Совершенствование технологического процесса обработки черноземных почв почвозащитными орудиями Орешкин Михаил Вильевич

Содержание к диссертации

Введение

1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований 6

2. Теоретическое обоснование рациональных параметров почвозащитных орудий для объемной обработки черноземных почв 34

3. Методика исследования экспериментальных органов почвозащитных орудий в производственных условиях 55

4. Результаты исследований работы экспериментальных рабочих органов для почвозащитной (объемной) обработки черноземных почв

4.1. Влияние почвозащитных орудий для объемной обработки на агрофизические, агробиологические и противоэрозионные свойства черноземов 63

4.2. Зависимость урожайности сельскохозяйственных культур и качества растениеводческой продукции от применения противоэрозионных орудий, осуществляющих объемное рыхление почвы 93

5. Биоэнергетическая, экологическая и экономическая эффективность применения орудий для объемной обработки черноземных почв 111

Выводы 120

Список использованных источников 123

Приложения 142

• Теоретическое обоснование рациональных параметров почвозащитных орудий для объемной обработки черноземных почв
• Результаты исследований работы экспериментальных рабочих органов для почвозащитной (объемной) обработки черноземных почв
• Влияние почвозащитных орудий для объемной обработки на агрофизические, агробиологические и противоэрозионные свойства черноземов
• Зависимость урожайности сельскохозяйственных культур и качества растениеводческой продукции от применения противоэрозионных орудий, осуществляющих объемное рыхление почвы

Введение к работе

Актуальность темы. Основная обработка почвы является важнейшим приемом. От того, каким образом она производится — обычным путем или почвозащитными орудиями - зависит сохранность почвы, ее агрофизические свойства, а значит, накопление доступной влаги, создание оптимальных почвенных условий для произрастания сельскохозяйственных растений и максимально возможного выхода товарной части продукции растениеводства.

Однако самые распространенные на сегодня орудия для основной обработки почвы - плоскорезы - имеют ряд недостатков, сводящихся к тому, что они рыхлят почву только в горизонтальной плоскости, слабо затрагивая весь объем обрабатываемого слоя.

Поэтому совершенствование уже имеющихся орудий, а также изыскание и исследование новых рабочих органов и орудий для почвозащитной обработки почвы, способных осуществлять дополнительное вертикальное (а в целом объемное) ее рыхление, весьма актуально с целью улучшения агрофизических и агробиологических свойств почвы, предотвращения развития водной эрозии, роста урожайности сельскохозяйственных растений.

Цель работы: повышение урожайности сельскохозяйственных культур за счет совершенствования технологического процесса обработки почвы.

Задачи исследования:

1. Выбрать рациональные характеристики рыхлящих элементов орудий, синтезированных на основе плоскорезов, для осуществления объемной противоэрозионной обработки почвы.

2. Экспериментально установить влияние почвозащитных орудий для объемной обработки на агрофизические,

4 агробиологические и противоэрозионные свойства черноземов.

Выявить влияние предложенных технических решений на урожайность сельскохозяйственных культур и качество растениеводческой продукции.

Определить биоэнергетическую, экологическую и экономическую эффективность почвозащитных орудий.

Объект исследования. Процесс обработки черноземных почв почвозащитными орудиями и технические средства для его реализации.

Предмет исследования. Закономерности влияния орудий для объемной обработки на агробиологические и агрофизические свойства черноземных почв, развитие эрозии, а также на урожайность сельскохозяйственных культур и качество растениеводческой продукции.

Научная новизна заключается в синтезе рабочих органов для объемной обработки пахотного слоя (защищены, патентами РФ на изобретения №№2091997, 2102844, 2102846) улучшающих агробиологическую, противоэрозионную, экологическую, биоэнергетическую и экономическую эффективность применения противоэрозионных орудий при выращивании сельскохозяйственных культур и, в частности, озимой пшеницы и ярового ячменя.

Практическая значимость работы состоит в том, что синтезированные рабочие органы для объемной обработки почвы с противоэрозионным эффектом при испытании в производственных условиях обеспечили положительные результаты по предотвращению эрозии почвы, уменьшив ее в 2-4 раза, и увеличили урожайность зерновых культур - по озимой пшенице на 3,4-4,1 ц/га, а по ячменю - на 4,0-4,7 ц/га.

Методика исследований. В работе использовали общенаучные (анализ и синтез, дедукция и индукция, моделирование) и специфические для агропромышленной науки методы исследований. Теоретические

5 исследования выполнены с применением известных положений, законов и методов классической механики и математики.

Экспериментальные исследования проведены в соответствии с действующими ГОСТами, ОСТами и частными методиками. Обработку полученных результатов проводили с использованием ПЭВМ.

На защиту выносятся:

1. Технология объемного рыхления черноземных почв, осуществляемая плоскорезами с дополнительными рыхлящими элементами.

2. Синтез рабочих органов для реализации технологии объемного рыхления черноземных почв и их рациональные параметры.

3. Показатели эффективности рабочих органов для объемной обработки, улучшающие противоэрозионные агрофизические и агробиологические свойства черноземных почв.

Реализация работы. Результаты исследований внедрены в Ростовской области на 10 тыс.га.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Исследование является составной частью плана НИР Луганского института агропромышленного производства по темам 0.51.01. раздел 04.03.2 (№ гос. регистрации 79001572); 11.04.11. (№ гос. регистрации 01920033257) и 14.01.01. Н4. (№ гос. регистрации 01920033258).

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на 20 семинарах и конференциях разного уровня; ученых советах Украинского НИИ защиты почв от эрозии; Луганского института агропромышленного производства; Луганского национального аграрного университета; на международной конференции МГУ «География и пути решения экологических проблем в современных условиях» (пос. Азау КБА ССР, 1989); Всесоюзной научно-практической конференции «Почвозащитное земледелие с контурно-мелиоративной организацией территории в степной зоне» (Луганск, 1990); симпозиуме «Наука

6 Луганщины в контексте развития региона» (Луганск, 1999); научно-методической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Воронежского государственного аграрного университета имени К.Д. Глинки 2003 года (г. Воронеж, 2003 год); научно-практической конференции «Актуальные проблемы современного земледелия», Луганский национальный аграрный университет (г. Луганск, 2003 год).

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 29 научных публикациях, из них 3 патента на изобретения. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и рекомендаций производству, списка использованных источников, включающих 278 наименований, из них 9 на иностранных языках и 7 приложений. Работа изложена на 123 страницах, из них 104 страниц текста, 29 таблиц, 32 рисунка.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ Главной причиной возникновения эрозии можно считать неправильное использование земельных территорий [39, 175]. И только почвозащитная агротехника обеспечивает надежную защиту почв от эрозии, сохранение и накопление влаги непосредственно в почве [199, 276]. С этой целью применялись и применяются самые разнообразные способы и приемы [251]. Отметим две черты процесса поиска наиболее эффективных способов борьбы с водной эрозией: стремление уменьшить глубину обработок с одновременным совмещением операций [149, 162]. Эродированные почвы отличаются от неэродированных по ряду показателей (ухудшение гидрологического режима, температурного режима, испаряемости влаги), что требует к ним особого подхода [94, 254]. Достаточно долго безотвальная и плоскорезная обработки почвы (вплоть до середины семидесятых годов) рассматривались только как средства защиты от дефляции, но не от водной эрозии, и лишь к восьмидесятым годам это положение изменилось [66, 178, 217]. В настоящее время уже никто не отрицает эффективности безотвальных способов обработки почвы для предотвращения водной эрозии [123, 239, 269]. Таким образом основная задача обработок почвы, помимо подготовки ее для произрастания растений заключается в том, чтобы не дать воде разрушить почву [73, 107].

Однако отдельно взятые противоэрозийные мероприятия не могут остановить эрозию, и она будет продолжать развиваться [200, 201]. Одной из причин этого является то, что в основу положен принцип борьбы со следствиями, а не с основными причинами эрозии [192, 193, 216]. Для того чтобы решить вопрос борьбы с эрозией почв, необходимо сочетание разнообразных приемов [222, 246], но следует заметить, что все способы борьбы с эрозией почв достаточно эффективны лишь в том случае, если они сочетаются с соответствующими орудиями и агротехникой, которая и является в данном случае наиболее существенным и определяющим фактором [93, 126,233].

Противоэрозионная агротехника может основываться на различных способах почвообработки и соответствующих машинах [270, 271, 272], хотя и существует мнение, что основой должны стать плоскорежущие орудия [253]. Основным принципом противоэрозийной агротехники является проведение всех обработок поперек склона или по горизонтали [211, 215]. Агротехнические мероприятия наиболее доступны, высокоэффективны и менее дорогостоящи по сравнению с агролесомелиоративными, биологическими и гидротехническими мероприятиями [184, 188, 236, 276].

Некоторые ученые считают, что черноземы надо пахать на максимальную глубину [31, 217] с уклоном до 2 обычным плугом, а с уклоном от 2 до 3 - плугом, у которого отвал выполнен с вырезом [198] . При глубокой вспашке задерживается до 25% поверхностного стока. Отмечено, что поперечная вспашка в совокупности с лункованием и бороздованием позволяет накапливать в почве на 300-350 т/га больше влаги, предотвращать смыв и увеличивать на 2,5-3,0 ц/га урожай зерновых [203]. Разноглубинная вспашка способствует повышению плодородия [204], а гребнистая вспашка и соответствующий ей плуг с удлиненным отвалом значительно увеличивает противоэрозийную устойчивость пашни [70, 196, 228].

Однако именно при зяблевой пахоте почва наиболее подвержена эрозии [157], поскольку вспашка приводит к существенному изменению водно-физических свойств почвенного покрова, следствием чего является стекание талых и дождевых вод [220]. Отсюда можно сделать вывод, что обычный плуг нуждается в приспособлении его для выполнения почвозащитных функций [213].

Многократная отвальная обработка почвы на склоне ведет к полной потере плодородного слоя почвы и выходу на поверхность подстилающих пород (даже если отсутствует водная эрозия). Защитой от агротехнической и водной эрозии является безотвальная обработка почвы [110, 144]. Она может выполняться плугами без отвала или плоскорезами. Но любая безотвальная обработка эффективна только по стерне. Установлено, что оптимальная высота стерни при этом - 25-27 сантиметров. Безотвальная обработка почвы стерни перед обычной вспашкой преимуществ не имеет [98] . Плоскорезная обработка в значительной мере сохраняет стерню [67] . И во многом за счет стерни обеспечивается высокая устойчивость поверхности почвы от дефляции и водной эрозии [88, 89, 238, 241]; смыв почвы талыми водами уменьшается на ней в 1,5-2 раза [28] . По данным Донского ЗНИИСХ в 1969-73 годах на полях, обработанных плоскорезом, снежный покров был в 2,5-3,0 раза больше, чем на полях с отвальной зябью [44] . По безотвальной обработке возрастает урожайность зерновых, что отмечено рядом исследований в различных почвенно-климатических зонах бывшего СССР [52, 116, 212, 218, 240] . Положительно влияет на урожайность и собственно плоскорезная обработка почвы [148] . В Ростовской области [207] отмечен рост урожайности озимой пшеницы на 2,2 ц/га и лучшая ее перезимовка [95]. В Кустанайской области Казахстана [125] отмечен рост урожайности ячменя на 2,0-2,6 ц/га, что подтверждается и другими исследованиями [109]. В Куйбышевской области в среднем за 7 лет урожайность зерновых по плоскорезной обработке повысилась на 2,1 ц/га по сравнению со вспашкой [72].

