Small-sized unit for the restoration of herbage in mountain meadows and pastures

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время почвы горных участков Северного Кавказа не соответствует потенциальным возможностям этой территории, несмотря на богатство естественных биологических ресурсов, способных обеспечить развитие сельскохозяйственного производства зоны [1].

Луга и пастбища, несмотря на специфические особенности (крутые склоны, сильная каменистость, малая мощность гумусового горизонта, кислотность почвенного раствора и др.), а также климатические условия, такие как: резкая смена температуры воздуха в течение любого времени, неустойчивый водно-воздушный режим, всегда были и будут надежным источником производства высокопитательных и дешевых кормов, при правильном уходе, для круглогодового содержания животных в горах. Площадь сенокосов и пастбищ горной зоны Республики Северная Осетия (РСО)-Алания составляет 121,8 тыс. га. Однако, отсутствие регулярного ухода и бессистемное использование природных кормовых угодий обуславливают низкую урожайность (45 ц/га сухой массы) и вызывают деградацию травостоев. Это не только сдерживает развитие животноводства, но и разрушает всю экосистему, нанося непоправимый ущерб экологическому состоянию горных ландшафтов.

Кормовые угодья, близлежащие к поселениям горцев, легкодоступные для бродячего скота, перегружаются, подвергаясь физической деградации, выбиванию дернины, распылению почвы. На некоторых горных участках смыв почвы на один гектар может достигать 500—900 м³ при минимальных допустимых нормах 2–3 м³/га в год. Почвы горных территорий Северного Кавказа, составляющие около 300 тысяч км², истощаются, ежегодно теряя в среднем, до 80 тыс. т азота, 18–20 тыс. т фосфора и около 70 тыс. т. Подобные негативные процессы наблюдаются, в основном, в нижних частях склоновых участков, особенно на южных и юго-восточных экспозициях лугостепных и субальпийских поясов. Здесь в результате перегрузки скотом копытами животных выбивается дернина. При ее отсутствии почва выплескивается из образовавшихся тропинок с дождевой каплей. При чрезмерной нагрузке пастбища тропинки смыкаются и начинается поверхностный сток, который часто завершается разрушением почвы до плотной горной породы, после чего эти участки надолго исключаются из сельскохозяйственного использования [2, 3].

Единственный природный фактор, который противостоит разрушительному воздействию прогрессирующего деградационного процесса – это растительность, важная часть горной экосистемы, которая принимает на себя все стрессовые природно-климатические и антропогенные воздействия. Но, без поддержки человека горная экосистема постепенно разрушается, что ведет к глобальной катастрофе [4].

Для предотвращения подобной проблемы необходимо обеспечить проведение мероприятий, способствующих формированию высокопродуктивного травостоя и позволяющих целенаправленно решать задачи по стабилизации экологической структуры горных агроэкосистем.

Одно из эффективных мероприятий по такому улучшению – подсев семян многолетних трав на сильно выбитых пастбищах, где летом и зимой концентрируется основное поголовье скота. Такие возможные операции, как щелевание и внесение удобрений, в горах не приводят к необходимому уровню нормального травостоя, предотвращающего поверхностный сток и смыв почвы. В горных условиях подсев семян трав усложняется специфическими факторами ландшафта: мелкоконтурностью, склоновостью рельефа. Все эти факторы затрудняет применение специализированной серийной техники. В большинстве случаев подсев трав в дернину природных лугов без предварительной ее обработки оказывается малоэффективным, так как незаделанные семена не дают всходов или же всходы гибнут, не выдерживая конкуренции с естественными травами в борьбе за питательную среду.

Благоприятные условия для приживания семян достигаются подсевом семян на оголенные участки и последующим их прикатыванием. По результатам проведенных исследований мы составили классификацию условий, требующих улучшения горных пастбищ:

• травостой из плохо поедаемых или ядовитых растений;
• после сбора камней, на оголившуюся почву;
• после удаления кочек или кустарников;
• после удаления сорных растений;
• выродившиеся и изреженные травостои;
• по участкам выбоин от прохода скота или техники;
• после деградации травостоя под воздействием природных факторов (кислотный дождь, сель, смыв водным потоком, ветровая эрозия, оседание облака вредных выбросов предприятий, нанос грунта и т.д.);
• мощный травостой из малоценных трав, после интенсивного стравливания овцами.

Из классификации видно, что необходимость подсева семян трав может быть техногенного и природного происхождения.

Самое необходимое в горной местности – это решить проблему кормов, снизив, при этом, себестоимость молока. Все это можно осуществить, оптимизировав кормопроизводство бобово-злаковых пастбищ на склоновых землях, и, организовав луговое и полевое кормопроизводство. Данный комплекс задач позволит решить проблему оздоровления стада, и остановить деградацию эрозионно опасных земель, улучшив среду обитания населения горной местности.

