не столь отрицательным, чем в тропиках; 7) обработка почвы повышает её аэрацию и минерализацию, и урожайность была пропорциональна интенсивности почвообработки; 8) интенсивная почвообработка уменьшает органическое вещество в почве, поддержка минеральными удобрениями не может длится очень долго; 9) ныне на большинстве сельскохозяйственных земель невозможно выращивать культуры без почвообработки из-за общей деградации почвы; 10) «хозяева» земли не представляют себе сельскохозяйственное производство без почвообработки; 11) процессы почвообработки в большинстве случаев понимают как механическую проблему. Ведущим комплексным показателем плодородия почв является содержание в них гумуса. Объем среднегумусовых почв по стране составляет -32%, а почв с высоким гумусом - примерно 7%. Светло-каштановые почвы Нижнего Поволжья занимают одно из последних мест по содержанию гумуса. Деградация гумуса не приостановлена, наибольшее его снижение (до 1 т/га) является результатом эрозии почв, которой подвержены 65% пашни. Потери органического вещества в процессе микробиологического окисления после вспашки в 10 раз больше, чем потери от эрозии. В процессе почвообработки из почвы происходит выделение углекислого газа С02- Количество органически связанного COj в почве в 2 раза превышает его концентрацию в атмосфере. Экстенсивные способы производства растениеводческой продукции в XIX и XX веках способствовали увеличению СОг в атмосфере (вырубка лесов, сжигание и т.п.), а интенсивные системы почвообработки также способствовали поступлению в атмосферу дополнительного и внушительного количества С02 Органическое вещество представляет собой сложную смесь разных компонентов, содержащих углерод натурального происхождения, живую биомассу, остатки корней и растительности, коллоидальные органические смеси (гумус). По скорости разложения и подверженности микробному метаболизму различают виды органического вещества: активное (разлагается в течение месяца); медленно разлагающиеся (20 лет); устойчивые к разложению (сотни, тысячи лет). Растительные остатки - основной источник органического вещества. Но в России баланс углерода не сходится на 800 млн. т/год, т.е. в атмосферу уходит избыточное количество СОг Разложение растительных остатков происходит посредством кислотной ферметизации с выделением углекислого газа, воды, энергии и биомассы. При этом в процессе ряда реакций выделяются или связываются такие элементы, как азот, фосфор и сульфаты. Протеин растений поддается микробному разложению с выделением COj, воды и аминокислот. Азотные соединения, в свою очередь, разлагаются на неорганические ионы (нитраты, аммоний, сульфаты), которые растения используют как питательные вещества. Органическое вещество представляет только небольшую часть от общей массы почвы, но является компонентом, влияющим на её физические, химические и биологические свойства. При обработке почвы органическое вещество увеличивает почвенные агрегаты, скорость инфильтрации воды, задерживает воду в почве. Качество почвы тесно связано с содержанием органического вещества. Оставление пожнивных остатков растений на поле способствует снижению эрозии благодаря защитному эффекту растительных остатков и уменьшению кинетической энергии водных стоков.
Количество углерода, содержащегося в почве, приблизительно в 3 раза больше, чем в атмосфере и растительности, вместе взятых. Таким образом, органическое вещество почвы играет фундаментальную роль в общем балансе углерода. Например, почва с 2% органического вещества связывает около 200 т COj на 1 га. Содержание органического вещества в почве зависит от её типа, климата и системы земледелия.
Температура и дождевые осадки также играют фундаментальную роль. В тёплых зонах минерализация органического вещества повышается, высвобождение питательных веществ ускоряется в то время, когда аккумуляция органического вещества более затруднительна, чем в умеренных зонах. Среднегодовое 10-кратное снижение температуры приводит к (2-3)-кратному увеличению органического вещества в почве. С другой стороны, аккумуляция органического вещества в почве прямо пропорционально зависит от влажности почвы. Традиционная (отвальная) вспашка почвы, сжигание растительных остатков увеличивает эмиссию СОг в атмосферу, а следовательно, ускоряет процесс глобального потепления.
Влияние различных орудий почвообработки на эмиссию COj показали (рис. 2.6), что в течение 5 часов после обработки почвы количество СОг, поступающего в атмосферу, максимально при отвальной вспашке (81,3 г/м2). Почвозащитные технологии, реализуемые различными орудиями, в среднем имеют эмиссию СОг 25 г/м (снижение в 3,25 раза!).