В условиях Северо - Востока Украины выявлено положительное влияние плоскорезной обработки на рост урожайности сельхозкультур [54, 62, 82, 242]. Дело в том, что плоскорезная обработка увеличивает запас влаги на зяби [203]. Так, А.Н. Каштанов отмечал, что запас влаги по стерневой обработке в 2 раза выше, чем по другим способам обработки [108]. В условиях Ставрополья запас влаги по плоскорезной обработке в среднем на 15-20 мм выше, а смыв по плоскорезной зяби на 20-35% ниже, чем по другим видам обработок [43]. Во многом это связано также с тем, что при безотвальном рыхлении стерня и растительные остатки препятствуют образованию корки и капиллярному испарению [49]. Так, в условиях Ростовской области отмечено увеличение содержания влаги в полутораметровом слое по плоскорезному пару на 20-30 мм по сравнению с отвальной обработкой [134].

Однако существуют разноречивые данные по эффективности отдельных элементов безотвальной обработки [63, 273]. Некоторые авторы отмечают увеличение стока и смыва по плоскорезной обработке, но при этом наблюдается лучшее расходование влаги в период вегетации [181]. Другие исследователи, указывая на увеличение запасов продуктивной влаги по плоскорезной обработке, отмечают увеличение стока, но уменьшение смыва почвы [71]. Отмечается, что перед посевом озимых влажность почвы в слое 0-10 см по плоскорезной обработке обычно выше [53].

Данные Украинского НИИ защиты почв от эрозии подтверждают, что на склоновых почвах весьма эффективна в противоэрозионном отношении плоскорезная обработка.

Остающаяся на поверхности стерня способствует накоплению снега, который сохраняет от выдувания в зимне-весенний период почву и почвенную влагу. При этом в 1,5-2 раза сокращается сток и

11 ливневых вод. Особенно эффективна плоскорезная обработка черного пара, при которой затраты на выполнение работ сокращаются; почва предохраняется от эрозии и дефляции и в засушливые годы повышается на 2,6-3,0 ц/га урожай озимой пшеницы [22].

Обобщенные экспериментальные данные по плоскорезной обработке склоновых земель Украины говорят о высокой эффективности почвозащитных технологий [180, 219] . Урожаи по плоскорезной обработке в засушливые годы всегда выше или такие же, как по общепринятым. Указывается, что при систематическом четырехлетнем применении плоскорезной обработки почвы наблюдается дифференциация содержания в ней подвижных форм азота, фосфора, калия. В нижележащих слоях происходят качественные изменения, сводящиеся к ухудшению биохимических и сорбционно-обменных свойств, что обусловливало формирование неоднородного узкопрофильного пахотного слоя [81] . При плоскорезной обработке обогащение поверхностного слоя органикой происходит не только благодаря пожнивным остаткам, но и благодаря особенностям корневой системы, что соответствует естественному почвообразованию [146]. При отвальной вспашке растения имеют разветвленную корневую систему в нижней части пахотного горизонта, а при безотвальной обработке - в верхнем слое. Так, в горизонте 0-10 см по плоскорезному фону отмечали 58,7% корней от общего их количества в слое 0-50 см, а по вспашке - 46,8%; в горизонтах 10-20 см и 20-30 см по вспашке наблюдалось 26,3 и 15%, а в слоях 10-20 см и 20-30 см фиксировалось по плоскорезной обработке соответственно 18,8 и 10,0%. Отчасти это связано с тем, что в верхнем горизонте содержание подвижных форм азота, фосфора, калия в результате плоскорезных обработок заметно повышается [7]. Улучшаются механические свойства почвы, возрастают запасы органического вещества в обрабатываемом слое, лучше реализуются элементы плодородия [150, 261]. Значительно, по сравнению со вспашкой, уменьшается вымывание питательных веществ [137]. По сравнению со вспашкой плоскорезная обработка имеет и то преимущество, что рабочие органы плоскореза-глубокорыхлителя работают без существенного смещения отдельных слоев почвы, при вспашке же глубоко погребенный слой может потерять свое плодородие [25].

К недостаткам вспашки на эродированных почвах и склонах можно отнести: потерю гумуса, оголение подпочвы, заплывание, склонность к эрозии, запахивание соломы и остатков химических средств защиты растений, образование плужной подошвы, усиление потребления азота почвы растениями и как результат - их полегание и повышенная поражаемость болезнями; извлечение камней на поверхность и излишнее разрыхление почвы [105]. Плуг работает по принципу сжатия клином, который уплотняет почву до тех пор, пока не будет преодолен предел ее прочности, затем протекает процесс скольжения комковато-глыбистой части пласта по отвалу и оборачивание его без должного рыхления. В результате в глыбах увеличивается объем сплошной капиллярной порозности, а сложение их формирует излишний объем некапиллярной скважности, что усиливает испарение почвенной влаги. Орудия же плоскорезного типа подрезают пласт на заданной глубине, но не обеспечивают оптимального его рыхления, что вызывает необходимость дополнительных обработок [160, 250].

Вспашка под озимые обычно производится по уже пересохшей почве, что приводит к образованию крупных глыб, а их разрушение требует больших энергетических затрат. При этом происходит разрушение почвенной структуры, ухудшение агрофизических свойств пахотного поля. Помимо этого вспашка чрезвычайно энергоемка и уменьшает экономическую эффективность земледелия, на нее затрачивается около 40% энергетических и 25% трудовых затрат от общего их объема на полевых работах [139, 145].

Безотвальные же орудия лишены этих недостатков. Они обеспечивают улучшение физических свойств почвы, защиту ее от эрозии, сохранение гумуса. Более того, черноземы Украины не нуждаются в усиленном рыхлении, так как и без него имеют оптимальную плотность - 1,15-1,25 (см³)[257]. По некоторым данным, плотность почвы в слое 0-10 см по вспашке и плоскорезу может быть одинаковой или близкой по значению [121, 190].

Большое значение имеет способ обработки почвы для борьбы с сорно-полевой растительностью. Хорошо зарекомендовала себя в борьбе с сорняками разноглубинная плоскорезная обработка [41, 224], хотя существуют самые противоположные мнения по поводу влияния плоскорезной обработки на засоренность полей. Так, в Татарстане наблюдалось равное количество сорняков, как по плоскорезной, так и по плужной обработке [38]. В Челябинской области по плоскорезному фону масса сорняков была в 1,5 раза больше, чем по вспашке. В степной зоне Украины В.М.Круть отмечал равное количество сорняков, но при большей густоте стояния зерновых по плоскорезной обработке [122]. Ряд авторов отмечает повышение засоренности по плоскорезной обработке [33, 36, 274, 275], но при одновременном росте урожайности зерновых. Плоскорезная обработка повышает зимостойкость озимой пшеницы [161], а если сев производить стерневыми сеялками, то озимые сохраняются гораздо лучше, чем при вспашке. Помимо этого, под озимыми хорошо накапливается влага. Однако сток по озимой пшенице в условиях Ростовской области превышает сток по ранней зяби [191]. Озимая пшеница лучше использует влагу, а ячмень -менее эффективно [120]. Соответственно озимая пшеница дает среди зерновых наибольшую прибавку при почвозащитной технологии возделывания, ячмень же среди зерновых менее отзывчив в условиях степи Украины [61]. В условиях же Ростовской области растения ячменя по плоскорезной обработке развиваются лучше [92]. Особенно значительно увеличение урожайности зерновых по плоскорезной обработке в засушливые годы (по сравнению со вспашкой). Во влажные годы может наблюдаться обратная картина [268]. Но в любом случае на склонах почвозащитная обработка необходима [158, 237, 238], и большой эффект приносит здесь совмещение операций [229, 259] и комплексный подход [30].

В настоящее время в условиях практически полного освоения земельных ресурсов основным направлением увеличения валовых сборов сельскохозяйственной продукции является повышение урожайности сельскохозяйственных культур. Успешная реализация этого возможна лишь при условиях системного повышения почвенного плодородия [183, 252], важнейшим условием чего является рациональное научно-обоснованное применение удобрений [31]. Это тем более актуально в современных условиях, когда производство удобрений сократилось, а цена их возросла. Поэтому главная задача химизации земледелия на современном этапе состоит в повышении его эффективности путем более рационального применения удобрений, что в свою очередь требует новых подходов, а следовательно, и новых научных исследований в этой сфере [106, 136].

Исходя из вышесказанного, научно-обоснованное применение удобрений должно обеспечить комплексное решение таких задач: достигнуть получения запланированных урожаев сельскохозяйственных культур при наименьших затратах материальных и энергетических ресурсов [50, 164], систематического повышения почвенного плодородия [1], исключения загрязнения почвенных, растительных и водных ресурсов агрохимикатами [29, 195, 234].

И хотя все эти задачи взаимосвязаны и взаимообусловлены, то есть образуют систему, главным звеном ее является почвенное плодородие [266]. Это подтверждает и практика современного земледелия, которая свидетельствует, что реального прироста урожайности сельскохозяйственных культур можно достичь только в условиях прогрессирующего повышения плодородия почв, улучшения их агрофизических, физико-химических и биологических свойств, питательного режима и противоэрозийной устойчивости путем научно-обоснованного применения систем обработок, удобрений и мелиоративных приемов [45, 266]. Для того чтобы полностью использовать потенциал агрохимических способов повышения плодородия, следует на основании исследований установить оптимальные параметры агропроизводственных особенностей пахотных земель, которые позволяют достигать запланированной продуктивности растений и высоких качественных показателей урожая.

Решающим фактором, отображающим степень окультуренности почв, есть наличие в них органических веществ, что определяет нормальное протекание биологических процессов и функций почвы, обеспечивает стабильность экосистем и агроценозов [231]. Органическое вещество почвы на протяжении всей истории жизни на Земле выступало как важнейший регулирующий механизм ее41 развития. Особенное значение гумуса состоит в том, что он является

16 основным источником энергии, необходимой для наличия разнообразных почвенных процессов, связанных с превращением минеральных веществ, для протекания биосинтетических реакций и жизнедеятельности микроорганизмов [6, 77]. Гумус выступает изначальным фактором, обеспечивающим стабильность качеств почвы; он служит источником элементов питания для растений, физиологически активных веществ, выполняет роль ингибитора и катализатора химических и биологических процессов в почвах [5].

Разноплановое значение гумуса в жизни почвы и растений ставит проблему органического вещества в ряд наиболее важных и пока еще трудно разрешимых проблем в почвоведении и земледелии. Сложность данного вопроса состоит в том, что, несмотря на множество исследований в этом направлении, ряд аспектов и сегодня не имеет должного объяснения. Наиболее сложным моментом на протяжении всей истории изучения гумуса является механизм создания гумусовых веществ. Теории гумификации органических остатков в почве, предложенные И.В.Тюриным [232], М.М.Коновой [114], Л.Н.Александровой [4], Д.С.Орловым [179], хотя и раскрывают основные закономерности и условия создания гумуса в почве, однако отдельные аспекты гумификации экспериментально не доказаны, что негативно сказывается на решении практических вопросов современного земледелия.

