Содержание к диссертации
Введение
Современное состояние проблемы 13
Проблемы реологии, уплотнения и глубокой мелиоративной обработки почвогрунтов 13
Современный уровень техники чизелевания почвы 27
Опыт мелиорации почв иловыми осадками и агрорудами 46
Выводы к главе 1 59
Методика проведения экспериментальных исследований 60
Выводы к главе 2 69
Совершенствование чизельных и комбинированных орудий и повышение их эксплуатационных показателей для агротехнической мелиорации почвогрунтов 70
Чизельные и комбинированные орудия-глубокорыхлители и принципы повышения их эксплуатационных показателей 70
Совершенствование и классификация чизельных рабочих органов и орудий 79
Сравнительное экспериментальное исследование тяговогосопротивления отвально-лемешного и чизельного рабочих органов 89
Сравнительное экспериментальное исследование энергетических показателей почвообработки 99
Экспериментально-теоретические предпосылки деформирования и разуплотнения почвогрунтов 110
Выводы к главе 3 117
Глава 4. Совершенствование и апробация агротехнических мелиорации с использованием чизельной обработки почвы и не традиционных удобрений-мелиорантов 119
4.1. Совершенствование технологии посева широкорядных культур после чизелевания почвы 119
4.2. Сравнительные исследования технологий посева широкорядных культур 127
4.3. Исследование водно-физических, агрохимических и реологических свойств орошаемых почв при различных видах обработки 141
4.4. Разработка и исследование композиций из нетрадиционных удобрений-мелиорантов на основе переработанного илового осадка 154
4.5. Апробация композиции из осадка и глауконита при возделывании семенного картофеля и сои в условия орошения 165
4.6. Лабораторно-полевые исследования влияния удобрений-мелиорантов на продуктивность ярового ячменя и озимой пшеницы в условиях сухого земледелия 180
Выводы к главе 4 190
Глава 5. Исследование энергоэффективности при взаимодействии чизелей с почвой 193
5.1. Обоснование энергоэффективности глубокой обработки поч-вогрунтов 193
5.2. Особенности силового взаимодействия чизельных рабочих органов с почвой 204
5.3. Энергоёмкость дренирования-кротования почвогрунтов в подпахотном горизонте 213
5.4. Аналитическое исследование тягового сопротивления чизельного рабочего органа 230
5.5. Оптимизация параметров математической модели взаимодействия чизельного рабочего органа и почвогрунта 239 Выводы к главе 5 248
Глава 6. Оптимизация показателей и оценка эффективности агромелиоративных технологий с чизелеванием почвы 251
6.1. Разработка оптимизационных моделей технологии возделывания высокопродуктивных культур на зелёный корм при чи-зельной мелиоративной обработке почвы 251
6.2. Решение математических моделей графоаналитическим методом 259
6.3. Оптимизация результатов решения математических моделей 268
6.4. Комплексная оценка эффективности использования удобрений-мелиорантов на основе переработанного илового осадка и глауконита 277 Выводы к главе 6 282
Заключение 284
Библиографический список
- Современный уровень техники чизелевания почвы
- Совершенствование и классификация чизельных рабочих органов и орудий
- Исследование водно-физических, агрохимических и реологических свойств орошаемых почв при различных видах обработки
- Энергоёмкость дренирования-кротования почвогрунтов в подпахотном горизонте
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Юг России, находясь в зоне рискованного земледелия, остаётся одним из крупнейших аграрных районов страны. В условиях засушливого климата и низкой его влагообеспеченности получение устойчивых урожаев продукции растениеводства возможно лишь на орошаемых землях. Но интенсификация технологических процессов при возделывании сельхозкультур привела к различным видам деградации пахотных и переуплотнению подпахотных горизонтов. Количество эродированных и дефлированных орошаемых сельхозугодий в ЮФО составляет более 620 тыс. га, потери плодородия и снижение урожайности сельхозкультур - от 10 до 60 %. Производство растениеводческой продукции на таких землях возможно только при повышенных дозах удобрений.
В рамках продовольственной безопасности Российской Федерации разрабатываются и реализуются программы по мелиорации сельскохозяйственных земель. Однако программы не решают проблемы восстановления уже деградированных земель. Функциональные нарушения в почвенных горизонтах дифференцированы и носят различный характер: в подпахотных - наблюдается переуплотнение, подъём уровня грунтовых вод и солей; в пахотных - разрушение гуматов кальция, структурных связей между почвенными частицами и т.п. Эти процессы приводят к нарушению водно-воздушного, пищевого, солевого и других почвенных режимов, жизнедеятельности почвенной биоты, трансформации гумуса и прочим явлениям.
