Агротехнические приемы возделывания агрокультур в условиях среднего и нижнего поволжья
Проблема предотвращения эрозии и обеспечения влагосбережения в засушливых регионах России, а также накопление и рациональное использование запасенной влаги в период вегетации растений являются определяющими факторами получения устойчивых урожаев зерновых культур и многолетних трав [14-18]. Только комплексное выполнение соответствующих агротехнических приемов может обеспечить эффективное накопление и последующее рациональное использование почвенной влаги.
При этом основными видами потерь влаги в вегетационный период являются ее испарение из почвы и поглощение сорняками. Снижению же влагопотерь, в частности на испарение, служат такие мероприятия, как: рыхление верхнего слоя почвы с одновременным заделыванием трещин и разбиванием крупных комьев почвы, уплотнение разрыхленного слоя почвы с созданием на верхнем горизонте более плотного слоя, препятствующего интенсивному испарению влаги, снижение перемешивания слоев почвы и ее выноса из нижних и, следовательно, более влажных уровней на поверхность.
Для регионов, применяющих влагосберегающие агротехнологии, как правило, характерны весенне-летние засухи. Поэтому для них часто единственным условием сохранить урожай является накопление в почве влаги, которая была получена в виде осенне-зимних осадков, и может составлять до 40…50% годового количества.
Негативно сказывается на плодородии почвы и приводит к снижению урожайности сельскохозяйственных культур и многократные — в течение всего цикла сельскохозяйственного производства – проходы по полю тракторов, комбайнов и другой мобильной техники, поскольку приводят к распылению верхнего и уплотнению нижнего слоев почвы [19-22].
При проведении сельскохозяйственных работ от 40 до 80 % поверхности поля подвергается воздействию ходовых систем машинотракторного агрегата (МТА), а поворотные полосы на краю поля подвергаются 8-10-кратному воздействию. Увеличение массы тракторов и сельхозмашин приводит к уплотнению не только пахотного слоя, но и подпахотного горизонта на глубину 1… 1,5 м.
В результате чего усиливаются эрозионные процессы, снижается общая и капиллярная пористость плодородного слоя, а объемная масса почвы и ее сопротивление обработке повышаются соответственно в 1,5…2 и 1,3… 1,9 раза. Это, в свою очередь, приводит к снижению жизнедеятельности почвенной микрофлоры и, как следствие, к недобору 20…
40 % урожая [23-27]. В связи с повсеместным применением отвальных плугов и плоскорезов образуется плужная подошва, препятствующая проникновению осадков в нижележащие слои и испарению излишков влаги из нижних горизонтов. Перечисленные выше факторы приводят к деградации плодородного слоя почвы и расширению ареала эрозионных процессов [28-32].
Борьба с переуплотнением тесно связана и с экологией окружающей среды: водоемы загрязняются смытой почвой вместе с токсичными веществами в виде остатков минеральных удобрений, пестицидов и гербицидов. Борьбу с уплотнением почвы проводят по трем направлениям: снижение уплотнения, предотвращение уплотнения, разуплотнение.
С целью снижения уплотнения почвы совершенствуются ходовые системы МТА, уменьшается масса МТА, создаются широкозахватные и комбинированные машины, используется технологическая колея: при возделывании сельскохозяйственных культур. К способам: предотвращения уплотнения почв может быть отнесена технология«нулевой» обработки почвы..
Для многоукосных культур характерны циклические повторения технологической- цепочки, которые зависят от количества проведенных укосов. Например; люцерна- многолетняя культура и одной из ее биологических особенностей: является ежегодное увеличение количества корней, и их последующее: скручивание, затрудняющее отрастание старовозрастной люцерны [32].
Поэтому для хорошей аэрации корневой: системы, разрушения почвенной корки и поддержания высоких урожаев рекомендуется проводить, глубокое рыхление, (щелевание): люцерны второго и последующих лет жизни: Междуукосное щелевание на орошаемых многолетних травах является дополнительным элементом в технологии их возделывания и имеет многоцелевое назначение: разрушение почвенной корки; улучшение аэрации; прореживание корневой системы растений; эффективное использование;влаги.