В результате эрозии за последние 40 лет в мире потеряна третья часть пахотных земель, в среднем 10 млн. га в год. Количество органического вещества в почве стремительно уменьшается на культивируемых почвах из-за совокупного «эффекта» многих факторов, связанных с современными системами земледелия. Основной эффект от применения почвозащитных технологий состоит в уменьшении антропогенного воздействия на окружающую среду и повышении экономической эффективности почвообработки.
Разрабатывая сложную систему состояния почв и почвообработки, следует обратить внимание на выводы А.А. Кортикова и др. [132], которые обратили внимание, что при рыхлении почвы на 60 см её влагоёмкость в этом горизонте возрастает до 4800 м3/га - в 1,7 раза больше, чем в слое 24 см, но плотность почвы в слое 25...55 см в 1,3...1,5 раза выше. Это провоцирует образование «подпахотной подушки» с её отрицательным влиянием на почву и сельхозкультуры. В летний период фактор «подпахотной подушки» проявляется повышением температуры 40С в пахотном слое, что приводит к интенсивному испарению влаги и к увяданию посевов. Вывод автора - разрушение «подпахатной подушки», в том числе, чизельными орудиями.
Интенсивное развитие почвозащитных технологий было обусловлено двумя факторами: появлением эффективных средств защиты растений в 1960-х годах и нефтяным кризисом 1970-х годах. В развитых странах около 20% жидкого топлива приходится на почвообработку. На эффективность плодородия влияют не только природные условия, но и способы их использования, в частности, улучшение агрофизических и биохимических параметров почвы [118].
Технологические требования к чизелям и чизелеванию почвы. Схемы резания, обрушения и рыхления почвы чизельными рабочими органами
Почва, обработанная чизельными орудиями, за счет лучшей водопроницаемости и аэрации созревает для выполнения последующих сельскохозяйственных операций на 4...6 дней раньше, чем при традиционной отвальной вспашке лемешными плугами.
Чизельное орудие допускает полостную вспашку почвы за счет соответствующей расстановки криволинейных стоек. 33. Чизельное орудие допускает ярусную (ступенчатую) вспашку почвы за счет установки стоек на разную высоту. 34. При любых способах чизелевания почвы образуется гребнистое дно борозды, разрушающее плужную «подошву» и удерживающее просачивающуюся влагу талых вод и дождей. 35. В отличие от лемешных плугов, ширина захвата чизельных орудий (при установившейся глубине обработки 36...40 см) больше ширины трактора, что упрощает вождение МТА и вспахивает след от колес или гусениц трактора. 36. При чизелевании наблюдается критическая глубина hKp рыхления (обрушения) почвы, физический смысл которой заключается в прекращении распространения боковой деформации. 37. Глубокая обработка почвы чизельными орудиями способствует улучшению агрофизических свойств: снижению плотности, повышению по-розности, скважности, аэрации, накоплению влаги и питательных веществ и, в конечном счете, повышению плодородия почв. 38. Обработка почвы чизельными орудиями предотвращает ветровую эрозию за счет частичного сохранения стерни и водную эрозию за счет лучшей фильтрации и удержания влаги в гребнистой борозде. 39. Для повышения износостойкости долота целесообразно иметь накладки на наиболее изнашиваемой части - носке долота - из высокопрочного материала. 130 40. Чизельно-отвальные орудия за счет установки отвалов на разную глубину и частичного изъятия отвалов на стойках обеспечивают наружную гребнистую поверхность пахоты для предотвращения стока воды и смыва почвы на склонах. 41. Конструкцию чизельных рабочих органов нельзя признать устоявшейся, их совершенствование должно быть направлено на снижение энергоемкости чизелевания, повышение изностойкости определенных деталей, некоторое уменьшение металлоемкости, повышение функциональных возможностей, в том числе использование для культивации междурядий, внесения органических веществ, возрождения деградированных почв, глубокого рыхления (с оборотом верхнего слоя) зараженных почвогрунтов, рекультивации земель, использования в лесном хозяйстве, глубокой и гребнистой противопожарной вспашки и т.п. Чизелевание почвы с ее обрушением по бокам и спереди стойки - до критической глубины ккР - изучено недостаточно, более того имеются противоречивые и явно неприемлемые суждения на сей счет. В.