Известно, что ввод целинных земель в сельскохозяйственное производство сопровождается нарушением взаимосвязей между почвой и растениями собственных природных биогеоценозов, вследствие чего изменяется характер круговорота биологических веществ и всего почвенного режима. В первую очередь это сказывается на превращении органического вещества в почвах и проявляется в отставании процессов новообразования гумусовых веществ от их минерализации [101]. По данным Г.Я.Чесняка [247], среднегодовые потери гумуса на протяжении последних 100 лет в черноземах типичных составили 0,7-0,9 т/га, в обыкновенных - 0,5-0,7 т/га. Одновременно с этим многочисленные исследования показали, что распашка целинных земель приводит к заметному снижению гумуса лишь в начальный период использования почв, а в дальнейшем этот процесс компенсируется за счет процессов гумификации. Однако стабильный уровень гумуса в пахотных почвах, характерный для периода экстенсивного земледелия, был резко нарушен в период внедрения интенсивных технологий выращивания сельскохозяйственных культур, основанных на усиленных механических воздействий на почву и массовом применении химикатов. В большинстве случаев это привело к широкому развитию глобальных процессов деградации гумуса, снижению плодородия и коренному ухудшению экологической обстановки в почвах. Причем в настоящее время эти процессы не только не ослабевают, но и усиливаются.

Ряд авторов [23, 65, 186, 179, 248] утверждают, что существует ряд причин потерь гумуса в пахотных землях. Для богарных условий основные из них таковы: - уменьшается количество растительных остатков, которые остаются в почве при замене природных биоценозов агроценозами; усиливается минерализация органического вещества в результате интенсивной обработки и повышения степени аэрации почвы; - нарушается корневая система растений, вследствие чего их влияние на почву в процессе жизнедеятельности происходит в течении более короткого срока, нежели в природных условиях; - увеличиваются эрозионные потери гумуса.

Среди других причин снижения содержания органического вещества в почве можно назвать биодеградацию гумуса, связанную с влиянием физиологически кислых удобрений и активацией микрофлоры в результате внесения туков. Поскольку факторы, которые негативно влияют на процесс гумификации и создание гумуса в почвах, достоверно установлены, есть возможность обоснования и разработки практических методов, которые позволят обеспечить создание оптимального режима накопления органического вещества в агроценозах. При этом можно считать, следует исходить из того, чтобы максимально приблизить условия почвенных процессов в вещественном и энергетическом отношениях к тем природным первоначальным условиям, какие существуют в биоценозах. Так, усиленную минерализацию органического вещества в связи с интенсивным воздействием орудий и ходовых частей машин следует уменьшать путем усовершенствования систем обработки почвы [46], использования менее энергоемких технологий выращивания сельскохозяйственных культур, исключения или совмещения отдельных операций и др. Увеличение поступления органических веществ в почву можно обеспечить и путем оставления на полях пожнивных остатков, внесения навоза, компостов, посева сидератов, пожнивных и поукосных культур [117]. Особого внимания заслуживают многолетние травы, площади под которыми следует расширять, поскольку они одновременно с обогащением почвы свежим растительным материалом выполняют и ряд других важных функций, основная из которых связана с позитивным влиянием жизнедеятельности корневой системы на почву, что в полной мере соответствует природным закономерностям [9].

Для уменьшения негативного влияния, которое оказывает применение физиологически кислых удобрений на процессы гумусообразования, необходимо увеличивать применение веществ, содержащих кальций. Процессы, связанные с утратой гумуса в следствие эрозии, весьма очевидны и не требуют особого теоретического анализа, хотя сама разработка приемов защиты почвенного покрова от эрозии требует научного исследования [134, 244].

Оценка гумусного состояния почв, а также создание и сбережение гумуса невозможны без научно обоснованных рекомендаций. При этом следует учитывать не только количественные, но и качественные показатели режима накопления органических веществ, важнейшими из которых являются содержание и запасы гумуса в почве, обогащение его азотом, а также тип гумуса. Сведений об оптимальном уровне гумусного состояния почв для различных зон явно недостаточно.

Важным изначальным условием почвенного плодородия являются физические характеристики почв и связанные с ними водный и воздушный режимы. Поэтому изучение закономерностей изменения структурного состояния, водопрочности почвенных агрегатов, твердости, плотность почв в процессе сельскохозяйственного использования и определение их оптимальных значений позволяет научно обоснованно и экономически целесообразно проводить агротехнические и агрохимические мероприятия, направленные на повышение почвенного плодородия и продуктивности выращиваемых культур [35, 147].

Особенного внимания заслуживает изучение питательного режима, который характеризует обеспеченность почв элементами минерального питания и тесно коррелирует с урожайностью сельскохозяйственных культур [96,113].

Известно, что наиболее эффективным приемом улучшения агрофизических и биологических свойств почв, питательного режима, противоэрозионной стойкости является применение органических и минеральных удобрений [102, 131]. Однако это требует дальнейшего изучения, так как при установленной общей тенденции в изменении свойств почв под влиянием удобрений имеется немало данных, свидетельствующих о негативном влиянии минеральных удобрений. Особенно это касается их дозировки, так как при систематическом внесении минеральных удобрений, особенно на малогумусных почвах, возникают негативные изменения в почвенном комплексе, в численности отдельных групп микроорганизмов и направленности биологических процессов. При этом может нарушиться структура пахотного слоя, его агрегатный состав, а также водный, тепловой и воздушный режимы и, в конечном итоге, ухудшиться условия роста и развития растений.

Экономическая ситуация, которая имеется сегодня в агропромышленном секторе, обусловливает необходимость изучения ранее неиспользовавшихся или неизвестных резервов применения минеральных удобрений. Поэтому важным направлением являются исследования минерального питания по фазам роста и развития растений, условиям их произрастания при комплексном использовании различных удобрений на основе их сбалансированного применения [135].

Сегодня в практике сельскохозяйственного производства удобрения применяют по выносу из почвы элементов полученным урожаем, исходя из результатов агрохимического анализа почвы и коэффициентов использования элементов питания растением. Но такой способ расчета доз не учитывает других факторов, влияющих на эффективность удобрений. Известно, что лучшая мобилизация потенциальных возможностей растения в формировании урожая происходит при сбалансированном питании. При нарушении оптимального соотношения питательных веществ в почве или дефиците одного какого-либо элемента может затруднить потребление и использование другого. Поэтому оценку обеспеченности культурных растений минеральным питанием необходимо проводить не только по содержанию отдельных элементов, но и по их соотношению [243]. Если оптимальное содержание элементов в почве характеризует количественную сторону, то соотношение элементов - качественную сторону питания растений [87, 205, 243].

Основные макроэлементы в почве не всегда находятся в необходимом для растений состоянии, а их количество зависит от особенностей почвы, предшественников и др. Хотя почва имеет природную, генетически обусловленную способность поддерживать баланс всех элементов, имеющихся в растении, однако в интенсивном земледелии основная роль в создании в почве оптимальных количественных пропорций N:P:K принадлежит удобрениям, состав которых может соответственно отвечать потребностям растений в получении запланированных прибавок урожая [24, 86]. Многочисленные исследования в различных почвенно-климатических условиях однозначно свидетельствуют о положительной роли органических и минеральных удобрений в повышении обеспеченности почв элементами питания [143, 165, 197]. В ряде научных публикаций приведены математические зависимости между дозами минеральных удобрений и содержанием основных макроэлементов почвы, оптимальные уровни питательного режима пахотных земель и нормативы затрат удобрений для достижения заданного уровня содержания азота, фосфора, калия [112, 169, 170, 205]. Они позволяют с помощью удобрений регулировать содержание и соотношение основных элементов в почве в соответствии с потребностями возделываемых культур. При этом высокая динамичность показателей питательного режима, зависимость их от почвенных и погодных условий, а также отсутствие унифицированных надежных методов определения азота, фосфора и калия в почвах затрудняют эффективное применение удобрений в производственных условиях [147]. Благодаря динамичности почвенного плодородия, изменяющегося в процессе вегетации культур, часто возникает необходимость в определении потребностей растения, чтобы выяснить недостатки их питания. Поэтому с целью оптимизации минерального питания каждой культуры севооборота [32, 47, 99], наряду с учетом почвенных факторов, необходимо учитывать биологические особенности растений в отношении потребления питательных веществ и установления их химического состава. Это успешно реализуется путем комплексного применения методов диагностики растений. По результатам анализа растений можно оценить их доступность разным видам элементов питания и удобрений, установить взаимодействие питательных веществ при их поступлении в растения, узнать потребность культур в конкретных элементах по периодам формирования урожая.

При этом следует исходить из того, что оптимальные уровни содержания элементов минерального питания в растениях практически мало изменяются в зависимости от сорта культуры, региона ее выращивания, поскольку являются их физиологическими характеристиками, то есть состав сельскохозяйственных культур -достаточно стабильная величина, и всякие отклонения от нее вызываются изменениями условий питания [87, 112].

Таким образом, если анализ почвы позволяет определить сбалансированность элементов в почве необходимое количество удобрений для достижения заданного соотношения азота, фосфора и калия, то результаты химического анализа растений дают возможность установить степень обеспеченности посевов питательными веществами в период вегетации с целью улучшения системы применения удобрений, прогнозирования величины урожая и его качества. Сопоставление показателей анализов почвы и растений между собой и с показателями продуктивности и качества урожая является научной основой для оптимального минерального питания растений.

В рамках основного направления научных исследований в области химизации земледелия важное место занимают исследования оптимального применения минеральных удобрений в комплексе с другими агротехническими приемами [225, 245, 255], с целью расширения возможностей управления продуктивностью и качеством урожая выращиваемых культур [194]. Актуальность этого направления исследований обусловлена необходимостью применения на эродированных почвах почвозащитных технологий возделывания сельскохозяйственных культур, основанных на комплексном применении разноглубинных отвальных и безотвальных систем обработки почвы с элементами минимализации. Это позитивно влияет на ход и направленность процесса создания почв и требует теоретического обоснования основных элементов системы удобрения сельскохозяйственных культур в отношении дозировки, сроков и места внесения в севооборотах.

В результате многолетних исследований ряда научных учреждений [34, 124, 158] можно сделать вывод, что эффективность удобрений практически не зависит от способа основной обработки почвы, а в отдельные, особенно засушливые годы, она повышается на безотвально обработанных фонах в сравнении с действием туков при отвальной вспашке. Ряд авторов [42, 64, 267] отмечают, что эффективность применения удобрений значительно снижается при плоскорезной обработке в сравнении с использованием их на фоне вспашки, она во многом зависит от наличия влаги в период вегетации. Важное значение имеет изучение эффективности туков при комплексном применении их совместно с органическими удобрениями [159]. Успешное решение этого вопроса позволит достичь значительной экономии минеральных удобрений без снижения выхода растениеводческой продукции [226].

