An innovative means of basic soil cultivation in the cultivation of sorghum in the conditions of the Republic of Burundi

Full Text

Введение

Республика Бурунди – небольшое государство в Центральной Африке, окруженное Танзанией на востоке и юге, Демократической Республикой Конго (ДРК) – на западе и Руандой на севере. Государство расположено на расстоянии 1200 км от Индийского океана, 2200 км – от Атлантического океана и 3800 км – от Средиземного моря. Рельеф Бурунди в основном состоит из высоких плато и холмов и находится на средней высоте 1520 м на границе между водами Нила и Конго. Основные высоты – на востоке и юго-западе. Площадь страны составляет 27834 км², в том числе 2180 км² занимает вода, а плотность населения более 400 чел/км². Республика Бурунди – это страна, которая живет в основном за счет сельскохозяйственного сектора. Сельское хозяйство и животноводство обычно составляют долю от 40 до 60 % валового внутреннего продукта (ВВП).

Климат Бурунди – субэкваториальный, теплый и достаточно влажный. Средняя годовая температура воздуха составляет примерно +23…+25 °C (днем) в регионах на плато и примерно +26…+28 °C – в западных низменностях. Среднее количество выпадающих осадков – 1200–1500 мм в год. Дождливыми сезонами считаются период с сентября по ноябрь и с февраля по май. В Республике Бурунди преобладают трех типов: глинистые, песчаные и слоистые почвы. Основная часть почв имеет кислый оттенок – на уровне pH 5…6 единиц. Общая площадь, занятая зерновыми, составляет около 200000 га или выше по всей территории страны. Наибольшая доля приходится на провинции Муйнга и Кирундо – 42 %. Выращивание сорго в основном практикуется в природных регионах Имбо, Бугесера и Моссо.

Сельскохозяйственный сектор Бурунди характеризуется натуральным сельским хозяйством, в котором в основном преобладают продовольственные и сезонные культуры (кукуруза, рис, фасоль, сорго, бананы, колокез, картофель, сладкий картофель и др.), занимающие 90 % обрабатываемых земель [1]. Сорго – это один из основных продуктов питания в беднейших регионах мира, к которым относится и Бурунди, где продовольственная безопасность находится под большей угрозой. Сорго генетически адаптирована к жарким и сухим агроэкологиям, где было бы сложным выращивание других культур, как для производства зерна, так и для производства соломы на корм. Сорго используется не только в пищу, но и в качестве корма для домашней птицы и крупного рогатого скота. Сорго зерновое кафрское и хлебное, возделываемое в странах Центральной и Восточной Экваториальной Африки, отличается повышенным содержанием крахмала в зерне и скороспелостью.

Население страны проживает в основном в сельской местности (90 %), а 97 % живут в основном за счет сельского хозяйства и животноводства. В Бурунди преобладают мелкие и мельчайшие крестьянские хозяйства (средние размеры земельного надела крестьянской семьи составляет 0,8 га, или два акра). Традиционное африканское земледелие базируется на переложной системе с отдельными элементами интенсивного земледелия (ирригация, террасирование и т.п.). В переложной системе земельный массив разбивается на несколько участков, часть из которых используется под посев зерновых культур, остальные, утратившие плодородие, оставляют под перелог на 10…30 лет. После естественного восстановления плодородия перелоги вновь обрабатываются и засеваются культурными растениями.

На сегодняшний день в Республике Бурунди существует проблема повышения урожайности сорго (выше существующих 1,0…1,3 т/га) и снижения высоких трудовых затрат при его возделывании.

Для борьбы с бедностью в Бурунди следует проводить эффективную политику развития села и социальной защиты [2], включающую определенные решения и действия в рамках фермерских организаций. Имеется часть крестьянских хозяйств, которые объединены в производственные кооперативы площадью 200…300 га. В них возможно ведение интенсивного земледелия и применение современных технических агрегатов высокой производительности, способствующих повышению урожайности в 5…10 раз.

Цель и задачи исследований

Целью исследования являются механизация процесса и повышение качества обработки почвы при возделывании сорго.