Прием устройства вертикальных открытых щелей; был предложен К.К.Бамбергом [33], нашел разработку в трудах Н.А.Димо [34]. В середине прошлого века на: Украине уже проводилось экспериментальное щелевание минеральных почв, а в настоящее время такой способ обработки почвы нашел широкое применение w у нас в стране, и за рубежом.
В условиях Саратовской области щелевание впервые исследовалось П.С.Волковым [35]. По результатам работ, проведенных вгАткарском; районе Саратовской, области, осеннее щелевание многолетних .трав; показало высокую эффективность в качестве , агротехнического приема, улучшающего физико-механические свойства почвы, и способствующего двойному увеличению урожайности.
Щелевание орошаемых многолетних трав, проводимое в Пугачевском районе Саратовской области, позволило увеличить урожайность культур на 8-10 центнеров с гектара, а прибавка урожая травесмеси в районах Саратовского Заволжья от щелевания составила в среднем 5,4-12,0 т/га. В системе земледелия Саратовской области щелевание рекомендуется как обязательный агротехнический прием, способствующий увеличению запасов влаги [36-38] и снижению поверхностного стока воды.
Земледелие в эрозионно-опасных и засушливых условиях -рискованное земледелие, поэтому оно требует особого отношения к выполнению почвовлагосберегающих агроприемов и технологий. Поскольку в разные периоды года преобладают различные виды потерь влаги, поэтому и приемы ее сохранения так же имеют существенные отличия, однако имеется ряд общих требований к обработке почвы.
При подготовке почвы к посеву влага теряется преимущественно за счет испарения, поэтому рыхление и крошение почвы необходимо совмещать с уплотнением ее верхнего слоя и выравниванием микрорельефа поля при минимальном количестве проходов МТА. Такую обработку выполняют комбинированные агрегаты и культиваторы, оснащенные катками.
Лабораторная установка и оборудование для исследования процесса резания почвы щелевателем
Исходя из общих задач исследований, сформулированных в разделе 1, а также теоретических предпосылок, полученных в разделе 2, программа экспериментальных работ предусматривает [89-93]: – определение сопротивления резанию щелевателя в зависимости от глубины резания, скорости резания, углов резания и заострения; – выявление характера деформирования почвы рабочим органом щелевателем, определение качественных и энергетических показателей технологического процесса, выполняемого щелевателем; – определение изменения урожая зерновых культур после почвообработки, проводимой серийным щелевателем и предлагаемым, а так же на контроле, где почва не подвергалась щелеванию.
Объектом исследования являлся процесс взаимодействия щелевателя с грунтом во время резания. Лабораторные исследования проводились в грунтовом канале с двумя типами щелерезов: серийный и экспериментальный трехъярусный [94,95]. Грунтовый канал имеет корыто, в котором насыпан почвогрунт нужного состава и состояния, может перемещаться на катках по направляющим вперед и назад с различной скоростью, задаваемой гидроприводом (рис. 3.1).
На портале с возможностью перемещаться в горизонтальной плоскости с помощью передачи «винт-гайка», поворачивать в вертикальной плоскости относительно оси балки и фиксироваться в любом положении клемовыми соединениями, обеспечивая плите три степени свободы. Тензометрический мост, рис. 3.2, установленный на плите, несет на себе рабочие элементы и позволяет производить регистрацию действующих горизонтальных и вертикальных сил с помощью тензометрических резисторных датчиков.
Регистрационный датчик представляет собой тонкую проволоку или фольгу из материала с высоким коэффициентом тензочувствительности (отношением изменения электросопротивления к упругому относительному удлинению), который наклеивается на упругий элемент. Упругие деформации элемента приводят к пропорциональному изменению электросопротивления тензодатчика [96].
Управление фунтовым каналам производится с помощью расположен В ходе проведения лабораторных исследований определялось влияние различных геометрических параметров серийного и предлагаемого щелевате-ля на сопротивления резания. Для этого были изготовлены опытные образцы щелевателей с разными геометрическими параметрами.
Серийный щелеватель, рис. 3.3, представляет собой вертикальную стойку 1, в нижней части которой установлено долото 2. Стойка щелевателя крепится посредством крепежной планки 3 на горизонтальную плиту 4, которая в свою очередь жестко фиксируется на тензометрическом мосте 5. Мост закреплен на портале 6.