В.Труфанов ([314, 316]; 1989), определяя сопротивление чизельных орудий, учитывает всю лобовую площадь (по ширине захвата орудия) - от дневной поверхности до дна гребнистой борозды - учитывает как субстанцию, подвергающуюся механической обработке. На самом деле основа рыхления почвы - это ее обрушение, а главная составляющая тягового сопротивления орудия - это разрушение долотом узкой канавки шириной В и высотой h-hKp, где В - ширина долота; h - полная глубина чизелевания. Из-за чего происходит обрушение почвы? Наиболее близко к ответу на этот вопрос подошел Ж.Е. Токушев [309, 312], который считает, что основная причина существования критической глубины рыхления hKp - это сжимаемость почв под нагрузкой, разрушение связей частиц почвенного «скелета», выжимание водно-воздушной массы из пор, при этом основная энергоемкость процесса проявляется за счет разуплотнения почвы 131 на глубине hKp, где происходит деформация сжатия (это нами отмечалось в 1.2). Мы уточним эти предпосылки, сняв с них противоречия: деформация сжатия сама по себе не может привести к разуплотнению почвы; разуплотнение почвы, как предвестник обрушения, происходит по бокам и впереди стойки, а вовсе не в узкой канавке ниже hKp, но об этом в работах Ж.Е. Току-шева не сказано. Анализируя процесс резания почвы долотом, мысленно проследим: куда уходят отрезанные «ломти», если путь им перекрыт со всех сторон - резание ведь происходит на глубине - под слоями почвы (блокированное резание).
С определенной степенью условности долото чизеля можно рассматривать как клиновидный рабочий орган, который снимает с почвы стружку, и таким образом происходит ее крошение. Стружки почвы, которые снимаются посредством заглубленного в почву долота, не имеют возможности заворачиваться и приподниматься, поскольку над стружкой находится слой почвы. Поэтому, как нам представляется, на всей наружной поверхности долота и частично на его режущем кончике скапливается уплотненный и переуплотненный слой почвы. Рассмотрим нарастание этих процессов.
Сначала долото снимает стружку, которая по указанным причинам послойно прижимается к верхней плоскости долота (рис. 3.2, а). На долото действует горизонтальная реакция силы резания и смятия почвы Rmax. Вследствие этого при силовом взаимодействии (в процессе плоскопараллельного движения) кончика долота с дном борозды возникает сила трения Fmp. Сверху на долото действует неравномерно распределенная сила (давление) со стороны почвы р. Это вызывает реакции - нормальные силы Nj и Л , перпендикулярные плоскостям долота. При движении эти силы провоцируют возникновение сил трения Fmpi =fN}\ Fmp2 =fN2, где/- коэффициент трения сжатой почвы относительно долота.
Сопротивление почвы движению рабочих органов культиваторов. Совершенствование теории поверхностного резания почвы
В 1989 году В.В. Труфанов [316] к чизельным орудиям для основной и других обработок почвы отнёс 10 разновидностей, в их числе: плуги - глубо-корыхлители и, в частности, с наклонными стойками типа Параплау; специальные орудия; чизельные культиваторы, в том числе, для горного земледелия, для возделывания риса и т.п. В том же году и в том же ВИМе В.М. Кряжков и П.Н. Бурченко [138] в разделе технологий, рабочих органов и машин для обработки почвы в качестве чизеля приводят одну разновидность -ныне это рабочий орган с прямой стойкой. Для своего времени это была реальная классификация. Что касается разнообразных рабочих органов В.В. Труфанова, то это виртуальные чизели; кстати все эти разновидности детально не рассматриваются в его книге [316]. С другой стороны, наличие разночтений по чизелям и, в частности, их отождествление со щелевателями, использование в качестве культиваторов («чизели» со стрельчатыми лапами) и т.п., требуют возвратиться к этой проблеме ещё раз.
Чизели родственны глубокорыхлителям, о чём свидетельствуют публикации [6, 54, 60-62, 81, 82, 112, 129, 136, 149, 179, 264, 275, 328 и др.]. Мы уже отмечали, что Ж.Е. Токушев не признает чизелей, считая их глубоко-рыхлителями. Некоторые авторы [7, 140, 159, 182, 236, 237, 277, 331 и др.] чизелями считают упругие фигурные стойки с рыхлительным элементом на конце.
