Разработаны оптимальные параметры аэрационного дренажа и глубокорыхлителя. Обоснована технология нарезки аэрационного дренажа и рыхления подпахотного слоя глубокорыхлителем, которая позволяет улучшить агротехнические показатели работы используемого оборудования, снизить расходы по эксплуатации техники до 30% и повысить урожайность хлопчатника до 10 ц/га.
Ключевые слова: аэрационный дренаж, глубокорыхлитель, аридная зона, водно-воздушный режим почв, хлопчатник.
Введение
Ценность земли как основного средства сельскохозяйственного производства в конкретной хозяйственной инфраструктуре определяется ее плодородием — способностью удовлетворять потребность растений в питательных веществах, воздухе, воде, тепле, биологической и физико-химической среде и обеспечивать урожай сельскохозяйственных культурных растений при хорошем качестве продукции.
Мировой и отечественный опыт свидетельствует, что высокая и устойчивая продуктивность земледелия возможна лишь при комплексном учете всех агрохимических и экологических факторов, необходимых для нормального роста и развития растений, формирования урожая и его качества, недопущения деградации земель (закисление, засоление, переуплотнение, эрозия, дефляция, истощение запасов органического вещества и доступных для растений питательных элементов, загрязнение вредными веществами и т.д.).
Углубление знаний в области взаимодействия человека, техники и природы приводит к пониманию, что в общую методологическую схему земледельческой механики системы “почва (сельскохозяйственная среда) – рабочий орган – энергия (расходуемая на технологический процесс)” должны вписаться растения и условия их развития, с одной стороны, и с другой стороны экология – сохранение равновесия агробиоценоза при техногенном воздействии на почву и окружающую среду. Эта особенность важна, ибо мы уже неоднократно получали негативную реакцию природы за неразумное воздействие на нее [8].
Для регулирования водно-воздушного режима почвы из-за малого срока службы (2-4 года) кротовый дренаж пока не получил широкого применения. Однако разрушение кротового дренажа зависит не только от механического состава почв, но и их конструктивных, технологических параметров рабочего органа дренажной машины и режимов ее функционирования [2].
Современное земледелие нуждается в различных рабочих органах и орудиях, как для основной, так и для поверхностной обработки почвы. Некоторые специалисты, имеющие дело с чернозёмом и обилием осадков, доказывают нецелесообразность глубокой безотвальной обработки почвы, другие являются ярыми сторонниками чизелевания, третьи проявляют осторожность, считая, что основная глубокая и безотвальная обработка почвы должна проводиться один раз в три года, в противном случае на полях будут засеваться сорняки [6]. При наличие уплотненного подпахотного горизонта, орошаемые почвы подвергаются воздействию следующих факторов: значительно расходуется поливная и промывная норма воды; ухудшается естественный режим почв; коэффициент фильтрации близок нулю; уменьшается мощность корнеобитаемой зоны; происходит эрозия и вторичное засоление; повышается объемная масса и твердость грунта; понижается инфильтрационная способность подпахотных слоев; почва становится переувлажненный; резко пересыхают верхние слои почв, а урожайность сельскохозяйственных культур снижается на 20 – 40% [4].
Монокультура также является одним из негативных факторов деградации земель в аридной зоне. Она наблюдается в районах развития хлопкосеяния, рисосеяния и других культур, причем проявляется в районах, где отсутствуют хлопко-люцерновые севообороты, мало вносятся в почву органические удобрения, агротехнические мероприятия проводятся тяжелой сельскохозяйственной техникой при влажном состоянии почв и т. д. Известно, что монокультура хлопчатника практикуемая в течении длительного времени вызывает деградации орошаемых земель. При этом почвы истощаются, сокращаются активность биологических процессов и накопления элементов питания многоразовый проход за сезон сельскохозяйственной техники приводят к уплотнению слоев (плужная подошва) с глубины 25 см до 60 см, где объемная масса превышает 1,45. Уплотнение препятствует проникновению корневой системы растений вниз и активизирует подъем по капиллярам солевых растворов. При возделывании бессменной культуры хлопчатника урожайность постепенно уменьшается и ухудшается роль отдельных элементов питания почвы. Потому почвозащитная и ресурсосберегающая направленность интенсивного земледелия есть необходимым условием для расширенного воспроизводства плодородия почвы [10].
