Development of the technology and technical means of direct sowing for dryland farming conditions

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Технологии прямого посева относятся к комплексу современных мероприятий направленных на ресурсосбережение при возделывании сельскохозяйственных культур. Границы эффективности применения прямого посева определяются комплексом факторов, к которым, прежде всего, относятся климатические (сумма активных температур, количество осадков и их распределение), плодородие почв, предшественники, высеваемые культуры и т.д. Опыт возделывания сельскохозяйственных культур нескольких последних лет в зоне Южного Урала показывает, что основным фактором ограничивающим эффективность того или иного агроприёма является дефицит почвенной влаги. Анализ гидротермических условий возделывания по интегральному показателю Селянинова (ГТК) за четыре года и средняя урожайность зерновых в Челябинской области наглядно иллюстрируют объективность последнего тезиса (рис. 1).

 

Рис. 1. Гидротермические условия возделывания и урожайность зерновых культур в Челябинской области.

Fig. 1. Hydrothermal conditions of cultivation and yield capacity of grain crops in Chelyabinsk region.

 

Исходя из величины гидротермического коэффициента, условия возделывания сельскохозяйственных культур на Южном Урале с 2020 по 2021 гг. можно отнести к засушливым и крайне засушливым, что сильно отражается на средней урожайности зерновых. Особенно отчетливо это видно на фоне сравнения двух неурожайных годов с более благоприятными 2019 и 2022 гг., когда гидротермический коэффициент в основных зернопроизводящих районах области составил 1,05 и 0,93 соответственно.

На основе проведенных ранее исследований установлено, что в засушливые годы средняя глубина залегания увлажненных слоев почвы составляет 8–10 см. В этой связи посев традиционными сеялками с лаповыми или дисковыми сошниками нерационален, поскольку заделка семян ими производится на глубину 4–6 см, при этом семена попадают в пересушенную почву, в результате снижается полевая всхожесть, а соответственно и урожайность [1–4]. Таким образом, объективная оценка неблагоприятных условий возделывания сельскохозяйственных культур, сложившаяся в Челябинской области в 2020 и 2021 гг. указывает на актуальность разработки новой технологии посева сельскохозяйственных культур.

Цель исследований — повышение урожайности зерновых культур в условиях засушливого земледелия за счет разработки технологии и технического средства для прямого посева, позволяющих обеспечить заделку семян в увлажненный слой почвы.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Важным элементом разработанной технологии прямого посева является предварительная оценка глубины залегания почвенного горизонта с оптимальной для роста и развития растений влажностью. Именно на данной глубине должно быть сформировано сошником почвенное ложе, на которое производится укладка семян и минеральных удобрений. В засушливые годы, как было отмечено ранее, глубина залегания слоя увлажненной почвы может составлять 8 см и более. В этой связи, сошник настраивается на глубину, соответствующую глубине залегания увлажненного горизонта, формирует бороздку, на дно которой укладывается посевной материал. Далее посевной материал закрывается слоем почвы толщиной не более 3–5 см заделывающим рабочим органом, обеспечивая, таким образом, фактическую глубину заделки. При этом разность глубины хода сошников и фактической глубины заделки образуют на поле значительную по высоте гребнистость, которая в засушливых условиях выполняет как защитную функцию, укрывая всходы на ранних стадиях вегетации от негативного воздействия ветра, так и влагосберегающую поскольку обеспечивает задержку и аккумуляцию атмосферной влаги. На разработанную технологию получен патент РФ № 2729525 «Способ прямого посева сельскохозяйственных культур» [5].

Описанную технологию может обеспечить только комбинированная посевная секция, состоящая из комплекса рабочих органов, выполняющих разнородные функции. При разработке секции учтены также и специфические условия работы машинно-тракторных агрегатов при посеве по технологии no-till, значительно отличающиеся от посева по традиционной и минимальной технологиям [6, 7]. Отличия состоят, во-первых, в том, что рабочие органы посевной машины, взаимодействующие с уплотненной почвой, должны сохранять стабильность при движении для обеспечения постоянной глубины заделки посевного материала, это особенно важно для разрабатываемой технологии, поскольку высев должен производиться только в увлажненный слой почвы. Во-вторых, — мульчирующий слой, препятствующий нормальной работе рабочих органов, за счет того, что ухудшает агротехническую проходимость посевной машины и повышает ее тяговое сопротивление [8, 9]. Исходя из этого, разрабатываемая посевная секция должна выполнять последовательно несколько технологических операций (рис. 2).

Рис. 2. Операции технологии прямого посева: 1 — вертикальное резание (плоский диск); 2 — формирование бороздки (сошник анкерного типа); 3 — укладка посевного материала на дно бороздки; 4 — прикатывание посевов (индивидуальный прикатывающий каток).