Свою классификацию мы приведём после рассмотрения всех модификаций чизельных рабочих органов. А пока отметим, что первородный классический чизель (с современными усовершенствованиями) для основной обработки почвы - это прямая стойка 1 из монолитной стали - листа толщиной 30 мм (рис. 3.1, а; [89, 166, 263, 307]). Именно эту толщину в 1989 году рекомендовал И.В. Сучков со своими соавторами [301]. На конце стойки приварен башмак 2 (рис. 3.1, а и б); ранее башмак не являлся обязательной составной частью чизеля. Теперь башмак имеет скос в передней части, на который сверху съёмно закреплено долото шириной В = 60 мм. На заре создания чизелей долото выполняли большей ширины и «навечно» приваривали к стойке. Сейчас долото - наиболее изнашиваемую часть рабочего органа - легко заменить. И это при том, что долото изготавливается из высокопрочной высокоуглеродистой легированной стали с термоупрочнением. Ниже мы покажем, что башмак может нести дополнительные функции, в частности, может нести элементы крепления устройств для внесения в почву, жидких удобрительных ингредиентов. Нижняя кромка долота - это самая нижняя точка чизеля. Долото имеет верхний передний скос под углом у = 15 - это угол крошения. Нижняя плоскость долота склонена к горизонту на угол а= 25...30 - это угол резания, мы предпочитаем 25. Современная наклонная стойка для основной обработки почвы (рис. 3.1, б; [40, 89, 178, 307]) изогнута под углом 40...45. Эта модификация чизельного рабочего органа снабжена накладным специальным ножом 4, который предназначен для некоторого подрезания гребня борозды (при работе ниже критической глубины рыхления) и удаления сорняков. Настало время провести сравнительный анализ прямой и наклонной стоек чизельных рабочих органов. 1. При взаимодействии прямой стойки с почвой напряжённо-деформированное состояние почвы (сдвиг, сопровождающийся сжатием) направлено перпендикулярно стойке, т.е. волна деформации распространяется, постепенно затухая, горизонтально. Это приводит к повышению энергоёмкости процесса чизелевания и дополнительному уплотнению верхних слоев почвы (нижние слои, как отмечалось, разуплотняются за счёт отрыва от долота сжатых фрагментов почвы). 2. При взаимодействии с почвой наклонной стойки деформации и напряжения от стойки также направлены перпендикулярно стойке. Это означает, что они направлены под углом к горизонту в сторону дневной поверхности, т.е. напряжённо - деформированное состояние почвы уменьшается. 3. Наклонная стойка снабжена специальным ножом, с помощью кото рого производится не обычное подрезание, а в основном вычёсывание сорня ков. Поскольку нож, как и стойка, расположен наклонно, то «оторванные» от почвы сорняки скользят по наклонной плоскости, поднимаясь вверх на днев ную поверхность и в верхние слои почвы - в места активных микробиологи ческих процессов в почве. Одновременно с этим стойка очищается от сорня ков. Это обстоятельство, а также наличие специального ножа на стойке спо собствуют некоторому снижению тягового сопротивления рабочего органа. 4. При взаимодействии с почвой и сорняками прямой стойки не проис ходит скольжение и выталкивание сорняков в сторону дневной поверхности. Сорняки зависают на стойке, увеличивая лобовое сопротивление рабочего органа. Именно поэтому для прямой стойки специальный нож становится не эффективным, и его, как правило, не устанавливают, что дополнительно уве личивает лобовое сопротивление рабочего органа. 5. После прохода прямой стойки по её следу остается щель в почве, и хотя за счёт релаксации почвы щель смыкается, тем не менее щель - это средство некоторого иссушения почвы, дополнительного выхода в атмосферу СОг и т.п. После прохода наклонной стойки щель сразу же «автоматически» засыпается (накрывается) почвой. 6. Некоторые противники чизелевания почвы считают, что наклонная стойка увеличивает тяговое сопротивление рабочего органа за счёт дополнительной операции - подрезания наклонной грани гребней борозды. Это может происходить из-за неправильной конфигурации наклонной стойки или неправильной расстановки (креплении на раме) рабочих органов. Необходимо так расставить стойки, чтобы они в основном вычёсывали сорняки при минимальном воздействии на гребни борозды. 7. С учётом этого, по данным наших экспериментальных исследований, тяговое сопротивление рабочих органов с наклонной стойкой на 5... 10% меньше по сравнению с аналогичным показателем прямой стойки - за счет меньшей деформации почвы стойкой и других названных факторов.