В связи с вышеизложенным выдвинута научная гипотеза о том, что предотвращение ирригационно-эрозионных процессов на орошаемых агро-ландшафтах сухостепной зоны Нижнего Поволжья, восстановление их продуктивности, а также достаточное и устойчивое производство сельхозпродукции возможно за счёт реализации мероприятий, трактуемых как комплексные агротехнические мелиорации, в том числе по основной глубокой чизельной обработке почвы, формированию сорбционно-удобрительного влагосберегающего поверхностного слоя и адаптации схем возделывания сельхозкультур; эти решения должны сопровождаться повышением энергоэффективности.
В связи с этим цель исследования заключается в совершенствовании с позиций энерго- и ресурсосбережения способов и технологий комплексной аг-
ротехнической мелиорации орошаемых агроландшафтов сухостепной зоны Нижнего Поволжья.
Объектами исследования являются чизельные и комбинированные орудия для мелиоративной глубокой обработки почв; удобрения-мелиоранты на основе переработанного илового осадка бытовых сточных вод и сыпучих природных минералов, пропашные культуры.
Предметы исследования. Силовые характеристики и закономерности процесса разрушения чизельными и комбинированными рабочими органами подпахотных горизонтов почв с учётом их реологических свойств; схемы возделывания пропашных культур при проведении комплексных чизельных, удоб-рительно-сорбционных и оросительных агротехнических мелиорации.
Научная новизна результатов исследования заключается
в теоретическом и экспериментальном обосновании схем совместного и раздельного возделывания пропашных культур с использованием удобрений-мелиорантов;
в теоретическом обосновании снижения удельной энергоёмкости процесса чизелевания подпахотных горизонтов;
в совершенствовании математической модели силового взаимодействия чизельного рабочего органа с почвой, а также процесса дренирования-кротования подпахотных горизонтов почв с учётом их реологических свойств.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Комплексная агротехническая мелиорация орошаемых агроландшафтов сухостепной зоны Нижнего Поволжья (на примере возделывания зернобобовых и зерноовощных культур) способствует повышению урожайности зерна и зелёной массы зернобобовых культур на 12-14 %, питательности сочных кормов до 15 %, влагозапасов на 10-33 %, содержания минеральных элементов питания в пахотном горизонте до 20 %, снижению плотности подпахотных горизонтов до 12 %, удельных расходов моторного топлива до 20 % и поливной воды на производство тонны растениеводческой продукции на 26-40 %; увеличению комплексного критерия энергоэффективности до 15 %.
Методология и методы исследования. Теоретический анализ рабочих гипотез и их экспериментальная проверка в полевых условиях Волгоградской области в период с 2006 по 2014 гг. Обработка экспериментальных данных
проводилась аналитическими и вероятностно-статистическими методами.
Основные научные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Особенности глубокой чизельной обработки орошаемых почв.
2. Теоретическое обоснование снижения удельной энергоёмкости при
разрушении подпахотных горизонтов чизельными рабочими органами.
3. Математическая модель процесса чизелевания и дренирования-
кротования подпахотных горизонтов почв.
-
Схемы совместного и раздельного возделывания пропашных культур.
-
Удобрения-мелиоранты на основе композиции из глубоко переработанного илового осадка и природных минералов.
6. Оценка эффективности комплексных агротехнических мелиорации
орошаемых агроландшафтов Нижнего Поволжья.
Диссертация автора на соискание учёной степени доктора технических наук в номенклатуре Паспортов научных специальностей соответствует специальности 06.01.02 «Мелиорация, рекультивация и охрана земель» пунктам 3,4,32.
Личный вклад автора и реализация результатов исследования.
При непосредственном участии автора усовершенствованы способы, технологии и технические средства комплексной агротехнической мелиорации орошаемых агроландшафтов сухостепной зоны Нижнего Поволжья.