Анализ извесных решений
Наукой и практикой достоверно установлено, что отвальный плуг разрушает структуру почвы и понижает ее плодородие. В результате оборота пахотного слоя наиболее плодородный верхний слой, в котором преобладают аэробные микроорганизмы, развивающиеся в условиях избытка кислорода, оказывается погребенным нижним - наименее плодородным слоем, в котором преобладают анаэробные микроорганизмы, развивающиеся в условиях недостатка кислорода. Погибает большинство как аэробов, так и анаэробов, то есть почва получает мощный стресс. Фактически становится некому переводить в почвенный раствор, через который как раз и питаются растения, вносимые минеральные и органические удобрения. Почва после отвальной вспашки восстанавливается не менее чем через полгода, и вносимые удобрения оказываются востребованными культурными растениями не более чем на 50%. В результате хозяйства несут колоссальные убытки, поскольку половина удобрений переходит в нерастворимые формы, недоступные растениям.
При орошении с увеличением плотности почвы уменьшается ее впитывающая способность и, как следствие, интенсифицируется процесс водной эрозии. Поливы дождеванием, даже малыми нормами, вызывают образование поверхностного стока и смыв наиболее плодородного субстрата почвы и удобрений. Скопление воды в понижениях способствует пополнению грунтовых вод, а застойный характер увлажнения почвы – формированию процессов гидроморфизма с нарушением равновесного состояния солевого баланса [9].
Постановка задачи
Основное назначение кротового или аэрационного дренажа (АД) – улучшения водно-воздушного, солевого и теплового режимов тяжелых почвогрунтов с целью повышения плодородия и урожайности сельскохозяйственных культур. Технология устройства АД должна обеспечивать эффективность и долговечность его работы. До настоящего времени такой дренаж применялся и изучался лишь в зоне осушения в качестве кротового дренажа (КД), т.е. для отвода излишних вод. Влияние его на почвенные процессы в аридной зоне пока не исследовано, хотя важность проведение таких исследований диктуется насущными потребностями сельскохозяйственного производства. Кротование грунтов сопровождается рыхлением верхнего растительного слоя и формированием полости торпедоподобным пассивным рабочим органом. Основным типом рабочего оборудования для нарезки дрен является плоский нож с установленным в основании наконечником различной формы. Принцип, которого дренажа заключается в следующем. Тонкий лемех с имеющимся на его основании специальным устройством, формует при движении лемеха устойчивый туннель. Это достигается за счет использования торпедообразного расширителя. Формирование кротовин происходит в процессе блокированного резания массива грунта. Целью данного исследования является разработка оптимальных параметров кротового дренажа и глубокорыхлителя почв.
Решение задачи
Моделирование работы дренажа свидетельствует о том, что интенсивность поступления воды в дрену определяется коэффициентом фильтрации и водоотдачи наддренного слоя грунта, из которого происходит сброс гравитационной воды. Кроме того, рабочие органы, применяемые для нарезки дрен, имеют большие тяговые усилия, в результате образования пластично-упругих деформаций грунта в нижней части ножа, о чем свидетельствуют также результаты исследований А.Н. Зеленина [7]. В этой зоне грунт, вытесняемый рабочим органом, выдавливается в боковые стенки щели, не разрушая его к дневной поверхности. Критическая глубина резания рабочими органами данного типа определяет значительные тяговые усилия базовых машин. Поэтому нарезка АД в зоне орошаемого земледелия не нашла широкого применения. Отечественные конструкции АД представляет собой полость с наддренной щелью. Щель и уплотненная стенка кротовин являются основным недостатком данной конструкции, т.к. происходит разрушение структуры грунта околодренной зоны. При водонасыщении грунт начинает набухать, препятствуя притоку воды к дрене, а вода, поступая через щель, приводит к размыву и разрушению свода дрен. Это дало возможность предложить новую конструкцию АД. Предлагаемая конструкция АД включает две параллельные дренажные полости, сформированные в монолите грунта естественной структуры. Сохранение естественной структуры грунта вокруг дрены обеспечивает достаточную водозахватную способность и эксплуатационную надежность. Для удовлетворения изложенных требований нами были разработаны специальные, универсальные рыхлители-кротователи новой конструкции, защищенные авторским свидетельством [1].