Известно, что способы окультуривания почв основаны на правильном подборе смеси бобовых и злаковых многолетних трав, применяя, при этом, метод их посева поперек склона. Для посева трав на равнине используют габаритные зернотравяные сеялки СЗ-3,6А; СЗТ-3,6А; СЗПП-4 и другие, которые невозможно использовать на мелкоконтурных участках горной зоны. В настоящее время серийных сеялок, предназначенных для подсева травосмесей на склоновые (до 15°) пастбищные участки горной зоны, нет. Подсев проводится, как правило, вручную.

При создании конструкции опытного образца сеялки необходимо учитывать, что она должна быть маневренной, малогабаритной и приспособленной к высеву на склонах. Поэтому актуальной задачей остается разработка малогабаритных маневренных машин, способных поверхностно вносить различные виды трав на горные луга и пастбища (патент на изобретение RU 2415538 C1, 2011) [5].

Целью исследований являлась разработка и изготовление лабораторного образца блок-модуля на базе мини-трактора Feng Shou 180, предназначенного для поверхностного подсева семян трав, обеспечивающего снижение деградационных процессов склоновых участков, ускоренное повышение урожайности, качество и количество многолетних трав, а также устойчивость почв к водной и ветровой эрозии.

Объектом исследования является технология, конструкция и рабочие органы лабораторного образца сеялки для поверхностного внесения травосмесей на деградированные горные луга и пастбища, конструкция которой должна отвечать агротехническим требованиям при работе на деградированных почвах, имеющих уклон обрабатываемых участков до 16° [6, 7].

Предметом исследований являлись конструкция, технология, эксплуатационные и агротехнические параметры лабораторного образца малогабаритного агрегата для подсева семян трав, рабочие органы: маятниковые высевающие аппараты, нормы и способ высева семян.

Научная новизна. Впервые разработан и создан лабораторный образец малогабаритной маневренной сеялки, предназначенный для подсева травосмесей на горные (склоновые) деградированные луга и пастбища с уклоном до 16 градусов различного механического состава, на базе китайского мини-трактора Feng Shou 180.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ.

Техническая экспертиза научной документации малогабаритной маневренной сеялки для улучшения (методом подсева) деградированных лугов и пастбищ различного механического состава с уклоном до 16° горной зоны Северной Осетии проводилась согласно государственным стандартам для посевных сельхозмашин и орудий.

По ГОСТ 31345-2007 «Сеялки тракторные» определены функциональные показатели качества работы высевающих аппаратов при стендовых испытаниях.

Задачи исследований:

• разработать лабораторный образец блок-модуля;
• испытать его на деградированных склоновых (до 16° уклона) сенокосных участках;
• дать оценку подсеянному сенокосу (фенологические, продукционные, энергетические свойства);
• определить эффективность подсеваемых травосмесей.

Испытания опытного образца проводились на горном стационаре СКНИИГПСХ РСО–Алания. Деградированный сенокос расположен на высоте 1650 м над уровнем моря юго-восточной экспозиции, уклон участка изменяется от 13 до 16 градусов в зависимости от расположения. Участок с изреженным разнотравно-злаковым травостоем (45% проективного покрытия почвы). Перед посевом внесены минимальные дозы удобрения N60P45K20 (фон).

Варианты опыта:

1. контроль (без удобрений);
2. фон + клевер красный 5 кг/га + тимофеевка луговая 3 кг/га;
3. фон + клевер красный 10 кг/га + тимофеевка луговая 6 кг/га;
4. фон + клевер красный 15 кг/га + тимофеевка луговая 8 кг/га.

Делянки расположены рандомизированно, поперек склона, в 4-кратной повторности: площадь каждой делянки 72 м²; количество делянок – 16; общая площадь опытного поля с межделяночными дорожками и защитными полосами – 1712,5 м².

Опыт заложен по методике проведения полевых опытов на сенокосах и пастбищах, согласно рекомендациям ВНИИ кормов им. В.Р. Вильямса (1971 г.). [8].

Соблюдены следующие агротехнические требования:

• высота стерни перед подсевом трав не более 5–7 см;
• оптимальные сроки подсева трав с одновременным внесением жидких удобрений осенью с 01.09 по 30.09.; летом с 15.08. по 30.08.; весной с 1.03. по 30.04. при достаточной влажности почвы (60–80%) в соответствии с технологической картой и техническим заданием по обработке лугов и пастбищ, в любое удобное для хозяйства время, но учитывая при этом, опасность смыва их талыми водами и ливневыми осадками;
• на участках с очень плотной дерниной и плохо поедаемой растительностью необходимо провести перед подсевом обработку дисковыми боронами БДН–1,3 в 2–3 следа;
• устройство для обеспечения нормы высева семян должно регулироваться с помощью передаточного механизма или конструкции высевающего аппарата (катушек).