И, наконец, особого внимания в системе научных исследований по агрохимическому обеспечению получения продукции в растениеводстве заслуживает проблема улучшения качественных показателей урожая сельскохозяйственных культур и снижения загрязнения природной среды. Хотя биохимические качества урожая являются характерными видовыми показателями данной культуры, интенсивность их проявления в значительной мере зависит от ряда условий и, в первую очередь, от обеспеченности растения элементами питания. В этой связи перспективным является поиск путей более эффективного влияния на качество продукции через направленное применение удобрений в комплексе с другими приемами земледелия, в том числе обработкой почвы [56, 230].

Одной из основных сторон интенсивной технологии является ее экологическая безопасность. Последняя может быть достигнута за счет снижения интенсивности применения химических средств, оптимизации технологии их применения, а также усовершенствования методов исследований с охватом более широкого круга вопросов, включая влияние агрохимикатов и их соединений в сочетании с агротехническими приемами на поступление и накопление в продукции растениеводства и иных объектах внешней среды токсичных веществ [103]. Поэтому при оценке качества урожая невозможно обойтись только содержанием основных веществ, которые отражают хозяйственную ценность культуры. Необходимо исследовать и показатели, которые отражают и негативное влияние средств химизации: содержание нитратов, тяжелых металлов, остаточных количеств пестицидов. Успешное решение рассмотренных вопросов позволяет теоретически обосновать, а на практике усовершенствовать приемы эффективного применения удобрений в земледелии, прогнозировать возможные последствия и отыскивать оптимальные варианты по управлению биодинамическим равновесием в агроценозах.

Таким образом, проанализировав рассмотренные научные источники, можно отметить, что имеется диалектическое противоречие между потребностями и возможностями земледельческой технологии и ее фактическим состоянием.

Одним из выходов в данной ситуации является создание агрегатов и орудий комбинированного действия, так как орудие комбинированного действия, реализующее какой-либо способ обработки, имеет более широкий спектр технологических воздействий на почву, чем обычное орудие, но по устройству оно более простое, чем комбинированный агрегат, состоящий из ряда монофункциональных рабочих органов, которые в совокупности оказывают комбинированное воздействие на почву [128].

Рассмотрим один из распространенных комбинированных агрегатов - АКП-2,5. За один проход он выполняет рыхление верхнего слоя почвы на 0-8 см, рыхление нижнего слоя на 10-16 см, подрезание сорняков, выравнивание поверхности и дробление глыб, а также уплотнение нижних и рыхление верхних слоев почвы. После прохода этого агрегата не требуется дополнительных обработок, кроме предпосевной культиваци [142, 171, 229]. Известны и другие комбинированные агрегаты [119, 127, 141, 163].

Однако для борьбы с дефляцией почвы актуальными являются почвозащитные плоскорежущие орудия, их совершенствование и придание им функции комбинированного воздействия на почву. Пути их совершенствования могут быть различными [80, 202]; определенный интерес в связи с этим представляют следующие разработки: а.с. №112234, где описано рудие, в котором непосредственно на лапе плоскореза жестко крепятся зубья для рыхления почвы [10], и а.с. №134447, в котором описана поворотная лапа с шарнирно закрепленными на ней зубьями [11]. Известны и другие подобные разработки, например, плоскорежущая лапа с треугольными ножами, установленными сверху [111], или с зубьями, установленными непосредственно на лемехах [130], а так же некоторые другие[12, 65, 77, 98, 99].

Подводя итоги изложенному можно сказать, что при многих положительных сторонах плоскорезной обработки (уменьшение смыва в виду сохранения пожнивных остатков и стерни, сокращение расхода влаги в период вегетации культурных растений, большее влагонакопление, повышение урожайности зерновых по сравнению со вспашкой, особенно в экстремальные годы), она имеет и ряд недостатков. К ним можно отнести: дифференциацию пахотного горизонта и формирование узкопрофильного пахотного слоя, недостаточное рыхление и крошение обрабатываемого пласта. Особенно наглядно проявляется этот недостаток, если упущены оптимальные агротехнические сроки обработки почвы, и она пересыхает.

Проведя патентный поиск и рассмотрев различные изобретения, направленные на защиту почв от эрозии, можно сделать вывод, что во многих изобретениях не учитывается агроэкологическая специфика зоны степи и, в частности, почвенно-климатических условий бассейна реки Северский Донец. Помимо этого нужно учитывать, что новые способы и орудия для борьбы с эрозией почв должны быть более эффективными и доступными при внедрении и поэтому их следует усовершенствовать с учетом специфики региона.

В конечном итоге можно сделать вывод, что назрела необходимость в создании орудий, которые совмещали бы в себе достоинства и плоскореза, и плуга. То есть назрела необходимость осуществлять противоэрозионную объемную обработку почвы или, говоря другими словами, рыхление почвы одновременно в горизонтальной и вертикальной плоскостях, причем с сохранением на поверхности почвы стерни и пожнивных остатков без нарушения естественного строения почвенных горизонтов.

На основании изложенной научной и патентной информации можно сформулировать рабочую гипотезу, суть которой сводится к следующему. Дополнительное - объемное (вертикальное совместно с горизонтальным) рыхление почвы, осуществляемое синтезированными для этого орудиями, должно усиливать эрозионную устойчивость почвы, то есть улучшать ее водные, физические и агробиологические свойства, а это, в свою очередь, будет способствовать увеличению продуктивности сельскохозяйственных растений. Было также предположено, что объемная обработка почвы должна быть более эффективна в энергетическом, экономическом и экологическом отношениях по сравнению с существующими способами обработки.

При рассмотрении обычной плоскорезной обработки можно убедиться в том, что она не обеспечивает достаточного разрыхления корнеобитаемого слоя, который расположен под плоскостью крыльев лап плоскореза. Косвенным образом об этом можно судить по коэффициенту гребнистости, который на ранней отвальной зяби составляет 1,08-1,11, а по плоскорезной обработке - 1,12-1,14 [189] и по водопроницаемости, которая в опытах Донского ЗНИИСХ составляет по плоскорезной обработке в среднем за 4 часа 2,74 мм/мин, а по отвальной вспашке - 2,54 мм/мин. Кроме того, имеются данные о том, что агрегатный состав в слое 0-20 см по по обычной плоскорезной обработке составляет: размер агрегатов более 10 мм -44,5%, от 0,25 до 10 мм - 17,0%, менее 0,25 мм - 38,5%, а по обычной вспашке 34,0; 39,0; 27,0% соответственно [192]. Приведенные данные наглядно демонстрируют недостаточность разделки почвы плоскорезами.

Качество рыхления может быть объяснено тем, как происходит обработка почвы плоскорезом. Это орудие, подрезая почву, заставляет ее подниматься волной при движении по крыльям. При этом почва растрескивается по линиям, перпендикулярным направлению движения плоскореза. Почвенная волна оседает за задним обрезом плоскореза в виде крупных агрегатов, называемых агрономами-практиками «чемоданами»; Чтобы избежать этого, необходимо добиться объемной обработки пахотного слоя почвы, чтобы в результате воздействия орудия не происходило образования крупных почвенных агрегатов, требующих дополнительной разделки. Для этого необходимо добиться образования трещин обрабатываемого пласта по всем направлениям, что улучшит влагообеспеченность сельскохозяйственных растений. У обычного плоскореза образуются большие разломы поверхности почвы, через которые происходит чрезмерное испарение почвенной влаги; усугубляет этот процесс и крупная глыбистость почвы, плохая ее выровненность. Если же при объемной обработке почвы можно добиться лучшего рыхления и крошения с одновременным улучшением выровненности ее поверхности, то это уменьшит испарение влаги, следовательно, при этом влаги больше накопится в почве, что в свою очередь, позволит лучше развиваться растениям [177]. Это положение можно подтвердить следующим. По данным Кулундинской опытной станции, на отвальной зяби глубиной 16-18 см в среднем за 6 лет запасы доступной влаги в метровом слое составили в период всходов озимой пшеницы 81 мм, в период кущения - 46 мм, в фазу налива - 34 мм, а по плоскорезной обработке на ту же глубину - 71 мм, 68 мм, 27мм соответственно [100]. Из приведенного примера видно, что обычная вспашка может быть более эффективной по влагонакоплению именно за счет недостатков плоскорезной обработки, описанных выше.

Поскольку анализ недостатков плоскорезной обработки показал, что необходимо осуществлять объемную обработку пахотного слоя, для ее реализации было разработано орудие, состоящее из плоскорежущей лапы и установленного за ней активного рыхлителя с рыхлящими элементами (патент РФ №2102846 «Рабочий орган для основной обработки почвы» [187], прил.1). Кроме этого, были осуществлены и другие подобные разработки - «Плоскорежущий рабочий орган» (патент РФ №2102844, прил.2 [186]), «Плоскорежущий рабочий орган» (патент РФ №2091997 [185], прил.З), «Вибрационный рыхлитель» а.с. №1725781 [21], прил.4). Предложенные орудия и рабочие органы для объемной обработки почвы исследовались в различных почвенно-климатических условиях Каменского и Купянского районов зо Ростовской и Харьковской областей, имеющих общую черту - опыты проводились в зоне большого водосбора реки Северский Донец. Более подробная информация об орудиях, с помощью которых закладывались опыты, приведена в прил.4.

Кроме противоэрозионных рабочих органов были разработаны способы возделывания культурных растений, усиливающие противоэрозионный фон - «Способ возделывания озимых колосовых на склонах» (а.с. 1496662) [20] и «Способ ухода за зерновыми культурами» (а.с. 1766292) [22].

Подводя итоги изложенному можно сказать, что при многих положительных сторонах плоскорезной обработки (уменьшение смыва в виду сохранения пожнивных остатков и стерни, лучшее расходование влаги в период вегетации сельхозрастений, большее влагонакопление, повышение урожайности зерновых по сравнению со вспашкой, особенно в экстремальные годы) она имеет и ряд недостатков. К ним можно отнести: дифференциацию пахотного горизонта и формирование узкопрофильного пахотного слоя, недостаточное рыхление и крошение обрабатываемого пласта. Особенно наглядно проявляется этот недостаток, если упущены оптимальные агротехнические сроки обработки почвы и она пересыхает.

Рассматривая различные изобретения, направленные на защиту почв от эрозии, можно сделать вывод, что во многих изобретениях не учитывается агроэкологическая специфика зоны степи и, в частности, почвенно-климатических условий бассейна реки Северский Донец. Помимо этого, следует учитывать, что новые способы и орудия для борьбы с эрозией почв должны быть более эффективными при внедрении и поэтому их следует

31 экспериментально совершенствовать с учетом конкретной специфики региона.

Сказанное можно обобщить и представить графически, как это показано на рис. 1. На данном рисунке мы видим как происходит укладка почвенных пластов при вспашке. Это классический рисунок, демонстрирующий последствия работы плуга. На рис. 2 представлена принципиальная схема работы безотвального рабочего органа для основной обработки почвы; и видно как «вспушение» пахотного пласта, так и образование крупных агрегаций, могущих нарушать водный режим - «чемоданов». На рис. 3 представлено последействие орудия нового поколения, совмещающего в себе достоинства и плуга, и плоскореза. Это так называемое «объемное рыхление». Лучшая разделка почвы с получением большего числа агрономически ценных частиц при несколько больших потерях стерни, но при достаточном сохранении противоэрозионного фона.