Fig. 2. Phases of the direct sowing technology: 1 — vertical cutting (with a flat disk); 2 — furrow formation (with a hoe coulter); 3 — laying seeding material down on the furrow bottom; 4 — seed rolling (with an individual packing wheel).

 

Вертикальное резание, в разработанной технологии, выполняется для уменьшения тягового сопротивления идущего по следу сошника, недопущения вовлечения в открываемую бороздку пожнивных остатков, уменьшение явления выноса увлажненной почвы на поверхность. Наиболее подходящим для этих целей рабочим органом является плоский прорезной диск, который выгодно отличается от часто используемых на сеялках no-till рифленых дисков меньшее тяговое сопротивление и несклонность к забиванию растительными остатками [10].

Учитывая значительные глубины (более 8 см), на которые предполагается высевать культуры, наиболее подходящим типом сошника для посевной секции является рабочий орган анкерного типа. Как показывают многочисленные исследования, именно анкерный сошник позволяет обеспечить устойчивый по глубине посев [11, 12].

Заделку почвой посевного материала в бороздке необходимо обеспечить адресным прикатывающим катком с обрезиненным ободом V-образного поперечного профиля. Учитывая особенности разработанной технологии, каток должен иметь возможность индивидуальной настройки, для обеспечения необходимого по толщине и плотности слоя почвы над посевным материалом.

Стабильность глубины заделки семян анкерным сошником в увлажненные слои почвы обеспечивается применением параллелограммной подвески и опорного колеса, которые совместно обеспечивают качественное копирование рельефа поверхности почвы. При этом высокая стабильность хода сошника достигается регулированием величины вертикально направленного усилия, оказываемого на опорное колесо, со стороны пружины параллелограммной подвески. Данное усилие подбирается в зависимости от твердости почвы и глубины обработки, обеспечивая, таким образом, стабильность хода анкерного сошника по глубине.

Таким образом, исходя из перечня рабочих органов, необходимых для реализации разработанной технологии прямого посева, предложена следующая конструкция комбинированной секции (рис. 3) для посевного комплекса. Конструкция посевной машины защищена патентом на полезную модель РФ № 179958 [13].

 

Рис. 3. Посевная секция: 1 — прорезной диск; 2 — опорное колесо; 3 — шарнир; 4 — анкерный сошник; 5 — кронштейн прикатывающего колеса; 6 — каток; 7 — регулировочная пружина прикатывающего колеса; 8 — грядиль; 9 — регулятор глубины; 10 — параллелограммный механизм; 11 — регулировочная пружина секции.

Fig. 3. The sowing section: 1 — a cutting disk; 2 — a supporting wheel; 3 — a joint; 4 — a hoe coulter; 5 — a packing wheel mounting; 6 — a packing wheel; 7 — an adjustment spring of the packing wheel; 8 — a plough beam; 9 — a depth adjuster; 10 — a parallel-link mechanism; 11 — an adjustment spring of the section.

 

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Разработан и изготовлен экспериментальный образец комбинированной посевной секции. Главные конструкционные параметры секции определены на основании теоретических исследований [14, 15]. Так, диаметр прорезного диска секции принят равным D₁ = 0,47 м исходя из условия обеспечения разрезания слоя почвы на глубину 0,045 м и пожнивных остатков. Диаметр и ширина обода опорного и прикатывающего колес определены исходя из условия обеспечения допустимого и необходимого давления на почву соответственно. Диаметр опорного колеса секции составлял D₂ = 0,39 м при ширине обода b₂ = 0,12 м, диаметр прикатывающего колеса — D₃ = 0,45 м при ширине обода b₃ = 0,025 м. Угол установки долота анкерного сошника определен равным β = 45°, при его ширине b_d = 0,02 м. При взаимодействии указанных рабочих органов посевной секции с почвой возникают силы, которые можно представить в виде вертикальных и горизонтальных составляющих (рис. 4). Горизонтальные составляющие сил определяют величину тягового сопротивления единичной посевной секции:

$R_c=P_1+P_2+P_3+P_4$, (1)

где P₁ — тяговое сопротивление прорезного диска, кН; P₂ — тяговое сопротивление опорного колеса, кН; P₃ — тяговое сопротивление прикатывающего катка, кН; P₄ — тяговое сопротивление анкерного сошника, кН.

 

Рис. 4. Составляющие тягового сопротивления посевной секции.

Fig. 4. Components of traction resistance of the sowing section.

 

Вертикальные составляющие сил, действующих на опорное колесо (P₅), прорезной диск (P₆), анкерный сошник (P₇), прикатывающий каток (P₈) не оказывают прямого влияние на величину тягового сопротивления секции, но находятся с ней в определенной корреляционной связи.

Для обоснования конструктивной схемы посевного комплекса и определения тягового класса трактора произведен лабораторный эксперимент с комбинированной посевной секцией в почвенном канале Южно-Уральского ГАУ.