Способы возделывания широкорядных пропашных культур и системы чизельной обработки почв апробированы в опытно-производственных условиях КФХ «А.Г. Мельников» (2006-2011 гг.) и СПК «Ахтуба» (2011-2013 гг.) Волгоградской обл., Волго-Донском стационаре ФГБНУ ВНИИОЗ и ФГУП «Орошаемое» Волгоградской обл. (2006-2014 гг.). Производство усовершенствованных чизельных рабочих органов внедрено на предприятии ООО «АгроПромтех-маш» (2013-2014 гг.).
Степень достоверности и апробации результатов исследования подтверждается экспериментальными данными, полученными при лабораторных и полевых исследованиях; современными методами математической обработки результатов исследований с использованием ЭВМ и программных продуктов MS Excel, PowerGraph, MathCAD 14; высокой степенью сходимости теоретических и экспериментальных данных, а также адекватностью математических моделей.
Основные положения диссертации доложены, обсуждены и одобрены на Международных научно-практических и научно-технических конференциях: в ВГСХА, затем ВолГАУ (2007-2014 гг.); ВНИИОЗ (2007 г.); ПНИИАЗ (2008, 2013, 2014 гг.); респ. Болгария (2011 г.); ВНИИ «Радуга» (2012, 2014 г.); КалмГУ (2013 г.); СибНИИСХ (2013 г.); НИИСХ Юго-Востока (2014 г.); ВНИ-ИГиМ (2014 г.); ВИМ (2014 г.), НВ НИИСХ (2015 г.)
В полном объёме диссертация доложена и одобрена на научно-техническом семинаре в ФГБОУ ВПО Волгоградском ГАУ (2014 г.).
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, библиографического списка и 18 приложений; содержит 317 страниц машинописного текста, в том числе 151 рисунок и 44 таблицы. Библиографический список включает 286 наименований литературных источников.
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 100 работ, из них 31 - в российских и 3 переводных в англоязычных рецензируемых журналах и изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией, в том числе индексируемых в международной базе Scopus; 20 работ изданы в сборниках докладов по материалам Международных научно-практических и научно-технических конференций; получено 17 патентов РФ на изобретения. Общий объём публикаций составляет 40,0 п.л., из них авторских - 21,0 п.л.
Современный уровень техники чизелевания почвы
Современная реология почв основана на закономерностях механики напряжённо-деформированного состояния тела [33, 66, 140, 158, 212, 216, 237 и др.]. Основные положения этой теории можно сформулировать следующим образом: зависимости между давлением и пористостью почвы, а также напряжением сдвига и изменением формы носят прямо пропорциональный характер; уплотнение почвы за определённый период времени происходит вследствие движения воды по порам, которое подчиняется законам фильтрации; почва это высококонцентрированная дисперсная среда, обладающая свойствами межчастичного сцепления и внутреннего трения, от которых зависит сопротивление грунта разрушению.
Изменение реологических (физико-механических) свойств почвы приводит к её деградации, количественному и качественному ухудшению гранулометрического состава, агрохимических свойств, водно-воздушного и пищевого режимов, а также нарушению функционирования почвенной биоты.
Основная проблема почв сельхозназначения Нижнего Поволжья заключается в физической их деградации и переуплотнении горизонтов.
Плотность является первичным и определяющим фактором всей физики -реологии почв [33, 66, 140, 158, 212, 216 и др.]. В первую очередь эти изменения отражаются на гидрофизических показателях - влагоёмкости и влагопроводности [92, 232, 236 и др.]. В целом же происходит нарушение режимов, протекающих в почвогрунтах, устойчивости агроландшафтов (рис. 1.1); продуктивность пашни и плодородие почвы снижаются. Обеднённые и заражённые земли выводятся из регулярного пользования. Брошенные земли становятся средой размножения карантинных растений и насекомых [97]. Физическая деградация: почвенной среды
По данным государственного учёта РФ (табл. 1.1; [184]), общая площадь деградированных сельхозугодий в стране составляет около 130 млн. га, в том числе пашни - 84,8 млн. га, пастбищ - 28,7 млн. га. При этом доля их неуклонно увеличивается, в течение последних 20 лет темпы прироста достигли около 7 % каждые 5 лет - это почти 1,5 млн. га в год.
Мелиоративное состояние орошаемых и осушаемых земель можно классифицировать как хорошее - 2,44 и 0,97; удовлетворительное - 1,02 и 2,33; неудовлетворительное - 0,87 и 1,47 млн. га соответственно. В структуре деградированных земель присутствуют около 12 % переувлажнённых почв, 19 % эродированных, около 10 % дефлированных и более 18 % засоленных и солонцовых комплексов.