Для выполнения поставленной цели поставлены следующие задачи:

• произвести краткий анализ состояния приемов и технических средств обработки почвы в Бурунди;
• предложить универсальную конструкцию агрегата для механизированных процессов разрыхления почвенных структур при возделывании сорго в Бурунди.

Материалы, методы и результаты исследований

Реализация поставленных задач осуществлена следующим образом. Анализируя состояние приемов и технических средств, установлено, что в Республике Бурунди в настоящее время сельскохозяйственные работы выполняются с помощью мотыги и мачете. Мотыга используется для обработки почвы, а мачете – для срезания кустарников деревьев и сорняков перед началом обработки почвы. Обработка мотыгой интересна тем, что способствует переворачиванию земли. Но, с другой стороны, использование этих несовременных инструментов вызывает определенные проблемы, такие как:

• невозможность обработки почвы на желаемом уровне глубины с учетом требований культуры;
• влечет за собой высокие затраты на рабочую силу и задержки в выполнении работ.

Таким образом, при увеличении посевных площадей и уровня производства для удовлетворения спроса на сельскохозяйственную продукцию и корм (пищевые продукты для людей и животных) в настоящее время предполагается использовать современные орудия, способные выполнять работы, связанные с обработкой почвы в короткие сроки вовремя и качественно.

Согласно поставленной цели исследования, результатом операций является качественный показатель Х, от которого зависит урожайность. Установлены предметные переменные, принимающие значения из некоторой предметной области предметных констант, и разрабатывается соответствующая формализованная модель. Например, согласно логическим операциям, формализованная модель процесса сплошной обработки почвы может иметь вид следующего математического выражения:

x₁ Λ x₂ Λ x₃ Λ x₄ Λ x₅ Λ x₆ Λ x₇ Λ x₈ Λ x₉ ⊃ X, (1)

где Λ – конъюкция (союз «и»); ⊃ – знак импликации (соответствующий по смыслу союзу «если…, то…»); x₁…x₉ – предметные переменные: x₁ – глубина обработки; x₂ – ширина захвата агрегата; x₃ – масса агрегата; x₄ – производительность; x₅ – затраты на обработку почвы (лущение, вспашка, предпосевное рыхление); x₆ – затраты на компенсацию потерь урожая из-за эрозии почвы; x₇ – затраты на компенсацию потерь урожая из-за срыва агротехнических сроков обработки; x₈ – затраты на дополнительные обработки (боронование, культивация, дискование, прикатывание и т.д.); x₉ – затраты на компенсацию потерь урожая от уплотнения почвы.

Каждый параметр представляет собой закономерности, подчиняющиеся сложным законам, зависящим от множества факторов, которые трудно математически описать и определить [3]. В данной модели не учтены затраты, связанные с заделкой незерновой части урожая, и затраты, связанные с влагосбережением.

Вследствие того, что имеются трудности установления функциональных зависимостей между параметрами рабочих органов, силами сопротивления почвы, физико-механическими свойствами почвы, ее структуры и плодородия, нами предложено дальнейшие исследования проводить с использованием логики предикатов и кванторной алгебры. Так как предикат (n-местный) – это функция с областью значений {0,1} (или «Истина» и «Ложь»), определенная на n-й декартовой степени множества M [4], то, с учетом сказанного, в качестве первого предиката нами взят «Минимум общих затрат на почвообработку»:

А(x₁…x₁₁): х₅ = f(x₁,…x₄), x₁₁ = х₅ + х₇ + х₈ + x₉ + x₁₀, (2)

где x₁₀ – затраты, связанные с заделкой незерновой части урожая; x₁₁ – затраты, связанные с влагосбережением.

Для обеспечения указанной модели нами была предложена находящаяся на этапе патентирования усовершенствованная конструкция сельскохозяйственной машины в виде полезной модели с названием «Навесная диско-чизельная борона» (рис. 1). Техническим результатом ее разработки являются снижение трудозатрат на регулировки, расширение функциональных возможностей и повышение качества обработки.