Экспериментально установлено, что значительное влияние на тяговое сопротивление комбинированной секции оказывает глубина хода анкерного сошника и скорость ее перемещения. Так, в интервалах варьирования управляемых факторов скорости перемещения v_р = 0,6–1,8 м/с и глубины хода анкерного сошника а = 0,06–0,12 м тяговое сопротивление варьируется от 0,34 до 0,89 кН (рис. 5).

 

Рис. 5. Закономерности изменения тягового сопротивления посевной секции в зависимости от рабочей скорости, глубины хода сошника и реакции на опорное колесо.

Fig. 5. Curves of traction resistance of the sowing section depending on operational velocity, the hoe coulter operational depth and reaction at the supporting wheel.

 

Экстраполировав данные применительно к полевым условиям, была установлена величина тягового сопротивления секции R_c = 0,9–1,5 кН.

Таким образом, становится возможным теоретически рассчитать тяговое сопротивление посевного комплекса по следующей зависимости:

$R_{\text{агр}}=f_{\text{б}}(G_{\text{б}}+G_{\text{с}}+G_{\text{у}})+f_{\text{п}}(G_{\text{п}}+\Delta G)+kabn+\epsilon abn{v}^2$ (2)

где G_б — конструкционная масса бункера, кН; G_с — вес семян, кН; G_у — вес минеральных удобрений, кН; f_б — коэффициент сопротивления перекатыванию бункера; G_б — вес посевного блока, кН; ΔG — часть веса посевного блока, приходящаяся на сопротивление посевных секций, кН; n — количество посевных секций; f_п — коэффициент пропорциональности; ε — коэффициент, характеризующий форму поверхности рабочего органа и свойства почвы, кНс²/м⁴; k — удельное сопротивление почвы, кН/м²; b — ширина зоны рыхления, м.

С учетом реальных условий эксплуатации тяговое сопротивление посевного комплекса, при количестве посевных секций 48 штук составляет 65–85 кН, в зависимости от глубины хода сошников. Таким образом, предполагаемый тяговый класс трактора для разрабатываемой машиной — восьмой.

Лабораторно-полевые эксперименты проводились с экспериментальным посевным комплексом ПК-12,7 (рис. 6). Ширина междурядий была принята равной 27 см, на основании ранее проведенных исследований ­[16, 17]. Рабочая ширина захвата посевного комплекса составляет 12,7 м. Комплекс имеет раздельно-агрегатную компоновку, прицепной бункер и пневматическую централизованную высевающую систему, эксплуатационная масса машины составляет 21,2 т.

 

Рис. 6. Машинно-тракторный агрегат в составе с экспериментальным посевным комплексом ПК-12,7 при лабораторно-полевых экспериментах.

Fig. 6. The machine-tractor unit coupled with the PK-12.7 experimental sowing facility at the laboratory-field experiments.

 

Усредненные показатели, полученные в ходе энергетической оценки агрегата, представлены графически (рис. 7).

 

Рис. 7. Зависимость тягового сопротивления R_агр, коэффициента использования мощности ДВС η_и, буксования δ, погектарного расхода топлива qга от скорости движения агрегата v_р.

Fig. 7. Dependence of the traction resistance R_агр, the ICE power usage coefficient η_и, the slipping δ and the specific fuel consumption per hectare qга on the unit motion velocity v_р.

 

Установлено, что увеличение скорости движения агрегата в диапазоне от 1,4 до 2,2 м/с вызывает рост тягового сопротивления с 68,5 до 87,7 кН, при этом погектарный расход топлива несколько снижается с 7,4 до 6,9 кг/га за счет увеличения производительности агрегата, что можно считать основанием для выбора эксплуатационного режима работы (рис. 8). Буксование движителей трактора не превышает 11,4%, что укладывается в агротехнический допуск. Расхождение теоретической и экспериментальной данных по величине тягового сопротивления не превышает 4%, что свидетельствует о достаточном уровне сходимости и достоверности результатов теоретических исследований (рис. 9). Следует отметить, что по величине тягового сопротивления экспериментальный посевной комплекс близок к машинам подобного типа, таких, например, как Bourgault 3330 или Amazone Primera DMC 12001.

 

Рис. 8. Зависимость тягового сопротивления R_агр от рабочей скорости.

Fig. 8. Dependence of the traction resistance R_агр on the operational velocity.

 

Рис. 9. Всходы при посеве в борозду экспериментальным посевным комплексом ПК-12,7.

Fig. 9. The seedlings after furrow sowing with the PK-12.7 experimental sowing facility.

 

Для оценки эффективности разработанной технологии прямого посева и посевного комплекса с комбинированными секциями проведен сравнительный агротехнический полевой опыт. В опыте использовался экспериментальный посевной комплекс ПК-12,7 и многомашинный посевной агрегат с пятью стерневыми сеялками СКП-2,1. Результаты представлены в табл. 1.