В конечном итоге, можно сделать вывод, что назрела необходимость в создании орудий, которые совмещали в себе достоинства и плоскореза, и плуга. То есть необходимо осуществлять противоэрозионную обработку почвы или, говоря другими словами, рыхление почвы одновременно в горизонтальной и вертикальной плоскостях, причем с оставлением на поверхности почвы стерни и пожнивных остатков без излишнего нарушения естественного строения почвенных горизонтов.

В результате анализа научной и патентной литературы может быть сформулирована цель работы: повышение урожайности сельскохозяйственных культур за счет совершенствования технологического процесса обработки почвы.

,*,,,ж:,, .^,:.:,:.::,^, Рис. 1 Основная обработка почвы - вспашка отвальная

_\і) .;;,,:::: :_; ^ V ". 4 і )\ і ч А\ J /

ПЛ/УПА У _|^ЧуггГГГУГ:ГГГГСУГ!У

Рис. 2 Основная обработка - безотвальная вспашка . і і J_J^:i

Рис. З Основная обработка - объёмная

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи исследования:

1. Выбрать рациональные характеристики рыхлящих элементов орудий, синтезированных на основе плоскорезов, для осуществления объемной противоэрозионной обработки почвы.

2. Экспериментально установить влияние почвозащитных орудий для объемной обработки на агрофизические, агробиологические и противоэрозионные свойства черноземов.

3. Выявить влияние предложенных технических решений на урожайность зависимость сельскохозяйственных культур и качество растениеводческой продукции.

4. Определить биоэнергетическую, экологическую и экономическую эффективность почвозащитных орудий.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПОЧВОЗАЩИТНЫХ ОРУДИЙ ДЛЯ ОБЪЕМНОЙ ОБРАБОТКИ ЧЕРНОЗЕМНЫХ ПОЧВ

Орудия с плоскорежущими рабочими органами, используемые при почвозащитной системе земледелия, не всегда отвечают задачам качественного рыхления почвы до необходимого мелкокомковатого ее состояния из-за своих конструктивных особенностей, а также особенностей физико-механических свойств почвогрунтов.

При совмещении плоскорезной обработки почвы с функциональными возможностями зубьев бороны (рис.4) обеспечивается рыхление почвы практически во всем объеме обрабатываемого слоя.

В качестве прототипа были выбраны серийные плоскорезы типа КПГ .

Выбор места расположения зубьев бороны. Поскольку назначением зубовых борон является заключительная обработка почвы после плуга или культиватора, очевидно, что в предлагаемом плоскорезе зубья бороны должны быть установлены в зоне максимального крошения почвы лапой плоскореза [51]. Возможные варианты комбинации зубьев различной формы и параметров на основе методов математической комбинаторики представлены в прил.7, табл.2.

Работа плоскореза, как клина, протекает неравномерно во времени -чередующимися циклами. Каждый цикл состоит из нескольких фаз (рис.5). В начале цикла клин уплотняет почву (рис.5, а), перемещая ее частицы перпендикулярно рабочей поверхности (например, точка П перемещается в точку П'). При достаточном уплотнении пласт начинает изгибаться (рис 5, б). Отметим также, что пласт более связанных почв изгибается в этом случае больше [40].

Рис.4. Схема работы комбинированного рабочего органа А - зона необработанной почвы, Б - область рыхления почвы лапой плоскореза; В - область объемного рыхления, максимальная обработка грунта. 1 - стойка плоскореза; 2 - лапа плоскореза; 3 - зуб бороны

Третья фаза - сжатие почвы до критического состояния, которое обусловлено прочностью почвы. При этом наступает момент скалывания почвы, и сколотый ., участок сдвигается по некоторой плоскости, имеющей направление, параллельное перемещению частиц при сжатии (рис.5, в) [51].

Длительность одного цикла работы клина составляет от одного (пересохшие почвы) до нескольких сантиметров [40]. Таким образом, на лемехе плоскореза типа КПГ полностью укладываются самые длинные циклы разрушения почвы.

Поэтому даже наиболее разрушенные, а следовательно, оказывающие минимальное сопротивление обработке зубьями бороны участки почвы находятся за лемехом плоскореза (рис.6). *^N Соответственно, для размещения рыхлящих элементов в продольно- вертикальной плоскости XOZ (рис.4) с точки зрения уменьшения тягового сопротивления целесообразно выбрать зону Б (рис.6).

Зубовые бороны являются самыми простыми и универсальными орудиями, с помощью которых производится рыхление, перемешивание почвенных частиц. Поэтому в качестве орудия для обработки почвогрунта в продольно-вертикальной плоскости остановимся на модифицированном варианте зубовой бороны [133]. * Известно, что движение борон, зубья которых размещены на раме «Зиг-Заг» в горизонтальной плоскости ХОУ отличается неспокойным змеевидным ходом. Схема треугольной бороны, брусья которой образуют равнобедренный треугольник, имеет то преимущество, что боковые силы, действующие на зубья, уравновешиваются между собой. Борона с треугольной рамой идет спокойнее, но для большого числа зубьев она является громоздкой. При небольшом количестве зубьев треугольная рама хорошо себя зарекомендовала и ее широко используют в культиваторах и орудиях, предназначенных для специальных работ [40]. ::t:::x: ::1:::1:: _i_;x. x;x хлц >Т>*ч^ :ї::;Сі:::ї ^^^^^^Щ^^ ггглг :л .Л :х|лі ..і...Ш.:..і...л.. .1:..1.,. .1...5... 1.:.1. ..1: :.i.:.j....i.,:.t...i.. "41'..:..../ 'cuUi-xlili їf T-?Tti..T-^tTtf :r; rtrr, 1 tc :ххл!::хд:л:л:;хЛ:л(:л"^ .;.;.!...r ^a)

В ->-i-. _ж ..,..

ЛХІїЛ'":':.,--, хллхіххх;

Г.ї.ї. І7СІ "і" 1"' Ч - -Г-Г-.-;. ?Г#?Т.,.Г,Г.".Г.?.Т. Mj:.:.!±r.:xtH'i: :(1;:j.:.:.l:..i; ;du.:ix; сел:: ;.;. .[.і.і..:. C±r, Г ' *<К":Г"

Л ",T"iTi ,"f'v _S& ;.т::.=:;л<:.„.. _й№^;адг; *~«<..;.... I.... :^....5..,. ., :,.._v._v,:.,.:..,l,.L,.,z:.,..;,.;.,...,..i...;..,.:.,..i...J..,.:.;:::t,..„. ^:_--aife'-- qxprr r-f"r !-(-;'[-(;-;-"—[- т::ліхд:.'.і.Ь:л:лЬ:.;:гл:: '*-...i.,:_:;..: ці., j... .і: ¹-'^:-^Л;т :і".т

Рис. 5. Фазы рабочего процесса клина (плоскореза): а - уплотнение (сжатие); б - изгиб пласта; в - скалывание. N - нормальные силы; ф - угол скалывания; а - угол клина для плоскореза типа КПГ = 25

Рис. 6. Деформации грунта, производимые плоскорезом типа КПГ: Зона А - необработанного грунта; Зона Б - максимального разрушения почвы. 1 - долото; 2 - лапа плоскореза

Таким образом, размещение рыхлящих элементов для объемного рыхления почвы в продольно-вертикальной плоскости (XOZ) можно осуществить на треугольной раме, жестко закрепленной на подлапниках плоскореза (рис.7), причем звенья этой рамы закреплены симметрично, что улучшает устойчивость движения в горизонтальной плоскости ХОУ. Движение пласта в вертикальной плоскости будет происходить согласно рис.8.

Выбор формы зубовидного рыхлителя. Как известно, на тяжелых и средних боронах устанавливаются зубья квадратного сечения со стороной квадрата 16 мм. Зуб работает как двухгранный клин. Переднее его ребро раскалывает почву, а грани раздвигают ее в стороны, сминая и перемешивая частицы грунта. Сечение борозд имеет треугольную форму и заполнено рыхлой почвой. Деформация почвы распространяется от острия зуба вверх под углом 0 = 25-36 к вертикали и доходит по глубине до конца зуба, где зона деформации должна иметь некоторое перекрытие с зоной деформации почвы соседним зубом. [91].

Несмотря на то, что сопротивление почвы после прохода лапы плоскореза приблизительно равно сопротивлению легких почв, условия работы зуба, направленного от дна борозды к дневной поверхности (снизу - вверх), являются нагруженными. Принимая это во внимание, материалоемкость зубового рыхлителя будем полагать аналогичной материалоемкости зубьев средних и тяжелых борон.

Учитывая, что площадь поперечного сечения стандартного зуба квадратного сечения составляет Si = 16x16 =256 мм², определим условие выбора исходной заготовки для зубовидного рыхлителя проектируемого орудия как S2 (площадь поперечного сечения заготовки) > Si.

Рис.7. Схема комбинированного орудия для объемного рыхления почвы на базе плоскореза типа КПГ:

1 - долото; 2 - плоскорежущая лапа; 3 подлапник; 4 - модифицированная жесткая рама звена треугольной бороны; 5 - сечение зуба бороны

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТБЕННАЯ

БИБЛИОТЕКА

_шШ

Рис. 8. Схема работы рабочего органа для объёмной обработки в почве - рабочий орган; - рыхлящий элемент; - почва до обработки; - «почвенная волна»; - разрыхлённая почва; - стерня.

Из круглых профилей проката наиболее близкими и удовлетворяющими ограничению S2 > Si являются прутья диаметром d =20 мм и сечением Sz

7td² 3,14.20² ₂ о₂ = = =314 мм

Круглые прутья в качестве заготовки дают возможность производства предлагаемого орудия в условиях сельских мастерских, в том числе фермерских хозяйств, путем переоборудования имеющихся плоскорезов типа КГТГ. По В.П. Горячкину, клин - единственно возможная форма грунтообрабатывающей машины или орудия [91].

Для обеспечения работы зуба предполагаемого рыхлителя как двугранного клина достаточным будет формирование профиля поперечного сечения зуба, показанного на рис.9, состоящим из двух частей - ACD и ADE, причем для обеспечения режима резки необходимо заострение передней части ACD по фаскам АС и CD с закруглением передней режущей кромки радиусом г = 3 мм.

Обозначим площадь S3 сечения Б - Б зуба, тогда из условия обеспечения прочности получим: S2=S3. = Sacd+Sade. (і)

Полагая в первом приближении форму контура ACD треугольной, получим: S_AACD = > LL_I ₍2)

Контур ADE можно считать полукругом, радиусом AB=BD=0,5d, тогда: W = ^r = 0,5.S₃=0,5.S₂ (3) тг-d² 2-4 \AD\-\CB\_S₂ {l), получим і III ^"^ 2.