Для выполнения поставленной цели скомплектованы узлы и детали машины, изготовлен лабораторный образец машины [9, 10], проведены наладочные и регулировочные работы, стендовые и полевые испытания (рис. 1).

 

Рис. 1. Конструктивная схема опытного образца сеялки для подсева травосмесей: 1 – ящик для семян злаковых трав; 2 – привод высевающего аппарата семян злаковых трав; 3 – привод высевающего аппарата семян бобовых трав; 4 – ящик для семян бобовых трав; 5 – ведущая звездочка; 6 – опорно-приводное колесо; 7 – сцепка треугольная; 8 – рама сеялки; 9 – кронштейн крепления; 10 – телескопическая стойка крепления колес к раме сеялки; 11 – стойка пружинистая; 12 – секция прикатывающих катков; 13 – разбрасыватель семян трав конусного типа; 14 – факел разбрасываемых семян трав; 15 – поверхность почвы. / Fig. 1. Structural layout of a prototype of a sowing machine for oversowing of grass mixtures: 1 – a box for seeds of cereal grasses; 2 – drive of the sowing machine for seeds of cereal grasses; 3 – drive of the sowing machine for seeds of leguminous grasses; 4 – a box for seeds of leguminous grasses; 5 – a driving sprocket; 6 – a support-driving wheel; 7 – a triangular hitch; 8 – a seeder frame; 9 – a mounting bracket; 10 – a telescopic strut for connecting the wheels to the seeder frame; 11 – a springy strut; 12 – a section of press wheels; 13 – a cone-type grass seed spreader; 14 – a torch of scattered grass seeds; 15 – soil surface.

 

Техническая экспертиза разработанного опытного образца агрегата для подсева различных травосмесей включала: техническое описание, инструкцию по эксплуатации в горной местности, согласно техническому заданию и агротехническим требованиям. Проведена оценка монтажепригодности и функциональных показателей агрегата.

Производительность агрегата определялась за 1 ч работы согласно формуле:

$W_{\text{час}}=\mathrm{0,1}{В}_{р}\cdot V_p\cdot k$,

где В_р – ширина захвата, м; V_р – рабочая скорость, 6 км/ч; k –коэффициент использования чистого рабочего времени – 0,8. То есть W_час= 0,1 · 2,4 · 6 · 0,8 = 1,152 га/ч.

Сезонная производительность агрегата определяется по формуле:

W_сез=W_час·k_см·t_смD_р;,

где k_см – коэффициент сменности, k_см=1,1; Dр– число рабочих дней агрегата за сезон, принимаем 50 дней (в два периода: весной, осенью); t_см – продолжительность смены, t_см=7 ч. То есть W_сез=1,1521,1750=443,5 га.

Для определения качественных показателей разработанной сеялки были выделены делянки длиной по 10 м, шириной 2,4 м. Проходы совершались в 10-кратной повторности.

Равномерность распределения высеянных семян по площади участка определяли методом высева на липкую ленту, на которой впоследствии производился замер интервалов между семенами. Согласно методике, высев семян на липкую ленту проводился при установившемся режиме всех движущихся частей лабораторного образца.

Авторы при разработке конструкции лабораторного образца агрегата использовали свои патенты предыдущих лет (патенты РФ № 144420 и №153083, 2014 г.).

Для улучшения маневренности и уменьшения габаритов сеялку предлагается навешивать на мини-трактор Feng Shou 180. На раме сеялки установлены два ящика для семян, поскольку норма высева у различных видов трав разная и требует персональной настройки с помощью сменных звездочек (рис. 1). Разработанная сеялка согласно техническому заданию должна выполнять работу на склоновых участках при влажности почвы 60–80% и твердости до 3,5 МПа.

Основные конструктивные технико-эксплуатационные показатели:

• диаметр разброса одного высевающего аппарата маятникового типа– 40 см;
• ширина захвата агрегата – 1,8-2,4 м;
• способ высева семян трав – разбросной;
• количество высевающих аппаратов − 2;
• производительность работы часовая − 1,152 га/ч;
• рабочая скорость движения агрегата – 6 км/ч;
• норма высева семян 3-40 кг/га;
• крутизна склона – до 16°.