Данная конструкция позволяет производить резание почвы до глубины 25 см с интервалом 1 см, а так же производить изменения угла резания стойкой щелевателя в диапазоне от 20 до 150 с интервалом в 5 посредством поворота горизонтальной части портала с помощью червячного редуктора. из рамы 1, на которой посредством горизонтальной оси 2 подвешен корпус 3.
На корпусе 3 последовательно друг за другом закреплены ножи 4, 5, 6. Толщина первого, второго и третьего ножей находятся в соотношении Н Н2 Н3. Корпус 3 подпружинен относительно рамы 1 пружиной 7 и может совершать колебательные движения в вертикальной плоскости, вследствие чего во время работы могут изменяться углы наклона ножей.
Величина амплитуды колебаний корпуса 3 определяется регулируемыми ограничителями – передним 8 и задним 9. – ножи; 7 – пружина; 8 и 9 – ограничители. Щелеватель работает следующим образом. Посредством переднего ограничителя 8 регулируется и устанавливается оптимальный угол входа ножа 4 в почву, при котором обеспечивается формирование верхнего яруса щели, подрезание растительных остатков и сброс их на стерню.
Второй нож 6 формирует собственно щель без деформации ее стенок и верхнего яруса. Третий нож 6 прорезает в дне щели узкую дополнительную щель, что способствует накоплению и удержанию влаги в щели. Встречающиеся незначительные твердые вкрапления в почве гасятся колебаниями корпуса за счет амортизационной пружины.
Если на пути агрегата встречается достаточно твердый участок почвы, то корпус 3 отклоняется назад, сжимая пружину 7. При этом первый нож 4 заглубляется в почву и прорезает ее не носком, всей передней заостренной кромкой, облегчая тем самым работу второго ножа 5 по формированию щели, что, в конечном счете, исключает возможную поломку ножей.
Амплитуда отклонения корпуса регулируется задним ограничителем 9 таким образом, чтобы при максимальном отклонении корпуса, третий нож 6 не выходил за пределы угла в 90. Наиболее оптимальное положение этого ножа в пределах от 60 до 90, что и определяет амплитуду качания корпуса.
На данное техническое решение получен патент РФ № 61977 на полезную модель (Приложение 2).
Особенности взаимодействия щелерезного органа с почвой
В работах советских и зарубежных ученых В.П.Горячкина, А.Н.Зеленина, Ю.А.Ветрова, А.М.Холодова, К.А.Артемьева, В.И.Баловнева, Е.Динглингера, Н.Ратье, В.И.Пындака, И.Б.Борисенко и др. исследованы физические основы процесса взаимодействия рабочих органов почвообрабатывающих машин с почвой, получены выражения для определения усилия резания почвы рабочими органами в зависимости от их геометрических параметров и физико-механических свойств почвы.
Однако эти решения рассматривают взаимодействие с почвой широких ножей, где глубина резания значительно меньше ширины резания, например щелерезы (щелеватели). Использование этих выражений для расчета усилия резания почвы узкими ножами приводит к существенным ошибкам по сравнению с экспериментальными данными [74,75].
Это объясняется значительным отличием в процессах взаимодействия с почвой широких и узких ножей. Анализ процесса резания почвы широким плоским ножом показывает, что данный процесс может быть описан в рамках плоской двухмерной задачи. Вырезаемая из массива почва перемещается вверх по лобовой поверхности ножа, испытывая нагрузку от вышележащего слоя почвы.
При этом, в основном преобладает деформация сдвига почвы ножом под определенным углом к горизонту. Угол сдвига почвы определяется геометрическими параметрами ножа и физико-механическими характеристиками почвы. Резание почвы, не обладающей сцеплением, сопровождается образованием и перемещением перед рабочим органом призмы почвы, в виде сыпучего тела.
При резании почвы, обладающей сцеплением, перед ножом образуются тела скольжения, то есть элементы сдвига почвы, причем ширина разрушения почвы на уровне дневной поверхности превышает ширину рабочего органа [74,76-79]. Такой характер процесса сохраняется-при резании почвы на глубину менее критической глубины резания.