 

Таблица 1. Агротехнические показатели при сравнительном эксперименте по оценке технологий прямого посева

Table 1. Agrotechnical indicators at the comparative experiment on assessment of the direct sowing technologies

Показатель	Значение
	ПК-12,7	СКП-2,1
Норма высева семян, кг/га	130
Культура	пшеница
Сорт	Омская-36
Глубина обработки почвы, мм
– установочная глубина, мм	80	50
– фактическая средняя глубина, мм	84,1	54,0
– коэффициент вариации, %	17,8	24,1
Характеристика всходов
Количество всходов, шт./м2	284	206
Полевая всхожесть, %	84,5	62,8
Количество стеблей, шт./м2	578	474
Коэффициент кущения	2,6	2,1
Биомасса всходов, г/м2	482	388
Характеристика растений перед уборкой
Количество продуктивных стеблей, шт./м2	305	298
Количество зерен в колосе, шт.	30,7	19
Масса 1000 зерен, г	28,3	24,1
Урожайность при норме посев, ц/га	26,5	17,3

 

На основе данных полевого опыта можно резюмировать, что посев экспериментальным посевным комплексом ПК-12,7 позволяет повысить на 21,7% полевую всхожесть в сравнении с базовой машиной ­СКП-2,1. Коэф­фициент кущения при этом составляет 2,6. Величина урожайности при норме посева 130 кг/га по новой технологии выше, чем по базовой, на 34,7%. Высокая в сравнении с базовой технологией урожайность обусловлена более качественной заделкой семян по глубине, при этом следует также отметить, что посев по разработанной технологии в борозду определенно оказывает положительный эффект на урожайность (см. рис. 9).

ВЫВОДЫ

Разработанная технология прямого посева, позволяет повысить полевую всхожесть и урожайность зерновых культур в условиях засушливого земледелия. Предложена конструкция комбинированной посевной секции и посевного комплекса, обеспечивающего посев семян в борозду.

Установлено, что при увеличении скорости с 0,6 до 1,8 м/с и глубины хода анкерного сошника c 6 до 12 см тяговое сопротивление секции возрастает с 0,34 до 0,89 кН.

С учетом проведенных исследований определены предполагаемые тяговые классы тракторов для работы с сеялками, на которых применяются разработанные посевные секции. Так для работы с посевным комплексом при ширине захвата 12 м наиболее предпочтителен трактор с тяговым классом 80 кН.

Проведенные лабораторно-полевые эксперименты с экспериментальным посевным комплексом ПК-12,7 показали его высокую эффективность. Основные агротехнические показатели его работы соответствуют требованиям.

Входе сравнительных полевых опытов с экспериментальным посевных комплексом получена урожайность 26,5 ц/га, что можно считать относительно высоким показателем в условиях дефицита влаги.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. С.Д. Шепелёв — сбор статистической информации, планирование и реализация лабораторно-полевых экспериментов; М.В. ­Пятаев — обзор литературы, планирование и реа­лизация лабораторного эксперимента; Е.Н. Кравченко — планирование и реализация лабораторно-полевых экспериментов. 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 проведенным исследованием и публикацией ­настоящей статьи.

Источник финансирования. Исследование и подготовка публикации проведены при поддержке ООО «Челябинское монтажно-наладочное управление «Спецэлеватормельмонтаж».

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. S.D. Shepelev — collection of statistical information, planning and conducting the laboratory-field experiments; M.V. Pyataev — literature review, planning and conducting the laboratory experiment; E.N. Kravchenko — planning and conducting the laboratory-field experiments. 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 that they have no competing interests.

Funding source. The research and preparation of the publication were supported by Chelyabinsk Installation-Setup Department Spetselevatormelmontazh LLC.

About the authors

Sergey D. Shepelev

South Ural State Agrarian University

Email: nich@sursau.ru
ORCID iD: 0000-0003-2578-2005
SPIN-code: 4848-4782

Professor, Dr. Sci. (Engineering), Vice-Rector for Research and Innovation

Russian Federation, Chelyabinsk

Maxim V. Pyataev

South Ural State Agrarian University

Author for correspondence.
Email: 555maxim@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6570-5384
SPIN-code: 2502-0737

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor of the Operation of the Machine and Tractor Fleet, Technology and Mechanization of Livestock Department of the Agroengineering Institute

Russian Federation, Chelyabinsk

Evgeniy N. Kravchenko

Chelyabinsk Installation-Setup Department Spetselevatormelmontazh

Email: mcx85@mail.ru

Cand. Sci. (Engineering), Engineer of the Agroengineering Institute

Russian Federation, Chelyabinsk

References

Supplementary files