 

Рис. 1. Конструкция навесной дискочизельной бороны: а – общий вид бороны; б – часть дискового модуля (вид сверху)

 

Рассматривая аналоги предложенной конструкции (устройство для обработки почвы [5], устройство для безотвальной обработки почвы [6], навесная дисковая борона Паллада БДН-2400 [7]), можно выявить их основные недостатки: низкие функциональные возможности, связанные с глубиной обработки 8−18 см, и качество обработки. У других аналогов, таких как борона дискочизельная (дискочизель) БДЧ «Росомаха» [8], можно рассматривать в качестве недостатков данной конструкции то, что она прицепная. Из-за этого возникают неудобства работы в чеках, в результате имеются необработанные участки по углам. Также к недостаткам можно отнести крепление стоек чизельных рабочих органов, что ведет к высоким затратам труда на регулировку глубины, причем всего на два положения, и низкие функциональные возможности, так как не выполняется операция лущения без лап-глубокорыхлителей.

Навесная диско-чизельная борона (рис. 1−3) содержит продольную раму 1, которая выполнена трехбалочной и оснащена ребрами жесткости и кронштейнами для навески на энергетическое средство. К раме 1 последовательно крепятся с помощью кронштейнов дисковый модуль 2 в виде рамы с двумя рядами сферических дисков 3 диаметром 560 мм. Каждый диск 3 бороны смонтирован на индивидуальной стойке 4 в узлах с индивидуальными пресс-масленками, с возможностью плавной регулировки угла атаки каждого ряда дисков в пределах от 0 до 30° с помощью рычагов 5, планок 6 и талрепов 7. Далее размещен выполненный в виде рамы с двумя рядами лап-глубокорыхлителей 8 с регулируемыми по высоте боковыми ножами 9 чизельный модуль 10. Чизельный модуль 10 представляет качающееся звено параллелограммного механизма благодаря шарнирно закрепленным к раме 1 и его раме плечей 11 и 12. Плечи 12 оснащены рычагом 13, который связан через винтовой домкрат 14 с верхней балкой рамы 1. Для жесткой фиксации положений чизельного модуля 10 на его раме и на раме 1 предусмотрены кронштейны 15 и 16 с отверстиями для фиксирующих пальцев. Затем расположен планчато-спиральный каток 17, оснащенный кронштейнами крепления 18 и талрепами 19 регулировки его вертикального положения.

 

Рис. 2. Схема работы навесной дискочизельной бороны: а – вид сбоку технологической операции лущения; б – вид сбоку технологической операции предпосевной обработки почвы

 

Рис. 3. Схема навесной дискочизельной бороны (вид сбоку технологической операции вспашки)

 

Работа навесной дискочизельной бороны заключается в следующем. При навешенной на трактор трехбалочной раме 1 для операции лущения после уборки зерновых культур вначале производится регулировка на дисковом модуле 2, где устанавливают необходимый для лущения угол атаки каждого ряда дисков 3, поворачивая их стойки 4 с помощью рычагов 5 и планок 6 талрепами 7. Далее поднимают лапы глубокорыхлителей 8 с боковыми ножами 9 при помощи рамы чизельного модуля 10, являющейся качающимся звеном параллелограммного механизма, плечей 11, 12 посредством рычага 13 и винтового домкрата 14 в крайнее верхнее положение. Затем регулируют глубину обработки дисков 3 установкой необходимой высоты планчато-спирального катка 17 относительно кронштейнов крепления 18 талрепами 19. После этого заезжают в чек, опускают раму 1 в рабочее положение и начинают движение. В работе участвуют диски 3 и каток 17. Получаемая глубина обработки дисками 3 данной операции – в пределах 100 мм.