Для привода звездочек оборудована цепная передача от опорно-приводного колеса (6). При постановке агрегата на стоянку он опирается на четыре колеса (2) и (12).

При выполнении операции подсева семян трав и прикатывания их в почву лабораторный образец агрегата, начиная движение сверху вниз поперек склона, перемещается от его вершины к его подошве челночным способом. В конце гона должны быть предусмотрены площадки для свободного поворота агрегата, т.е. разворотные полосы. Процесс высева семян обязательно находится под наблюдением и контролем агронома–испытателя.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

По результатам научно-исследовательской и опытно-конструкторских разработок обоснована технология и разработана конструктивная схема, изготовлен лабораторный образец сеялки для подсева травосмесей на горные (склоновые) деградированные луга и пастбища с уклоном до 16°. Сеялка агрегатируется на базе китайского мини-трактора Feng Shou 180 (возможен вариант агрегатирования на тракторах подобного класса (рис. 2) [11, 12].

 

Рис. 2. Опытный образец сеялки для подсева травосмесей в агрегате с мини-трактором Feng Shou 180. / Fig. 2. The prototype of sowing machine for oversowing of grass mixtures coupled with the Feng Shou 180 mini-tractor.

 

Лабораторный образец блок-модуля для подсева семян трав испытывали на изреженном участке северного склона крутизной 13–16 градусов в местности «Сугсадтанрага» опорного пункта (с. Даргавс) СКНИИГПСХ. Агрегат начинает движение поперек склона сверху вниз челночным способом [13, 14].

Подсев семян трав выполняется следующим образом (рис. 3). Под каждую высевную катушку высевающего аппарата установлены разбросные конусы с пробками-заслонками. Они открывают и закрывают семяпровод через исполнительный механизм, который активируется через усилитель сигнала. Сигнал генерируется в фотоэлементе при отражении света от твердой и гладкой поверхности почвы, оголенной от травостоя [15, 16]. При наличии травостоя фотосигнал (свет) в нем рассеивается и обратного отражения света в фотоэлемент не происходит, сигнал не формируется.

 

Рис. 3. Схема автоматического адресного подсева семян трав к горной сеялке: 1 – травяной высевающий аппарат; 2 – звездочка привода катушек высевающего аппарата; 3 – высевная трубка с разбросным конусом; 4 – пробка-заслонка выключения секции высевающего аппарата; 5 – передаточный механизм от усилителя сигнала к заслонке; 6 – усилитель сигнала от фотоэлементов; 7 – фотоэлемент, считывающий состояние травяного покрова лугопастбищного участка. / Fig. 3. Scheme of automatic targeted oversowing of grass seeds to the mountain seeder: 1 – a grass seeding machine; 2 – a sprocket of the sowing machine coils drive; 3 – a sowing tube with a scattering cone; 4 – a gate for turning off the section of the sowing machine; 5 – a transmitting mechanism from a signal amplifier to the gate; 6 – the photocell signal amplifier; 7 - a photocell counting the state of the grass cover of the grassland area.

 

Предварительную механическую обработку почвы не проводили. Заранее были внесены минеральные удобрениях в стартовой дозе (N₆₀P₄₅K₂₀). Высевали клевер красный и тимофеевку луговую в различных нормах, что значительно изменило биоразнообразие лугопастбищного фитоценоза (таблица 1).

 

Таблица 1. Влияние подсеянной травосмеси на показатели травостоя (в среднем за 3 года) / Table 1. The influence of the oversown grass mixture on the indicators of the herbage (on average for 3 years)

Варианты опыта	Линейный рост, см	Количество побегов, шт/м2	Ботанический состав, %					Урожай, т/га			Переваримого протеина на 1 корм.ед., г	Валовая энергия, ГДж/га	Обменная энергия, ГДж\Га
			злаки		бобовые		Разнотравье	Сухое вещество	Кормовых единиц	Переваримого протеина
			Всего	Тимофеевка	Всего	Клевер
1	42,7	870	32,4	–	4,3	–	63,3	1,7	0,79	0,054	68	28,9	15,1
2	79,1	2120	41,7	15,1	26,6	19,6	31,7	4,8	2,17	0,237	109	82,6	46,1
3	87,3	2470	46,3	18,7	32,5	28,3	21,2	6,4	2,89	0,358	124	113,3	64,0
4	96,4	3010	47,7	20,4	37,7	31,1	14,6	7,8	3,50	0,455	130	138,1	80,34

 

Всходы на участках с внесением удобрений появились раньше: клевера красного – на 8–10 дней, тимофеевки луговой на 12 дней. Учитывая ускоренный рост подсеянных трав и их развитие (количество побегов по мере повышения норм высева увеличилось с 870 до 2120; 2140 и 3010 шт./м², соответственно вариантам опыта), растущее на этих участках разнотравье подверглось угнетению и снизилось соответственно с 63,3% до 31,7; 21,2 и 14,6%.