Технология нарезки аэрационного дренажа разработана с учетом грунтовых условий и биологических требований к развитию корневой системы хлопчатника, которая основана на разрыхления подпахотных слоев и нарезке в монолите грунта перпендикулярно основному дренажу водоаккумулирующих кротовых спаренных дрен на глубину 600 мм и на расстояния 900 мм [4]. Влияние АД на водно-воздушный режим почвы проявляется, прежде всего, в подпахотном горизонте, где влагоемкость почвы по результатам опытов повышалась на 30% (глубина 30-50 см). Анализ образцов грунта на плотность, влажность, питательный режим и солевой состав проводился Байрамалийской почвенно-химической станцией, а также в аналитической лаборатории ИМиВП АСХНТ. Влагоемкость в пахотном слое (глубина 0-35 см) увеличивалась лишь на 6%. Механический состав грунта опытных участков характеризуется высоким содержанием глинистых частиц от 38% в пахотном слое (средний и легкий суглинок) до 75% в подпахотном слое. Положительно сказалось рыхление-кротование на водопроницаемость почвы. Установлено, что воздействие АД снижалось с течением времени, т.е. практически на 4-ем году эксплуатации коэффициент фильтрации стабилизировался, незначительно превышая контрольный вариант.
Раскопки дрен позволили прийти к выводу, что в почвах с тяжелым механическим составам (70-90% глины), основной приток к дренам происходил через наружные стенки, т.к. коэффициент фильтрации грунта в междренном пространстве был менее чем в монолите. Однако, благодаря наличию двух спаренных кротовин, интенсивность поступления воды в дрены была значительно больше, чем в одиночные дрены. Следует отметить, что при данной конструкции АД количество воды, отводимой дренажем по сравнению с притоком воды непосредственно через щель в дрену, уменьшилась (до 0,08-0,27 м\сут.) и практически определялось фильтрационными способностями грунта. Благодаря такой конструкции АД, схема притока воды к дренам значительно изменилась, что позволило снизить градиент напора, а следовательно, и предотвратить суффозионный вынос частиц грунта.
Оценку прочности грунта проводили портативным прибором, основные конструктивные данные которого приведены в работе Ю.А. Ветрова [3]. В работе применялись разные методы лабораторных и полевых исследований. Установление оптимальных параметров рабочего оборудования и конструкции дрен производились в грунтовом канале, оснащенном оборудованием для исследования процессов резания грунта кротодренажными рабочими органами. Оборудование включает динамометрический стенд, установленный на передвижной тележке. Силы резания определялись по деформациям двух тензометрических балок. На каждую тензометрическую балку было наклеено по четыре датчика, выполняющих функции рабочих и компенсационных датчиков, что позволило регистрировать только разность напряжений на базовом участке балочки, заключенной между собой датчиками [4].
Скорость перемещения рабочего органа принимались в пределах 0,25 м/с. Устойчивость кротовых дрен определялась с помощью лабораторно-полевых методов: лабораторным (Р.Ф. Астапова); полевым (М.Н. Глотова); лабораторно-полевым (Ф.Р. Зайдельмана). При соблюдении технологии нарезки АД, эффективность и продолжительность действия его на тяжелых почвах аридной зоны составила 4 года.
Установлено, что при нарезке АД в аридной зоне позволяет улучшить водно-воздушный режим почвы за счет перераспределения влаги нижележащие подпахотные горизонты и ее аккумуляции в грунтовом массиве 0-60 см по глубине [5]. В результате проведения кротования-рыхления почвы, рыхление почвы происходит на всю глубину V-образной формы, ширина которой по верху составляет 65-70 см. при этом средняя комковатость почвы составляет 30-60 мм. Кротование дрены сформованы в монолите грунта с плотностью скелета 1,5-1,7 г/см3, влажность 8-12%. Использование влияния АД на мелиоративное состояние почвы проведено на землях совхоза «Ак Алтын» Каракумского этрапа Марыйского велаята. Опытный участок площадью типичным для данного региона.