Влияние изменения плотности почвы на деградационные процессы и урожайность сельхозкультур подтверждается исследованиями Почвенного института им. В.В. Докучаева. Специалистами этого НИИ определены оптимальные плотности различных типов почв (табл. 1.2; [13, 186 и др.]). Таблица 1.1
На слабосмытых и слабодефлированных почвах продуктивность культур падает на 10-15 %, ере дне деградированных - на 50-70 %. Сильно деградированные почвы теряют свою производительную способность, их использование в земледелии экономически нецелесообразно (рис. 1.2; [184]). С учётом низкой продуктивности кормовых угодий и фактической урожайности культурных растений недобор продукции составляет около 25 % с 1 гектара (0,4 т/га в переводе на зерно) эродированной и дефлированной пашни, а со всей её площади около 14 млн. тонн. Недобор продукции с деградированных кормовых угодий составляет около 0,1 т/га, или с общей площади - 1,4 млн. тонн.
Отмечается [157], что с 1992 года средняя урожайность зерновых культур в целом по России составляет 1,89 т/га, в мире - 3,12 т/га; столь низкая продуктивность обусловлена эрозионно-ирригационными процессами и основной обработкой почвы - вспашкой с оборотом пласта. За последнее десятилетие применение минеральных удобрений сократилось в 13 раз, а органических удобрений - в 8 раз (!). Ежегодные потери гумуса в горизонте почвы 0-0,30 м отмечаются на уровне 0,3-0,7 %. На стабильность получения продукции растениеводства в РФ с 70 % вероятностью влияют природно-климатические факторы, для сравнения, в западных странах эта вероятность составляет всего 20 %.
Влияние основной обработки почвы на содержание и трансформацию органического вещества подтверждается и другими данными [207], при этом доказывается, что длительная систематическая безотвальная обработка (без оборота пласта) способствует сохранению гумуса в слое почвы 0-0,20 м, урожайность зерновых не снижается в системе севооборота.
В процессе почвообработки из почвы происходит выделение диоксида углерода С02 - основной составляющей органического вещества. Потери органики в процессе микробиологического окисления после вспашки почвы в 10 раз больше, чем потери от эрозии. Влияние различных систем основной обработки почвы на эмиссию С02 показывает (рис. 1.3; [14, 58, 114 и др.]), что в течение 5 часов после пахоты количество СО2, поступающего в атмосферу максимально при от-вальной вспашке (81,3 г/м ). Почвозащитные технологии, реализуемые различны-ми орудиями, в среднем имеют эмиссию СО2 25 г/м (снижение в 3,25 раза!).
Совершенствование и классификация чизельных рабочих органов и орудий
По данным В.В. Васильева [23] решение данной проблемы может быть найдено за счёт более активного использования дешёвых природных минералов (агроруд). Автор предлагает для сохранения почвенного плодородия и повышения урожайности картофеля использовать глауконитовые пески - это минерал группы гидрослюд распространённый в осадочных породах, отличающийся широкой вариацией химического состава в зависимости от места добычи. Также в работе отмечается, что глауконит представляет собой водный алюмосиликат.
Водные алюмосиликаты [154, 233 и др.] способны за счёт ионообменных свойств связывать и нейтрализовать тяжёлые металлы и другие «опасные» элементы. Глаукониты характеризуются следующим составом: кремнезём Si02 49-56 %; закись и окись железа FeO + Fe2C 3 - 16-21 %; окись алюминия А12Оз - 11-18 %; окись калия К20 - 8-10 %; окись магния MgO - 4-7 %; вода 11-13 %; окись кальция СаО - 0,7-1,0 %; макро- и микроэлементы и другие включения. Необходимо подчеркнуть: общее содержание калийных и магниевых удобрений в глауконите составляет от 12 до 17 % (!).
По тем же данным [23], применение глауконитового песка в дозах 20-40 т/га по отношению к соответствующему фону обеспечивало увеличение содержания К до 25 мг/кг и Р до 28 мг/кг, снижение объёмной массы почвы в горизонте 0-0,27 м до 0,04 т/м , а рН до 0,3 единиц. Прибавка урожайности клубней картофеля при дозах внесения глауконитового песка от 2 до 40 т/га в сравнении с контролем (без внесения удобрений) составила 7,6-23,0 % соответственно. Автор также утверждает, что под картофель глауконитовый песок необходимо вносить в комплексе с азотно-фосфорными удобрениями. Оптимальные дозы на гектар глауконита Ют, а азотно-фосфорных удобрений - N60P6o.