При глубоком резании почвы рабочими; органами почвообрабатывающих машин, когда, как правило, глубина резания превышает ширину резания, картина процесса резания значительно изменяется. Последнее характерно для соотношения ширины и глубины резания — 3 0 [76-81]. Критическая- глу бйна резания может быть определена как, глубина резания, ниже которой почва не выносится на дневную поверхность, а вдавливается в стенки и дно прорези [79,80].
Ниже критической глубины резания преобладают деформации сжатия и вязко-пластической деформации почвы, причем с увеличением общей глубины резания,величина критической глубины резания практически не изменяется, при этом долясил сжатия и; вязко-пластической деформации почвы в общем балансе сил резания; возрастает.
Картина деформации почвы при увеличении глубины резания ниже критической также не претерпевает изменений [79,82]. В закритической зоне резания несколько изменяется характер влияния геометрических параметров рабочего органа на общее усилие резания [79,82]. Объем уплотненной почвы в стенках прорези может значительно превышать ширину резания [74,82].
Ниже критической глубины резания характерно образование перед лобовой поверхностью.ножа ядра-уплотнения , которое перемещается вместе с: ножом, периодически разрушаясь и возникая вновь. Выше критической глубины резания процесс резания; наиболее полно соответствует плоской задаче, ниже – пространственной или объемной.
Данные факторы и ряд результатов исследований [74-80] послужили основой для выбора.гипотезьго возникновении.вязко-пластической деформа-;, ции и деформации сжатия на глубине ниже критической; За. счет вязко- пластической деформации почвы ниже критической глубины резания происходит выдавливание почвы из зоны резания в сторону.
Выражение для определения усилия глубокого резания можно записать в следующем виде: где F р – усилие в зоне традиционного резания, Н; F пер – усилие резания на глубине ниже критической глубины резания, Н; F г – усилие резания в переходной зоне, Н. Первое слагаемое выражения (2.1) будем определять в рамках теории резания почвы, разработанной д.т.н.
, профессором В.И. Баловневым [83,84]. Наличие переходной зоны можно объяснить вариацией физико-механических свойств почвы по траектории резания, поэтому, принимая почву как абсолютно однородное тело, можно сделать предположение о том, что hnep свернется в линию, лежащую на глубине равной hKp. Отсюда выражение (2.1) можно записать в следующем виде:
Для определения полного усилия глубокого резания применим принцип суперпозиций, т.е. принцип независимости действия усилий в зоне рыхления и зоне вязко-пластической деформации на рабочий орган. Этот принцип можно применить на основе следующего анализа. Процесс традиционного резания, сопровождающийся образованием тел скольжения (раковин скола), простирается до глубины, где действие пригрузки, сил трения тела скольжения по почве и лобовой поверхности рабочего органа и вес тела скольжения не будут уравновешены усилием, действующим на тело скольжения со стороны ножа и заставляющим его двигаться вверху.
Последнее подтверждается рядом исследований [77,78,81] показывающих, что направление линий скольжения почвы (линий сдвига) изменяется по мере приближения к hKp причем угол направления линий скольжения к горизонту изменяется от 35-38 до 0 на уровне критической глубины резания [77,78]. При переходе hKp линии вязко-пластического течения почвы составляют такой же угол с вертикальной плоскостью, лежащей по направлению движения рабочего органа, а процесс чистого резания с образованием тел скольжения, переходит в процесс вязко-пластической деформации почвы с линиями вязко-пластического течения.
При этом критическая глубина резания есть линия границы двух процессов деформации почвы, и ей соответствует минимум энергоемкости процесса щелевания почвы [74,76]. Если в зоне рыхления рост усилия резания с увеличением глубины идет более интенсивно, то при переходе критической глубины резания приобретает вид линейной функции, о чем свидетельствует и распределение давлений на переднюю лобовую поверхность рабочего органа по глубине резания [82].
Как показано выше, при резании почвы ниже критической глубины резания имеет место вязко-пластическая деформация почвы с упрочнением, по мере удаления от рабочего органа переходящая в упруго-пластическую деформацию почвы, чем объясняется реактивное давление почвы на боковые стенки щелереза и частичное смыкание стенок прорези после прохождения рабочего органа [79-82].