Учитывая (1), получим г = — , откуда: (4) ¹ ' \AD увеличено

Рис. 9 Форма зуба г - радиус закругления; у- угол грани к линии движения; h - высота зуба но S₂ =4-, a d=|AD| (6)

Тогда \CB = ——- = — = 15,7лш (7) ¹ A'd 4

Из прямоугольного треугольника ДАВС находим tgV, определяющий угол наклона боковой грани АС к направлению движения: \АВ\ tgy = jz^\, но |AB|=0,5|AD|=0,5d, а (8) і і fid \Щ = — (по (7)), (9) / 0,5-^-4 2 _Л,. тогда ^/ = -^ = -^^ = - = 0,64 ₍₁₀)

2* — 4 откуда: V= arctg 2/тс, V= 32,6=33.

Как известно, напряжение растяжения и сдвига, возникающее при скольжении материала по лезвию характеризуется меньшим временным сопротивлением, чем деформация сжатия [133]. Соответственно, разрыв связи между частицами почвы облегчается при резании с одновременным проскальзыванием грунта вдоль рабочих граней клина. Поэтому обеспечение режима скольжения грунта по рабочим граням является необходимым условием оптимальной работы рыхлящего зуба. Рассматривая силы, действующие на зуб [91, 133] (рис.10), установим, что для режима скольжения грунта по грани необходимо выполнение условия P-cos у> F , но максимальное значение F = N-tg ф, а N = P-sin у. ^N/<

\?Cq%4

Рис. 10 Силы, действующие на грунт F - сила трения; ф -уголтрения; у - угол грани к линии движения; N - нормальное давление грани на почву;

Р - давление почвы на грань зуба по линии движения.

Соответственно F = P-sin ytg ф, тогда условие, данное в выражении P-cos у> F , запишем в виде: P-cos у> P-sin ytg ф; ctg у> tg ф; tg (90-у)> tg ф, поэтому условие скольжения грунта по грани представимо в виде: у<90-ф. Согласно [133], угол трения ф для разных почв колеблется от 14до 42. Таким образом, у должен быть менее 48. Полученное в результате расчета значение у приблизительно равное 33 вполне удовлетворяет вышеуказанному требованию.

Кроме того, полученное значение V приближается к углам граней реально работающих зубьев квадратного сечения, где V=45.

Означенное обстоятельство позволяет для определения зон деформации почвы рассчитываемыми зубьями использовать значение 0 (угла деформации) как и зубьев квадратного сечения, а именно 0 =25-36 [40,95,131].

Для устранения возможной погрешности в качестве 0 расчетного выберем среднее значение из вышеприведенного диапазона, а именно 0р ~31.

Зубовое поле бороны.

При построении зубового поля выполним условие, в соответствии с которым каждый зуб должен проводить борозду, равностоящую от других борозд с некоторым перекрытием зон деформации от соседних зубьев, не оставляя при этом пропусков [40,91].

Специфической особенностью зубового поля в данном случае является то, что зубья располагаются жестко на лапе плоскореза, поэтому возможность соскакивания его в соседнюю борозду, а равно как и движение не в направлении движения плоскореза практически исключаются.

Поэтому зубовое поле бороны рассчитываемого орудия представляет собой простейший случай (рис. 11).

Для определения расстояния (шага) а в поперечном направлении зубового поля, например, а-шага (аналога ширины междурядий) предварительно рассмотрим схему зон деформации почвы зубьями бороны [91].

Из треугольника AKMN найдем |KM|=|MN|tg 0, (11) но|КМ|=а/2 (12) тогда a=2-|MN|-tg 0; (13) полагая, что |MN|=h, где h=h2-hi, тогда a=2*h-tg 0 (14)

По агротехническим условиям полевых опытов, проводимых с плоскорезом, глубина Ьг обработки принималась равной 200 мм, то есть 1і2=200мм (рис.12).

Глубина hi сохраняемого (не разрыхляемого) слоя почвы, считая от дневной поверхности, при противоэрозионной обработке должна быть не менее 50 мм, то есть Ы= 50мм .

Поэтому приближенно принимаем Ьі=50мм. Тогда h= Иг - hi =200-50= = 150 мм. Принимая угол 0 распространения в почве максимальных касательных напряжений, по которым происходит разрушение почвы, равным 0расч= 31, получаем: a=2-h-tg 0=2-150-tg31=180,25MM~l80мм.

Определяем общую ширинуй захвата плоскореза, как произведение: L = m-Li, (15) где m - число плоскорежущих лап (для плоскореза типа КПГ т=2);

1,2,3,4,5,6,7,8,9,10.11, 12 - точки расположения зубьев;

13 - жесткая рама звена бороны;

14 - контурная линия лемеха плоскореза; а - шаг;

А - зона геодинамической тени за стойкой плоскореза; Li - ширина захвата плоскорежущей лапы; треугольники 1-2-3; 4-5-6; 7-8-9; 10-11-12-идентичные и равнобедренные

Рис. 12. Схема зон деформации почвы зубьями бороны: - крыло лапы плоскореза; - зубья бороны; - поверхность грунта; а - шаг; h - высота зуба; hi -высота сохраняемого слоя грунта; h₂ - глубина обработки плоскорезом типа КПГ по условиям эксперимента; 0 - угол распространения деформации от острия зуба Li - ширина захвата одной плоскорежущей лапы ( для плоскорезов типа КПГ Li=l 100 мм),

Подставляя, получаем: L= m-Li = 2-1100=2200мм. (16)

Тогда количество Zg зубьев, необходимое для объемного рыхления почвы по ширине захвата плоскореза типа КПГ находится по соотношению (рис.12): L-2-A б= , (17) где а - шаг, а = 180 мм;

Д - зона так называемой «геодинамической тени», создаваемой стойкой плоскореза, А=20 мм. _2200-2-20__1ОПодставляя, получаем ^z6 — .^ ^— ^ (18)

Из (18) видно, что на комплектование одной плоскорежущей лапы плоскореза _h. необходимо гу зубьев, а именно 6 зубьев, расположенных друг относительно друга (без учета величины Д) на расстоянии 180 мм.

Форма зуба в продольно-вертикальной плоскости должна учитывать связанность верхних слоев почвы корневой системой растений и обеспечивать плавность воздействия рыхлящего элемента.

При работе комбинированного орудия для объемной обработки почвы с прямыми зубьями существует вероятность возникновения неравномерности хода в продольной плоскости из-за различия физико-механических свойств почвы.

Неравномерность хода плоскореза будет меньше, если зубовидный рыхлящий элемент в продольно-вертикальной плоскости XOZ изогнуть по дуге окружности радиусом R с центральным углом в 90^е, что обеспечит равенство высоты h зуба его проекции hi на ось ОХ (рис.13), соответственно пласт будет подрезаться при скольжении по всей дуге зуба.

В этом случае более связанный верхний слой почвы по ширине захвата плоскореза будет разрезаться зубьями на отдельные полоски шириной а, и неравномерность их силового воздействия на плоскорезные лапы будет нивелироваться.

Кроме того, заманчивой является традиционная попытка использования работы естественных сил, в частности силы земного притяжения, для разрыва связей между частицами почвы.

Рассматривая криволинейное движение пласта и силы, действующие на участок грунта, движущийся из т.В в т.В', можно заметить, что Fu в точке В' всегда больше Fu в точке В, поскольку в точке В' реакция опоры приобретает нулевое значение.

Таким образом, есть возможность использования силы разрыва связей грунта в противовес силам сжатия. Использование же в качестве формы зуба не просто дуги, а четверти окружности радиуса h связано с необходимостью получить максимальные значения сил разрыва.

Именно в точке В' происходит дополнительное крошение грунта в направлении действия сил тяжести G.

Таким образом, итоговая форма зубовидного рыхлителя представляет собой прогнутый по дуге окружности (рис.13) радиуса R=h=150 мм с центральным углом 90. При этом клиновидный профиль зуба имеет угол наклона боковой грани к направлению движения в плоскости XOY в 33 (рис.9), что обеспечивает высококачественное объемное рыхление почвы и плавность хода комбинированного орудия. Отношение высоты зуба к его проекции на горизонтальную плоскость равно единице.

Рис. 13. Схема криволинейного движения пласта почвы - пласт почвы; - зуб бороны, изогнутый по дуге четверти окружности радиуса h; - линия действия сил разрыва связей грунта; h - высота зуба в плоскости XOZ; G - сила тяжести; R - реакция опоры; Fy - цетростремительная сила;

Р - сила смятия.

*l

Рис. 14. Схема раскалывающих сил. Р - силы смятия, н; G - сила тяжести, н; Q - сила инерции, н; Von,. - относительная скорость движения пласта по зубу, м/с. л г / 2-л-И 2-/Г-150 „,

Л общая длина /„, = = * 236лш (19)

Использование плоскорезов типа КПГ для объемного рыхления почвы с одновременным внесением минеральных удобрений имеет некоторые особенности. Наличие на некоторых типах плоскорезов специальных коробов для внесения удобрений, расположенных позади стоек, должно смещать [37] зону максимального перемешивания почвы в пространство, находящееся позади упомянутого короба.

Исходя из этого при некоторой скорости влияние короба на деформацию (отброс) почвы не учитывать нерационально [37].

Поэтому, сохранив основные параметры размеров бороны - h зуба =150 мм,

КІЧІ х іде g- горизонтальная проекция зуба, шаг равен 180 мм .

Учтем, что расположение зубьев бороны можно осуществлять на дуге, сзади плоскорежущей лапы. При этом схема раскалывающих сил выглядит согласно рис.14. Соотношение сил меняется по длине дуги зуба, при этом важным является расположение зуба в месте падения пласта с целью использования динамического удара силы инерции Q.

Однако, вследствие неразработанности теоретической составляющей вопроса, решение величины радиуса дуги или ее выноса лежит, скорее, в эмпирической плоскости. С учетом этого зубья бороны располагались на дуге сзади плоскорежущей лапы, причем дуга, прикреплялась к подлапнику и находилась на расстоянии в 350 мм сзади короба тукопровода КПГ -2,2.

Таким образом, определены параметры рабочего органа для объемного рыхления: высота зубовидного рыхлителя 150 мм, изогнут в виде четверти окружности при длине 236 мм, за одной плоскорежущей лапой размахом 1100 мм устанавливается 6 рыхлителей по схеме (90 + 180+ 1 80 + 200 + 1 80 + 1 80 + 90) мм.

Теоретическое обоснование рациональных параметров почвозащитных орудий для объемной обработки черноземных почв

Орудия с плоскорежущими рабочими органами, используемые при почвозащитной системе земледелия, не всегда отвечают задачам качественного рыхления почвы до необходимого мелкокомковатого ее состояния из-за своих конструктивных особенностей, а также особенностей физико-механических свойств почвогрунтов.

При совмещении плоскорезной обработки почвы с функциональными возможностями зубьев бороны (рис.4) обеспечивается рыхление почвы практически во всем объеме обрабатываемого слоя.