Таким образом, водные алюмосиликаты могут использоваться не только как детоксикант ТМ, но и как источник калийного, магниевого удобрений и других макро- и микроэлементов, необходимых почвенной микрофлоре и растениям, и как дополнение к переработанному ОСВ, в котором недостаёт К. Глаукониты стимулируют действие минеральных удобрений. Исследования по использованию цеолитсодержащих пород в сельском хозяйстве посвящены работы учёных Татарского НИИ агрохимии и почвоведения [6, 74] и других, например [130, 182]. В частности, в опытах с глауконитовыми песками установлено, что в год внесения глауконитов в дозе 5 т/га прибавка урожайности яровой пшеницы в сравнении с контролем (без внесения удобрений) составила 60 %; на второй и третий года - при изучении последействия глауконитов при возделывании гороха и яровой пшеницы - прибавка урожайности составила 63 и 20 % соответственно. Отмечается также, что бентониты тоже обладают высокой ёмкостью поглощения (до 60 мг-экв./ЮО г), активными адсорбционными и ионообменными свойствами, способствуют накоплению продуктивной влаги, развитию почвенной микрофлоры, связыванию «опасных» элементов (ТМ), повышению урожайности сельхозкультур.
Следует отметить и исследования [2], где изучается влияние бентонитов на урожайность сорго и агрохимические свойства чернозёма обыкновенного. Установлено, что оптимальная доза внесения бентонита составляет 7,5 т/га. При этом в сравнении с контролем (без внесения удобрений) отмечено прибавка к урожаю 16,3 %, повышение в почве нитратного азота до 16,4 кг/га, Р205 и К20 на кг почвы до 7 и 15 мг соответственно, продуктивной влаги в слое 0-0,20 м за период вегетации сорго до 26,5 %. Биологическая активность почвы, определяемая по разложению льняной ткани, в фазу развития сорго 7-8 листьев в варианте с внесением бентонита была выше контроля на 135,7 %, в фазу вымётывания - 87,4 %, при уборке-43,6 %.
В [258] изучалось влияние различных доз (0,5-15 т/га) как отдельно бентонитовых глин, так и в комплексе с минеральными удобрениями (N90P120K90) на урожайность сахарной свеклы и последующих культур свекловичного четырёхпольного севооборота. Показано, что с увеличением дозы внесения бентонита урожайность сахарной свеклы возрастает линейно; на второй год последействия при возделывании ячменя тенденция роста урожайности сохраняется. Однако экономически более выгодно бентонит вносить совместно с минеральными удобрениями, рекомендуемой дозой 10 т/га. Данный вариант характеризуется высокой рентабельностью и позволяет расширить географию применения бентонитовых глин. Исследованию бентонитов на продуктивность сельхозкультур посвящены также работы [35, 37 и др.]
Изучениям другого перспективного удобрения-мелиоранта - цеолита посвящен ряд работ. Отметим исследования [112-113] свойств цеолита в смеси с торфом, которое осуществлялось в закрытом грунте при малообъёмном выращивании овощей, в частности томатов и огурца. Так при 20 % содержании цеолита в общем объёме смеси повышение урожайности огурца в сравнении с контролем (без внесения цеолита) составило 33 %. В опытах с томатами при внесении цеолита (20-25 % от объёма смеси) значительно лучше развивалась корневая система растений, увеличивалась площадь поверхности листьев, толщина и прочность стебля, на 17-26 % увеличивалась урожайность. В субстрате повышалось содержание основных питательных веществ и почти вдвое снижалось содержание солей, образовывались нитриты кремния, силаны и алкосиланы, которые токсичны для вредителей и возбудителей болезней. В эпидермальных тканях растений формировался защитный кремниевый барьер, повышался иммунитет растений.