Для предпосевной обработки также вначале устанавливают необходимый для данного процесса угол атаки каждого ряда дисков 3. Далее опускают лапы глубокорыхлителей 8 с боковыми ножами 9 с помощью рамы чизельного модуля 10, являющейся качающимся звеном параллелограммного механизма, плечей 11, 12 посредством рычага 13 и винтового домкрата 14 в среднее положение. Далее чизельный модуль 10 жестко фиксируется при совпадении верхнего отверстия кронштейнов 15 и с отверстиями кронштейнов 16 посредством фиксирующих пальцев. Затем также регулируется глубина обработки дисками 3 и глубокорыхлителями 8 с боковыми ножами 9 установкой параметров необходимой высоты планчато-спирального катка 17 относительно кронштейнов крепления 18 талрепами 19. После этого заезжают в чек, опускают раму 1 в рабочее положение и начинают движение. Получаемая глубина обработки дисками 3 при этой операции – в пределах 100 мм, лапы-глубокорыхлители 8 с боковыми ножами 9 – также в пределах 100 мм. Дисковые органы 3 производят разделку стерни, измельчают растительные остатки и перемешивают ее с почвой. Применяемые лапы-глубокорыхлители 8 с боковыми ножами 9 создают ровную подпочвенную подошву и исключают саму возможность появления огрехов. Каток 17 раздавливает комки, выравнивает поверхность почвы и создает мелкокомковатый поверхностный слой.

Для операции вспашки аналогично вначале устанавливают необходимый для вспашки угол атаки каждого ряда дисков 3. Далее опускают лапы глубокорыхлителей 8 с боковыми ножами 9 с помощью рамы чизельного модуля 10, являющейся качающимся звеном параллелограммного механизма, плечей 11, 12 посредством рычага 13 и винтового домкрата 14 в крайнее нижнее положение. Затем чизельный модуль 10 жестко фиксируется с помощью кронштейнов 15 и 16 с отверстиями и фиксирующих пальцев. Также регулируется глубина обработки дисками 3 и глубокорыхлителями 8 с боковыми ножами 9 установкой необходимой высоты планчато-спирального катка 17 относительно кронштейнов крепления 18 талрепами 19. После этого заезжают в чек, опускают раму 1 в рабочее положение и начинают движение. В работе участвуют диски 3, глубокорыхлители 8 с боковыми ножами 9 и каток 17. Получаемая глубина обработки дисками 3 при этой операции – в пределах 150 мм, лапы-глубокорыхлители 8 с боковыми ножами 9 – еще глубже, на 150 мм.

Для глубокого рыхления модуль 2 с дисками снимается, при этом работают лапы-глубокорыхлители 8 и планчато-спиральный каток 17.

Новыми элементами в конструкции является то, что продольная рама выполнена трехбалочной, оснащена ребрами жесткости и кронштейнами для навески на энергетическое средство. При этом чизельный модуль выполнен в виде качающегося звена параллелограммного механизма благодаря шарнирно закрепленным на его продольной раме плечам, одни из которых оснащены рычагом, связанным через винтовой домкрат с верхней балкой продольной рамы. Причем для жесткой фиксации положений чизельного модуля на его раме и на продольной раме предусмотрены кронштейны с отверстиями и фиксирующие пальцы.

Заключение

1. Применение разработанной модели «Навесная дискочизельная борона» обеспечит снижение трудозатрат на регулировки, расширение функциональных возможностей за счет дополнительной операции лущения без чизелей и повышение качества обработки почвы, так как благодаря навесной системе облегчаются заезды в чеки и исключаются необработанные участки по углам.
2. Чтобы выращивать сорго в Республике Бурунди, для операций лущения, вспашки, предпосевного рыхления необходимы три разных технических средства, что нерентабельно из-за большой номенклатуры. В нашем случае все указанные операции выполняются одной машиной.
3. Использование комбинированного агрегата, способного выполнять несколько операций за один проход, дает следующие преимущества: снижение эксплуатационных расходов; работы по обработке почвы выполняются в очень короткие сроки, а также снижаются затраты энергии.

About the authors

B. F. Tarasenko

Kuban State Agrarian University named after Ivan T. Trubilin

Email: donsergio38@gmail.com

Dsc in Engineering

Russian Federation, Krasnodar

E. Khav'yarimana

Kuban State Agrarian University named after Ivan T. Trubilin

Email: donsergio38@gmail.com
Russian Federation, Krasnodar

V. A. Drobot

Kuban State Agrarian University named after Ivan T. Trubilin

Email: donsergio38@gmail.com

PhD in Engineering

Russian Federation, Krasnodar

S. G. Rudnev

Kuban State Agrarian University named after Ivan T. Trubilin

Author for correspondence.
Email: donsergio38@gmail.com
Russian Federation, Krasnodar

References

Supplementary files