В качестве прототипа были выбраны серийные плоскорезы типа КПГ . Выбор места расположения зубьев бороны. Поскольку назначением зубовых борон является заключительная обработка почвы после плуга или культиватора, очевидно, что в предлагаемом плоскорезе зубья бороны должны быть установлены в зоне максимального крошения почвы лапой плоскореза [51]. Возможные варианты комбинации зубьев различной формы и параметров на основе методов математической комбинаторики представлены в прил.7, табл.2. Работа плоскореза, как клина, протекает неравномерно во времени -чередующимися циклами. Каждый цикл состоит из нескольких фаз (рис.5). В начале цикла клин уплотняет почву (рис.5, а), перемещая ее частицы перпендикулярно рабочей поверхности (например, точка П перемещается в точку П ). При достаточном уплотнении пласт начинает изгибаться (рис 5, б). Отметим также, что пласт более связанных почв изгибается в этом случае больше [40]. Третья фаза - сжатие почвы до критического состояния, которое обусловлено прочностью почвы. При этом наступает момент скалывания почвы, и сколотый ., участок сдвигается по некоторой плоскости, имеющей направление, параллельное перемещению частиц при сжатии (рис.5, в) [51]. Длительность одного цикла работы клина составляет от одного (пересохшие почвы) до нескольких сантиметров [40]. Таким образом, на лемехе плоскореза типа КПГ полностью укладываются самые длинные циклы разрушения почвы. Поэтому даже наиболее разрушенные, а следовательно, оказывающие минимальное сопротивление обработке зубьями бороны участки почвы находятся за лемехом плоскореза (рис.6). N Соответственно, для размещения рыхлящих элементов в продольно вертикальной плоскости XOZ (рис.4) с точки зрения уменьшения тягового сопротивления целесообразно выбрать зону Б (рис.6). Зубовые бороны являются самыми простыми и универсальными орудиями, с помощью которых производится рыхление, перемешивание почвенных частиц. Поэтому в качестве орудия для обработки почвогрунта в продольно-вертикальной плоскости остановимся на модифицированном варианте зубовой бороны [133]. Известно, что движение борон, зубья которых размещены на раме «Зиг-Заг» в горизонтальной плоскости ХОУ отличается неспокойным змеевидным ходом. Схема треугольной бороны, брусья которой образуют равнобедренный треугольник, имеет то преимущество, что боковые силы, действующие на зубья, уравновешиваются между собой. Борона с треугольной рамой идет спокойнее, но для большого числа зубьев она является громоздкой. При небольшом количестве зубьев треугольная рама хорошо себя зарекомендовала и ее широко используют в культиваторах и орудиях, предназначенных для специальных работ [40].

Таким образом, размещение рыхлящих элементов для объемного рыхления почвы в продольно-вертикальной плоскости (XOZ) можно осуществить на треугольной раме, жестко закрепленной на подлапниках плоскореза (рис.7), причем звенья этой рамы закреплены симметрично, что улучшает устойчивость движения в горизонтальной плоскости ХОУ. Движение пласта в вертикальной плоскости будет происходить согласно рис.8.

Выбор формы зубовидного рыхлителя. Как известно, на тяжелых и средних боронах устанавливаются зубья квадратного сечения со стороной квадрата 16 мм. Зуб работает как двухгранный клин. Переднее его ребро раскалывает почву, а грани раздвигают ее в стороны, сминая и перемешивая частицы грунта. Сечение борозд имеет треугольную форму и заполнено рыхлой почвой. Деформация почвы распространяется от острия зуба вверх под углом 0 = 25-36 к вертикали и доходит по глубине до конца зуба, где зона деформации должна иметь некоторое перекрытие с зоной деформации почвы соседним зубом. [91].

Несмотря на то, что сопротивление почвы после прохода лапы плоскореза приблизительно равно сопротивлению легких почв, условия работы зуба, направленного от дна борозды к дневной поверхности (снизу - вверх), являются нагруженными. Принимая это во внимание, материалоемкость зубового рыхлителя будем полагать аналогичной материалоемкости зубьев средних и тяжелых борон.

Результаты исследований работы экспериментальных рабочих органов для почвозащитной (объемной) обработки черноземных почв

Полевые опыты проводились в совхозе «Глубокинский» Каменского района Ростовской области в 1980-84 годах, в КСП им.8 Марта Купянского района Харьковской области в 1996-1999 годах и в совхозе «Ударник» Лутугинского района Луганской области в 1985-2000 годах.

Данные по агроклиматическим и метеорологическим условиям приводятся в прил. 5. Опыт 1. Влияние обработок орудием с ножевидными рыхлителями, осуществляющим объемное рыхление, на противоэрозионные и иные свойства почвы, развитие и урожайность озимой пшеницы. 1. Контроль. Основная обработка почвы проводилась плугом ПН-4-35 на глубину 20-22 см. 2. Безотвальная обработка почвы проводилась плоскорезом КПГ-250 на глубину 20-22 см. 3. Объемная обработка почвы проводилась орудием с ножевидными рыхлителями на базе плоскореза КПГ-250 на глубину 20-22 см. Сорт озимой пшеницы - Одесская 51. Размер делянок 100x20 м. Площадь опыта - 1,8 га. Размещение вариантов -рендомизированное. Склон южный - 2,4. Повторность трехкратная. Опыт заложен в 1980 году в совхозе «Глубокинский» Каменского района Ростовской области. Опыт 2. Влияние обработок орудием с ножевидными рыхлителями, осуществляющим объемное рыхление, на противоэрозионные свойства почвы, развитие и урожайность ярового ячменя. 1. Контроль. Основная обработка почвы проводилась плугом ПН-4-35 на глубину 20-22 см. 2. Безотвальная обработка почвы - плоскорезом КПГ-250 на глубину 20-22 см. 3. Объемная обработка почвы - проводилась орудием с ножевидными рыхлителями на базе плоскореза КПГ-250 на 20-22 см. Сорт ярового ячменя - Одесский 36. Размер делянок 100x20 м. Площадь опыта - 1,8 га. Размещение вариантов рендомизированное. Повторность трехкратная. Склон южный - 2.6. Повторность трехкратная. Опыт заложен в 1980 году в совхозе «Глубокинский» Каменского района Ростовской области. Опыты 1 и 2 были заложены в типовом полевом зернопаровом севообороте. Озимая пшеница возделывалась в звене: пар - озимая -озимая. Яровой ячмень: в звене озимая - ячмень. Агротехника соответствовала общепринятой для северо-запада Ростовской области. Опыт 3. Влияние обработок орудием с ножевидными рыхлителями, осуществляющими объемное рыхление, на противоэрозионные свойства почвы, развитие и урожайность озимой пшеницы. Сорт озимой пшеницы - Харьковская 81. Размер делянок 200x50 м. Площадь опыта - 9 га. Повторность трехкратная. Склон восточный в 2,3. Размещение вариантов - рендомизированное. Использовалось звено севооборота: однолетние травы - озимая пшеница - яровой ячмень. Агротехника соответствовала общепринятой для северо-востока Харьковской области. Опыт заложен в 1996 году в колхозе им. 8 Березня (Марта) Купянского района. Специфика опытов №№ 1, 2, 3 заключалась в их противоэрозионной направленности. Участки для закладки опытов выбирались на одностороннем склоне с наличием преобладающих в зоне почв [69, 74, 83, 140]. Для определения смыва почвы делянки разбивались более длинной стороной по склону, при этом они размещались по всему склону на его наиболее характерной части. С целью достижения объективной оценки смыва почвы делянки опахивались со всех сторон или огораживались. В обязательном порядке отводили воду с участков, расположенных выше по склону. По концам делянок оставлялись защитки по 2-5 м. Опыт 4. Изучение приемов эффективного применения удобрений в полевом севообороте на фоне противоэрозионной обработки чернозема обыкновенного. Изучали влияние различных доз и сочетаний минеральных и органических удобрений на фоне общепринятой для юго-востока Украины почвозащитной обработоки в типовом для юго-востока Украины девятипольном севообороте: черный пар - озимая пшеница - кукуруза на зерно - ячмень - горох - озимая пшеница - кукуруза на силос - озимая пшеница - подсолнечник. Севооборот был представлен всеми полями в пространстве. Опыт был заложен в 1973 году кандидатами сельскохозяйственных наук Ю.И. Усатенко и П.Г. Лапко на выровненной площадке межбалочного водораздела крутизной 1 южной экспозиции. Почва - чернозем обыкновенный, слабоэродированный, тяжелосуглинистый на лессовидном суглинке. Агрохимическая схема опыта включала 10 вариантов: 1).Контроль (без удобрений); 2).N80 Рбо , 3).N80 К40; 4).Р60 К4о; 5).N80 Р60 К40; 6).N40 Рзо К20; 7).NI20 Р90 К60; 8).N80 Рзо К20; 9).Ni2o Рзо К40; 10). N52 Р42 К28 - в расчете на 1 га севооборотной площади в среднем за ротацию севооборота. Суммарное внесение минеральных удобрений за ротацию севооборота таково: 1).Контроль (без удобрений); 2).N72o Р540; 3).N72o К3боі 4).Р54о К3бо; 5).N72o Р540 К3бо; 6).N360 Р270 Kig0; 7).Ni08o Рею Ks40; 8).N72o Рзбо Ki80; 9).Nio8o P270 K360; 10). N468 Рз78 K252- (Базовыми являлись варианты 5,6,4,7 -соответственно NPK - I, NPK - II, NPK - III). Действие минеральных удобрений изучалось на двух фонах -без органических удобрений и с внесением органических удобрений (9т навоза (сыпца) на 1га севооборотной площади). Всего за ротацию севооборота вносилось 81 т/га навоза. Органические удобрения по 40,5 т/га вносились под кукурузу на зерно и силос с помощью навозоразбрасывателя под основную обработку почвы. В вариантах 2-9 минеральные удобрения вносились в разброс, а в варианте 10 - локально: под зерновые культуры рядкового посева на глубину 10-12 см, а под кукурузу - на 18-20 см и под подсолнечник на глубину 12-15 см.

Влияние почвозащитных орудий для объемной обработки на агрофизические, агробиологические и противоэрозионные свойства черноземов

Самая низкая урожайность в опыте была отмечена в 1982-83 сельскохозяйственном году, что обусловливалось погодными условиями: год был засушливым и осадков выпадало в 1,5 раза меньше среднемноголетнего и в 2,5 раза меньше, чем в предыдущем 1981-82 сельскохозяйственном году. Надо также отметить, что в 1982-83 году температура воздуха в среднем была почти на 2 выше среднемноголетнего показателя, что вело к увеличению транспирации, а при недостаточной влагообеспеченности привело и к снижению урожайности.

В опыте №1 просматривается тенденция к росту урожайности озимой пшеницы в зависимости от применяемых для обработки почвы орудий. Так, кроме 1982 и 1984 года урожайность по обычной плоскорезной обработке была выше, чем по вспашке. Обработка почвы с дополнительным объемным рыхлением во все годы превосходила по урожайности и выходу сухого вещества и вспашку и обычную плоскорезную обработку. При этом в благоприятные по влагообеспеченности годы урожайность по всем трем вариантам меньше различалась между собой, чем в засушливом 1982-83 сельскохозяйственном году. Здесь разница между вариантами достигала максимума. В опыте №2 урожайность ярового ячменя по обработкам, произведенным орудием с дополнительным объемным рыхлением, имела, как и выход сухого вещества, стойкую тенденцию к увеличению (табл. 12). Максимальный разрыв по вариантам наблюдался в 1983, наиболее засушливом, году. Плоскорезная обработка не всегда имела преимущество по урожайности, как это было в 1981 и 1984 году.