Таким образом, использование илового осадка сточных вод и нетрадиционных агроруд (алюмосиликатов - цеолиты, глаукониты; монтмориллонитов - бентониты и др.) отдельно друг от друга находит применение в различных областях России и зарубежья при мелиорации почвогрунтов и возделывании сельскохозяйственных культур. Полученные результаты по урожайности озимой пшеницы для условий острой засухи при внесении илового осадка свидетельствуют о его широких возможностях; эффекты микромелиорации и гумификации обусловлены высокими сорбционными и ионообменными свойствами илового осадка. Цеолиты и глаукониты также обладают подобными свойствами. Имеется возможность получения высокоэффективного удобрения-мелиоранта путём объединения этих нетрадиционных компонентов. Однако изучение новых и комбинированных удобрений-мелиорантов и их оптимизация нуждаются в дополнительных исследованиях.
Исследование водно-физических, агрохимических и реологических свойств орошаемых почв при различных видах обработки
Результаты расчётов площадей сечения взрыхлённого пласта при чизелева-нии (F4) и отвально-лемешной пахоте (Fom) сведены в табл. 3.4, из которой следует, что соотношение площадей FJFom при оптимальной глубине обработки соответствующими орудиями составляет 1,12. В дальнейшем данные расчётов использовались при определении и интерпретации удельных показателей орудий. Представленные в таблицах 3.1-3.3 средние значения тягового сопротивления Rcp орудий (в зависимости от Vnh) для наглядности интерпретированы в виде графиков (рис. 3.27), которые дополнительно подтверждают, что минимальные значения Rcp имеют место при обработке почвы посредством чизеля без отвала, а максимум Rcp фиксируется при лемешной вспашке; повышение скорости V почвообработки с 4 до 7 км/ч хотя и приводит к некоторому возрастанию Rcp, но не оказывают решающего влияния на тяговые характеристики МТА; чизелевание почвы характеризуется снижением энергоёмкости почвообработки (по сравнению с пахотой), несмотря на увеличение примерно в 1,5 раза глубины h. способность почвенного пласта сопротивляться деформации; , = 1,5-2 (кНс )/м -коэффициент, зависящий от формы рабочей поверхности отвала, свойств почвы и размеров почвенного пласта; G = 9 кН - вес плуга; h = 0,20-0,28 м - глубина вспашки; Ъ = п-М =5-0,35 = 1,75 м - ширина захвата орудия (п = 5 - количество рабочих органов; М= 0,35 м - ширина междуследия); V= 1,11-1,94 м/с - скорость движения МТА. Значения коэффициентов/ К, приняты по В.П. Горячкину. Пример расчёта R (в кН) плуга при h = 0,20 м, V= 1,94 м/с: RmeoP = 0,9 9 + 0,20 1,75 -(50 + 2-1,942) = 28,23.
Расхождение между экспериментальными и теоретическими значениями тягового сопротивления отвально-лемешного плуга при скорости вспашки V = 4-7 км/ч (соответствует 1,11 и 1,94 м/с) составляет от 2 до 8 %, причём расхождение, при постоянных значениях коэффициентов /, К, , возрастает с увеличением глубины вспашки. На наш взгляд это связано с физико-механическими свойствами и гранулометрическим составом обрабатываемых слоев почвы. Так, например, на орошаемых землях при регулярных поливах происходит вымывание фракций физической глины в нижние слои. С увеличением содержания физической глины линейно возрастает удельное сопротивление почвы.
Также на рис. 3.27 теоретическое тяговое сопротивление чизельного орудия R при блокированном резании почвы без отделения почвенной стружки (h hK) с учётом разработок В.В. Труфанова, определяли по следующей трансформированной формуле В.П. Горячкина: где/=0,4, К = 35-43 кН/м2, =16 (кНс2)/м4, = 190-250 кН/м2, = 15,8 (кНс2)/м4 - значения коэффициентов при работе чизельных орудий, принятых по В.В. Тру-фанову; G = 5,6 кН - вес чизеля с отвалами; G = 4,65 кН - вес чизеля без отвалов. Пример расчёта R (в кН) чизеля с отвалами при h = 0,30 M,V= 1,94 м/с:
При определении теоретического тягового сопротивления чизельного орудия без отвалов R коэффициент можно не учитывать, а значения коэффициентов К и К принять минимальными:
Расхождение между экспериментальными и теоретическими значениями тягового сопротивления чизеля с отвалами при скорости вспашки V = 4-7 км/ч составляет от 6 до 12 %, без отвалов - от 2 до 17 %. Наибольшая разница фиксируется в горизонте почвы 0,4 м, что также свидетельствует о неоднородности состава и свойств орошаемых суглинистых почв по горизонтам.