По мере увеличения в травостое бобового компонента с 4,3% (преобладание клевера белого и астрагала) до 26,6; 32,5 и 37,7% концентрация клевера лугового значительно возросла, что повлияло не только на прирост надземной массы, но и на урожай подземной, который увеличился по сравнению с контролем, соответственно, в 2,8; 3,8 и 4,6 раза. При содержании 0,48 корм. ед. в 1 кг сена, питательность сена в вариантах с удобрением составила 2170; 2890 и 3500 корм. ед./га.

Бобовый компонент способствовал повышению питательной ценности и накоплению энергии корма. Так, сбор перевариевамого протеина с 54 кг/га на контроле вырос, соответственно вариантам опыта, до 237; 358 и 455 кг/га, а концентрация его на 1 корм. ед. повысилась с 68 г до 109; 124 и 130 г. При этом показатели валовой энергии в 1 кг сухого корма возросли с 16,1 до 17,7 Мдж в опытных вариантах, что позволило увеличить ее содержание с 28,9 ГДж/га до 138,1 ГДж/га. Соответственно этому возросла и обменная энергия. Бобовый компонент не только обеспечил фенологические изменения травостоя, но и способствовал поддержанию злаков. Их доля постепенно возрастала обеспечив оптимальное соотношение с бобовыми травами: от 7,9 : 1 до 1 : 2; 1 : 1,4 и 1 : 1,3. Это соответствует показателям высококачественного сена, которое при скармливании животным в зимний период может обеспечить их высокую продуктивность без использования комбикормов, что особенно актуально для горной зоны.

Если оценить эффективность подсева трав при получении продукции, то с учетом стоимости горного сена – 5,2 тыс. руб./т прибыль на третий год исследования составила по вариантам опыта 16,1 тыс.; 24,4 тыс. и 31,7 тыс. руб. В первый год проведения эксперимента данные показатели были ниже наполовину из-за затрат на семена, удобрения и проведение технических приемов.

Нормы высева можно применять в соответствии с состоянием (выбитостью) участка лугопастбища, его проективным покрытием и качеством травостоя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Впервые, на базе мини-трактора Feng Shou 180 создан лабораторный образец агрегата, предназначенный для поверхностного подсева семян трав с последующим их прикатыванием на участках в горных и предгорных зонах. Главными отличиями конструкции горной сеялки являются ее малые габариты и маневренность в условиях горных мелкоконтурных участков. Лабораторный образец агрегата соответствует агротехническим требования и техническому заданию (что было этапом разработки 2019–2022 гг.). Следовательно, подсев трав на мелкоконтурных склоновых участках с помощью агрегата горной модификации позволяет восстановить деградированные сенокосы и пастбища горной зоны, повысить продуктивность, питательность и энергонасыщенность получаемого с них корма, что способствует круглогодичному содержанию животных в горах при использовании высококачественных кормов. Подсев семян трав обеспечивает снижение деградационных процессов склоновых участков, ускоренное повышение урожайности, качества и количества многолетних трав, улучшает устойчивость почв к водной и ветровой эрозии.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Вклад авторов. Л.Р. Гулуева — поиск публикаций по теме статьи, написание текста рукописи; редактирование текста рукописи; И.Э. Солдатова — редактирование текста рукописи, создание изображений. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE. Все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. L.R. Gulueva ― search for publications, writing the text of the manuscript, editing the text of the manuscript; I.E. Soldatova ― editing the text of the manuscript, creating images. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Competing interests. The authors declare no any transparent and potential conflict of interests in relation to this article publication.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

About the authors

Irina E. Soldatova

North Caucasian Research Institute of Highland and Piedmont Agriculture of the Vladikavkaz Scientific Center of the Russian Academy of Sciences

Email: irasha2012@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1683-6908
SPIN-code: 4079-6690
Scopus Author ID: 760267

Cand. Sci. (Biol.) Leading Officer of the Landscape Systems for Grassland Management in Mountainous Territories Department

Russian Federation, Mikhailovskoe, Republic of North Ossetia–Alania

Ludmila R. Gulueva

North Caucasian Research Institute of Highland and Piedmont Agriculture of the Vladikavkaz Scientific Center of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: luda_gulueva@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1089-3688

Senior Researcher of the Landscape Systems for Grassland Management in Mountain Territories Department

Russian Federation, Mikhailovskoe, Republic of North Ossetia–Alania

References

Supplementary files