В опыте №3, проводимом в Харьковской области, урожайность озимой пшеницы и выход сухого вещества (табл. 13) в 1998 и 1999 годах были выше по объемному рыхлению почвы, за ним следовала по мере убывания обработка плоскорезом КПГ-250 и лишь потом -вспашка. В 1997 году урожайность по обработке с объемным рыхлением была выше, чем по остальным обработкам, однако по вспашке урожайность в этом году была выше, чем по обычной плоскорезной обработке. Если же взять средние цифры по вариантам, то по всем годам урожайность была выше по обработке почвы орудием с дополнительным объемным рыхлением и составила 31,5 ц/га, затем следует обработка плоскорезом КПГ-250 - 28,2 ц/га, потом вспашка плугом ПЛН-4-35 - 28,6 ц/га. Незначительная разница в урожайности по итогам 1996-97 сельскохозяйственного года объясняется весьма благоприятными по увлажнению условиями этого года. Известно, что в такие периоды разница в урожайности по видам обработок нивелируется. Более того, вспашка получает известное преимущество перед плоскорезными способами обработки, что наблюдается и в данном случае. Однако, новый способ обработки почвы и в этих комфортных для произрастания растений условиях имел относительное преимущество.

Абсолютное же преимущество объемного рыхления проявилось в наиболее экстремальном за годы проведения исследований 1997-98 сельскохозяйственном году. Урожайность на контроле составила 24,9 ц/га, по плоскорезу КПГ-250 - 26,4 ц/га, а по комбинированному орудию с объемным рыхлением - 28,2 ц/га. То есть разница между контролем и обычной плоскорезной обработкой составила 2,4 ц, между плоско- резной обработкой и объемным рыхлением - 1,8 ц, а между последним и контролем - 4,2 ц, в то время как в 1997 году эти соотношения были 1,1 ц в пользу контроля. Разница между обычной плоскорезной обработкой и обработкой с дополнительным объемным рыхлением составила 8,1 ц, а между последней и вспашкой всего 1,1 ц, то есть на 3,1 ц/га меньше по сравнению с неблагоприятным 1997-98 сельскохозяйственным годом. 1998-99 сельскохозяйственный год был менее благоприятен, чем 1996-97, но гораздо более благоприятным для произрастания озимой пшеницы, чем в 1997-98 году. Разница между контролем и обычной плоскорезной обработкой составила 2,2 ц/га, между плоскорезной обработкой и обработкой с объемным рыхлением -2,3ц, а между последней и контролем - 3,1ц. И по этому году наглядно видно преимущество способа обработки с дополнительным объемным рыхлением перед традиционными способами основной обработки почвы.

Сравнивая изменения урожайности озимой пшеницы по годам внутри вариантов, отметим колебание урожайности, связанное с климатическими условиями годов. Заметна следующая закономерность. Если наименьшую урожайность, которая отмечалась по всем способам обработок в 1997-98 сельскохозяйственном году принять за условную точку отсчета и вычесть данный показатель из показателей урожайности по годам исследований, то получим следующий ряд цифр по вспашке: 8,4; 0,0; 3,8; по обработке плоскорезом КПГ-250 - 4,9; 0,0; 3,6 по обработке с объемным рыхлением - 5,3; 0,0; 4,5. Если теперь по видам обработок из больших цифр вычесть меньшие, то получим такой ряд цифр: 4,6 (вспашка); 1,3 (обычная плоскорезная обработка); 0,8 (комбинированное орудие с объемным рыхлением). Эти показатели можно считать индексами стабильности. И они говорят о том, что при любых условиях, благоприятных и менее благоприятных, разрыв в урожайности по годам меньше по предлагаемому способу обработки, затем следует обычная плоскорезная обработка, а лишь за ней - вспашка. Этот индекс явно указывает на создание более стабильной среды обитания по предлагаемому способу обработки почвы, который нивелирует негативно воздействующие на растения, и делает репродуктивные свойства растений более стабильными. Весьма важным является выяснение того, каким образом влияет почвозащитная обработка на качество почвы и урожая.

Зависимость урожайности сельскохозяйственных культур и качества растениеводческой продукции от применения противоэрозионных орудий, осуществляющих объемное рыхление почвы

По результатам исследований синтезирован рабочий орган для объемного рыхления почвы, новизна и эффективность которого подтверждена патентами на изобретения (№2102846, №2102844, №2091997). Его сущность заключается в том, что за плоскорежущей лапой захватом 1100 мм устанавливаются 6 зубовидных рыхлителей по схеме (90 + 180 + 180 + 200 + 180 + 180 + 90) мм. Обоснованы параметры зубовидного рыхлителя: высота 150 мм, радиус режущей кромки 3 мм, соотношение высоты к проекции на горизонтальную плоскость равно единице.

Обработка почвы предложенными орудиями уменьшает смыв почвы в 2 — 4 раза по сравнению со вспашкой. Установлено некоторое преимущество и по сравнению с обычной плоскорезной обработкой.

Накопление снега в зимний период по предложенной противоэрозионной объемной обработке было меньшим на 10-15%, чем по обычной плоскорезной обработке и в 3 - 4 больше, чем по вспашке. Накопление доступной влаги в метровом слое почвы по озимой пшенице в условиях Ростовской области по объемной обработке было выше по сравнению с плоскорезной обработкой в сентябре на 12,0 мм, в апреле — на 5,2 мм, июне - на 4,9 мм, а по сравнению с плужной обработкой - на 14,8; 17,6; 20,6 мм соответственно; в условиях Харьковской области на черноземе обыкновенном накопление влаги было больше — на 5,5; 25,1; 12,2мм и 10,5; 36,0; 13,3 мм соответственно. На яровом ячмене в условиях Ростовской области в апреле по объемной обработке сравнительно с плоскорезной обработкой доступной влаги было больше на 11,8 мм и в июне - на 13,4 мм, а по сравнению со вспашкой - было больше на 22,0 и на 24,3 мм соответственно. Биологическая (целлюлозолитическая) активность почвы при объемной обработке возрастала в слое 0 - 10 см по сравнению как с плужной, так и плоскорезной обработкой и по озимой пшенице, и по яровому ячменю. В слое 10 — 20 см активность была выше на озимых по вспашке, а по ячменю — по объемной и обычной плоскорезной обработке. В слое 20 - 30 см наблюдались практически равные показатели по озимой пшенице и в 1,5 раза более высокие характеристики по сравнению с плоскорезной обработкой и в 2 раза большие по сравнению со вспашкой.

Количество сорняков по озимой пшенице в фазах кущения и колошения в условиях Ростовской области было одинаковым по объемной обработке и по вспашке, перед уборкой этот показатель по обработке произведенной изучаемым орудием был в 1,5 раза меньше. По сравнению с плоскорезной обработкой число сорняков по объемной обработке во все сроки было в 1,4 - 1,6 раза меньше. По яровому ячменю наблюдалось подобное соотношение. В условиях Харьковской области количество сорняков по фазам вегетации по объемной обработке было меньшим по сравнению с обычной плоскорезной обработкой в 1,4 - 2,2 раза, а по сравнению со вспашкой — в 1,3 — 2,4 раза. 5. Применение рабочих органов для объемной обработки черноземных почв в условиях Ростовской области давало достоверную прибавку урожая зерна озимой пшеницы на 3,4 - 4,1 ц/га по сравнению со вспашкой и на 1,7 - 2,0 ц/га по сравнению с обычной плоскорезной обработкой, а по ячменю — на 4,0 — 4,7 ц/га и 1,9 — 2,0 соответственно. 6. Исследование влияния почвозащитной обработки в условиях Луганской области показало, что ее применение способствует сохранению органического вещества почвы, так потери гумуса были за 20 лет на 0,3 т/га меньше, чем на общепринятой обработке; стабилизирует урожайность сельскохозяйственных культур, а также способствует увеличению масличности подсолнечника на 1,0-1,5%. 7. Коэффициент биоэнергетической эффективности возделывания озимой пшеницы в условиях Ростовской области составил по вспашке 2,52; по плоскорезной обработке - 2,57; по объемной - 3,35; в условиях Харьковской области он составил соответственно - 3,20; 3,33 и 3,40, а с учетом сохраненной от эрозии почвы этот коэффициент составил 3,60 и 3,96 по илоскорезной и объемной обработке соответственно. Коэффициент биоэнергетической эффективности возделывания ярового ячменя в условиях Ростовской области составил по видам обработки 1,36; 1,62 и 1,83 соответственно. 8. Условный производственный экономический эффект в условиях Ростовской области при возделывании озимой пшеницы составил но плоскорезной обработке в сравнении со вспашкой 108,9%, а по объемной обработке - 1 18,5%, а в денежном выражении в у.е. (1 у.е. = 1 доллар США) по объемной обработке - 149, 45 у.е., по обычной плоскорезной обработке - 137, 88 у.е. и на контроле (вспашка) - 125, 57 у.е. При возделывании ярового ячменя этот эффект составил в денежном выражении 1 18,96 у.е., 105,69 у.е., 91,76 у.е. соответственно. В условиях Харьковской области по озимой пшенице условный производственный эффект составил 216,99 у.е., 218,86 у.е. и 184,36 у.е. соответственно. 9. Экологическое тестирование в опытах по изучению объемной обработки показало преимущество возделывания с помощью предложенных орудий озимой пшеницы, Так если но плоскорезной обработке чистый экологический эффект по условно-чистому доходу составил 34,16 у.е./га, то по объемной обработке - 50,02-65,74 у.е./га.

Похожие диссертации на Совершенствование технологического процесса обработки черноземных почв почвозащитными орудиями

Совершенствование технологического процесса предпосевной обработки почвы дисковым комбинированным орудием Мякотина Ольга Михайловна

Совершенствование технологического процесса и почвообрабатывающего орудия для основной обработки почвыЧернышкин, Владимир Вячеславович

Совершенствование технологического процесса мелкой мульчирующей обработки почвы путем разработки нового почвообрабатывающего орудия с комбинированными рабочими органамиПетров Виталий Александрович

Совершенствование технологического процесса почвозащитной обработки почвы с разработкой и обоснованием параметров противоэрозионного орудияСтрельцов Сергей Борисович

Интенсификация технологического процесса обработки почвы почвозащитными орудиями (в условиях бассейна реки Северский Донец)Орешкин, Михаил Вильевич

Параметры технологического процесса обработки почвы дисковым почвообрабатывающим орудием Абаев Василий Васильевич

Разработка комбинированного технологического процесса и почвообрабатывающего орудия для основной обработки почвыНестеров, Евгений Сергеевич

Обоснование технологического процесса и параметров леворежущих ножей почвообрабатывающего орудия для основной обработки почвыЖученко, Александр Васильевич

Повышение эффективности процесса отвальной обработки почвы на склонах за счет разработки и обоснования параметров противоэрозионного орудияХудяков Владимир Васильевич

Повышение влагосбережения почвы совершенствованием орудия для мелкой мульчирующей обработкиДобрынин, Юрий Михайлович