Представленные в виде графиков (рис. 3.28) удельные тяговые сопротивления в относительных единицах - сила, отнесённая к площади F сечения взрых-лённой почвы (Ryd, кН/м ), - с учётом глубины h и скорости V обработки - дополнительно подтверждают более высокую энергоёмкость лемешного плуга в сравнении с чизельно-отвальным орудием (по мере увеличения глубины К).
Графики изменения удельных тяговых сопротивлений чизельного орудия без отвала и с отвалом имеют примерно одинаковую тенденцию и показывают: - существенное снижение удельного тягового сопротивления Ryd по мере увеличения глубины h чизелевания;
Наряду с представленными энергетическими показателями, заслуживают внимания не менее важные показатели - коэффициент полезного действия (КПД) и тяговая мощность почвообрабатывающих агрегатов. КПД можно определить по формулам В.П. Горячкина [40, для отвально-лемешного плуга] и В.В. Труфанова [245, для чизеля]: 1 R где/- коэффициент сопротивления плуга (орудия) в борозде, включающий потери на трение опорных поверхностей рабочих органов и сопротивление опорных колёс машины и т.п.; G - вес плуга; R - его тяговое сопротивление.
Вес чизельного орудия (без подрезающих лапок, которые отсутствовали при экспериментах) G = 5600 Н, тяговое сопротивление исследовавшихся орудий -это Rcp, его величина частично показана на рис. 3.19-3.24; вес серийного пятикор 107 пусного отвально-лемешного плуга G = 9000 Н. Коэффициент сопротивления f для чизелей - по В.В. Труфанову - f= 0,4. Для отвально-лемешных плугов В.П. Горячкин называет диапазон f= 0,5-0,9 (10-15 % от силы/G, которая трактуется как «мёртвое сопротивление»); для получения сравнимых результатов в расчётах принимаем/= 0,5.
Результаты расчётов сведены в табл. 3.5-3.7 и представлены на рис. 3.29 (в функции от глубины обработки h и площадей F сечения взрыхлённого пласта -после чизеля и лемешного плуга), которые показывают, что по мере увеличения глубины обработки (с 0,3 до 0,4 м) и среднего тягового сопротивления Rcp КПД ц чизеля повышается, при этом КПД чизеля с отвалом больше КПД чизеля без отвала. Но КПД отвально-лемешного плуга меньше КПД чизеля (с отвалом и без отвала), несмотря на рост Rcp при отвально-лемешной пахоте.
Энергоёмкость дренирования-кротования почвогрунтов в подпахотном горизонте
Необходимо отметить, что оптимальное значение коэффициента пористости к в горизонте 0-0,10 м и 0,10-0,25 м (биологически активная зона) для светло-каштановых и каштановых почв находится в пределах от 1,0 до 1,22, для чернозёмов южных и тёмно-каштановых почв - от 1,0 до 1,5, для чернозёмов обыкновенных - от 1,22 до 1,86.
Таким образом, полученные данные по коэффициенту пористости к в горизонте 0-0,10 м и 0,10-0,25 м свидетельствуют о протекании в перечисленных почвах эрозионно-ирригационных процессов, что выражается в нарушении формы частиц, межчастичных контактов и их связей.
Известно, например, [66, 100 и др.], что основное уплотняющее воздействие на почву происходит движителями тракторов и машин, чем выше давление в шинах, тем выше уплотняющее воздействие. Согласно стандартам развитых стран давление колеса на почву не должно превышать 0,06 МПа (0,6 кг/см ).
С целью дальнейшего изучения и развития этой проблемы, в полевых условиях были проведены опыты по определению коэффициента уплотнения (компрессии или сжимаемости) и построены компрессионные кривые усадки почвы (рис. 4.16; 4.17). Давление, оказываемое на почву, варьировалось в пределах от 0,05 (ДТ-75М и т.п.) до 0,16 (Т-150К, ХТЗ-150, К-700 и т.п.) МПа. Образцы почвы отбирались в слое 0,12-0,25 м - биологически активная зона, в которой располагается основная масса корней растений и микроорганизмов. Коэффициент компрессии определяли по минимальному и максимальному приложенному контактному давлению и соответствующим этим нагрузкам коэффициентам уплотнения [143, 145 и др.].