Размещение вариантов по делянкам и определение параметров выполнено по методике Б.А. Доспехова. Расположение опытных делянок производили по систематическому методу, т.е. восемь вариантов с четырехкратной повторностью находятся в одном ярусе. В шести вариантах использована аэрация почвы с междренным расстоянием 0,6; 0,9; 1,2; 1,8; 3,0 и глубиной нарезки 0,6 м, а в двух вариантах – рыхление сплошное и полосное. Закладка опытных делянок осуществлялась после вспашки, а в последующем по существующей агротехнике был выполнен посев хлопчатника.
Технико-экономические показатели по процессу в целом также свидетельствуют об эффективности новой конструкции оборудования для нарезки АД. Экономический эффект от внедрения данной конструкции в совхозе «Ак Алтын» Каракумского этрапа Марыйского велаята подтвердили наши работы. Так, только по себестоимости внедряемого мероприятия и удельным капитальным вложениям, фактический годовой экономический эффект составляет 128 руб./га (рыхлитель - 70 руб./га; АД - 58 руб./га). Конструкции устройства нарезки АД прошли ведомственные приемочные испытания Госагропрома Туркменистана. С 1990 г. на объектах хлопководческих хозяйств выполнен АД на площади более 60 тыс. га. и внедрено более 60 кротователей.
Выводы
Теоретически и экспериментально исследованы и разработаны оптимальные параметры АД и глубокорыхлителя (НАД-2-60). Показана возможность установки приспособления для внесения с помощью рыхлителя органоминеральных жидких удобрений. Обоснована технология нарезки АД и рыхления подпахотного слоя глубокорыхлителем, которая позволяет улучшить агротехнические показатели работы орудий при наименьших энергетических затратах. Технико-экономические расчеты и результаты внедрения показали, что нарезка АД позволяет снизить эксплуатационные расходы до 30%, обеспечить оптимальной водно-воздушной режим почвы в аридной зоне и повысить урожайность хлопчатника до 10 ц\га.
Литература:
А.с. 1751263 /СССР/. Устройство для нарезки кротовин /Хоммадов К., Данатаров А. –Москва. - 1992. - Бюл.№28.
Борисенко И. Б. Совершенствование ресурсосберегающих и почвозащитных технологий и технических средств обработки почвы в острозасушливых условиях Нижнего Поволжья. / Дис. д. т. н. Волгоград 2006. С. 4-402.
Ветров Ю.А. Резание грунтов землеройными машинами. / Ю. А. Ветров.–М.: Машиностроение. 1971. -360с.
Войтович И.В., Данатаров А. Оптимизация параметров рабочих органов кротователей. / Сб. научных трудов Гидротехника и мелиорация на Украине. вып. 3.- 1994.- с.42-45.
Данатаров А. Аэрационный дренаж в условиях аридной зоны // Международный научно-практический журнал. Проблемы освоения пустынь. №6 Ашгабат1998. с.95.
Досжанов О.М., Досжанов Е.О. Эффективность применения рыхлителя-кротователя для регулирования водного режима почвы. / ЮКГУ имени М.Ауезова, г.Шымкент, Каз НУ имени аль-Фараби.- г. Алматы.- 2010.
Зеленин А.Н. Основы разрушения грунтов механическими способами. 2-е изд. перераб. и доп. –М.: Машиностроение. 1968. -376с.
Кушнарев А. Новый взгляд на обработку почвы / Техніко-технологічні аспекти розвитку та випробування нової техніки і технологій для сільського господарства України // Зб. наук. пр. Вип. 13 (27), Дослідницьке. 2009 с.15-29
Максименко В. П. Комплексная мелиорация уплотненных почв на орошаемых землях Автореферат дис. на соиск. уч. ст. д. с\х н. Москва – 2011. С.46.
Применение комбинированно-ярусной системы обработки почвы в интенсивном земледелии. / НПО «Подмосковье».- М. ВО Агропромиздат.- 1988. с.3-29.