На участке АВ приращение давления нагрузки АР происходит соответствующее приращение Ак коэффициента к (рис. 4.16). Проведя аппроксимирующую прямую между точками А и В, получим угол наклона в компрессионной кривой, тангенс которой и есть коэффициент компрессии а, МПа"1 [33, 216, 252, 259]:
Зная начальный (до приложения нагрузки) коэффициент пористости к0 для расчётного слоя можно определить коэффициент относительного уплотнения а0\ омпрессионные кривые основных типов почв Нижнего Поволжья Расчётные показатели деформации почвогрунтов приведены в табл. 4.15. Модуль общей деформации и коэффициент компрессии представляют собой обобщённые характеристики почвогрунтов, которые отражают упругие и пластические деформации. Причём упругие деформации возникают в результате нагрузок, не превышающих структурную прочность грунтов, характеризуются способностью почвы возвращаться в исходное состояние после снятия нагрузок, а пла 154 стические деформации разрушают скелет почвы. При этом объемные пластические деформации уплотняют грунт за счёт изменения объема внутренних пор, а сдвиговые пластические деформации - за счёт изменения его первоначальной формы и вплоть до разрушения.
Для характеристики почвогрунтов по показателю компрессии используется следующая градация: а 0,1 МПа"1 - грунт малосжимаемый; 0,1 а 1,0 МПа"1 -грунт средней сжимаемости; а 1,0 МПа"1 - грунт сильносжимаемый.
Расчётные значения модуля деформации суглинистых почв показывают, что в большей степени подвержены нагрузкам каштановые, тёмно-каштановые и чернозёмы южные, у которых Е 20-22 МПа, а в меньшей - чернозёмы обыкновенные с Е 13 МПа. Модуль деформации светло-каштановых почв занимает промежуточное значение -\6 Е \1.
Таким образом, степень влияния плотности сложения и пористости на коэффициент компрессии и модуль общей деформации суглинистых почв неоднозначен, для более адекватной модели характеризующей деформационные явления дополнительно необходимо учитывать минералогический состав, дисперсность грунтов и состав обменных катионов.
Разработка и исследование композиций из нетрадиционных удобрений-мелиорантов на основе переработанного илового осадка
Основными методами утилизации бытовых осадков сточных вод (ОСВ) в экосистеме являются сбрасывание в отвалы, сжигание, длительное хранение на иловых площадках. В ряде зарубежных стран часть ОСВ утилизируют в сельском хозяйстве в качестве органического удобрения. В РФ использование осадка сточных вод на полях составляет не более 10 %, остальное не находит себе применения из-за несовершенной технологии его переработки.
Методы биоочистки ОСВ основаны на процессах аэробного окисления и анаэробного метанового сбраживания. Результатом биоочистки является иловой осадок, который в дальнейшем может использоваться в качестве удобрения.
Нами рекомендуется в качестве составляющей удобрения-мелиоранта использовать осадок после глубокой переработки ферментно-кавитационным методом. Метод предусматривает генерирование в циркулируемом субстрате кавитации низкой интенсивности (число кавитации Кб 0,05), а также интенсивное обогащение кислородом (в 8-10 раз больше общепринятого в подобных процессах), засасываемым вместе с воздухом посредством эжекторов. Этот усовершенствованный метод переработки иловых осадков был предложен и реализован Ю.А. Стёпкиной [230] в Компании по защите природы «Экотор» (Волгоград). Примеры использования новейшего переработанного и экологически - безопасного илового осадка отражены в работах [181, 193-195, 198-199 и др.].
В ходе скоротечной биоочистки сточных вод и обработки осадка реализуются процессы деструкции органических веществ в аэробных условиях - под дей 156 ствием кислорода как окислителя, высвобождающихся биогенных элементов, силового воздействия каверн (микропузырьков) кавитации и простейших микроорганизмов (ферментов). Последние в процессе своей жизнедеятельности деструк-тируют органические загрязнения, потребляя кислород. Микропузырьковая среда своими кавернами обволакивает частицы органики и сравнительно крупную патогенную микрофлору, разрушает их при схлопывании каверн. Такая среда весьма благоприятна для полезных микроорганизмов. Ресурсосберегающий и экологический процесс идёт до образования безвредных конечных продуктов - СО 2 и Н20 с одновременным «зарождением» новых микроорганизмов, в том числе ферментов; происходит также высвобождение минеральных элементов питания (табл. 4.16).