Орудия для заделки сидератов в поверхностный слой почвы в технологии органического земледелия

Полный текст

Введение Современное земледелие должно быть ориентировано на рациональное использование биологических ресурсов. Получение устойчивых урожаев с.-х. культур может базироваться на использовании естественного плодородия почвы и его сохранении. Причины снижения плодородия почвы - интенсивный вынос питательных элементов и слабое гумусообразование. В настоящее время расширяется применение экологически чистой технологии органического земледелия, нацеленной в первую очередь на постоянную работу по повышению естественного плодородия почвы [1, 2]. Основополагающие принципы органического земледелия: 1. Исключение оборачивания почвы. Допускается лишь неглубокое рыхление (до 5-7 см). Плуг заменяется плоскорезом, поскольку гумус образуется исключительно в верхнем слое почвы, а глубокая вспашка парализует процесс его образования и нарушает жизнь почвенной микрофлоры [3-5]. 2. Исключение минеральных удобрений. Используется только органика в различных видах и формах - компост и другие органические удобрения, навоз, посев сидератов. 3. Ядохимикаты не применяются. Для профилактики болезней растений и появления вредителей используются биопрепараты и народные методы. Внесение органических удобрений (навоза, компоста и др.) значительно способствует улучшению агрономических показателей почвы [6]. Однако применение навоза - довольно энергозатратный прием, альтернативой которому может служить использование зеленых удобрений, т.е. пожнивных остатков, растений-сидератов, которые успешно заменяют навоз, компост и минеральные удобрения [1]. Сидераты обогащают почву органическим веществом, важнейшим источником азота. Они также повышают связность песчаных и супесчаных почв, а тяжелые глинистые почвы делают более рыхлыми. Применение сидератов менее затратно по сравнению с навозом. Их не нужно транспортировать на поле, и они не содержат такого количества семян сорняков, как навоз. Для повышения плодородия почвы сидераты можно заделывать в поверхностный слой в соответствии с традиционным способом либо оставлять на поверхности в качестве мульчи. Одно из правил органического земледелия состоит в том, чтобы не оставлять почву без растительного покрова. Мульчирующий слой прикрывает поверхность поля, защищает ее от перегрева и ветровой эрозии [7], помогает сохранить влагу, создает благоприятные условия для жизни червей. Распадаясь со временем под действием микроорганизмов, он выделяет минеральные элементы и питает ими растения. При этом корневая система сидератов, используемых в качестве мульчи, остается в почве и закрепляет ее, пронизывая глубокие слои, что обеспечивает так называемый биологический вертикальный дренаж. Использование остатков сидератов в качестве мульчи на поверхности обогащает почву органическими веществами, оструктуривает ее, способствует снижению плотности, что создает оптимальные условия аэрации как пахотного, так и подпахотного слоя [8, 9]. В настоящее время в Республике Казахстан не производятся орудия для заделки пожнивных остатков и сидератов в почву. Для традиционного способа заделки сидератов используют гладкие катки, которыми прикатывают растения по ходу вспашки. Затем их тщательно запахивают отвальными плугами на 22-25 см и выравнивают поверхность поля боронами или кольчатыми катками [10]. Таким образом, имеют место как минимум три прохода однооперационных орудий. Это довольно энергозатратный способ. Кроме того, в условиях Северного региона Казахстана, где почвы подвержены ветровой и водной эрозии, вынос на поверхность поля нижних богатых гумусом слоев почвы приводит к их истощению. Для безотвальной обработки с заделкой сидератов в поверхностный слой почвы могут использоваться дисковые бороны производства стран дальнего и ближнего зарубежья. Однако их основное предназначение - поверхностное рыхление и борьба с сорняками, а не измельчение и заделка сидератов в почву. Они также могут использоваться для заделки пожнивных остатков в слой глубиной до 10-12 см. Но при этом высота заделываемых растений не должна превышать 50 см, тогда как длина растений-сидератов может достигать 1-1,5 м, что препятствует выполнению технологического процесса из-за забивания рабочих органов. Для создания мульчирующего слоя могут использоваться косилки, но тогда растения остаются на поверхности почвы без измельчения, что затрудняет их перегнивание и может стать помехой для последующих операций. Для укладки и измельчения растений возможно применение косилок-измельчителей типа КИР-1,5. Однако они имеют невысокую производительность (до 1,1 га/ч) из-за небольшой ширины захвата (1,5 м) при рабочей скорости движения до 12 км/ч. При этом активный привод от вала отбора мощности трактора обусловливает повышенные энергозатраты. В данном случае выгоднее использовать орудия с пассивными рабочими органами, которые позволяют на более высоких скоростях (до 20-25 км/ч) уложить и измельчить растения-сидераты на поверхности почвы, а при необходимости заделать их в поверхностный слой. Таким образом, для повышения производительности и качества выполнения технологического процесса заделки сидератов в поверхностный слой почвы необходимо использовать многофункциональные орудия (для традиционного способа заделки), способные за один проход выполнять несколько технологических операций - рыхление почвы, подрезание растений, их измельчение и заделку в поверхностный слой, либо использовать высокоскоростные орудия для прикатывания и измельчения пожнивных остатков и сидератов на поверхности почвы для создания мульчирующего слоя. Цель исследования Цель исследования - разработка орудий для заделки пожнивных остатков и сидератов в поверхностный слой почвы, обеспечивающих повышение производительности и соответствующее качество технологического процесса. Материалы и методы При проведении исследований использовались теоретические и экспериментальные методы, основанные на применении основных положений земледельческой механики, теории с.-х. машин и методов измерений, регламентируемых нормативной документацией. Результаты и их обсуждение В результате анализа существующих схем орудий и теоретических исследований, проведенных в Костанайском филиале ТОО «КазНИИМЭСХ», с учетом разных технологий и способов заделки сидератов и пожнивных остатков обоснованы конструкционно-технологические схемы двух орудий (рис. 1, 2). Их применение обеспечивает измельчение растений и формирование мульчи на поверхности почвы, а также качественное измельчение и заделку растений в поверхностный слой для традиционной технологии заделки сидератов. На рис. 1 представлена схема орудия с комбинацией рабочих органов, использование которого позволяет за один проход агрегата прикатать и измельчить растения на поверхности почвы передним прикатывающим катком с режущими элементами, затем измельченную массу заделать дисковыми рабочими органами в поверхностный слой с его последующим выравниванием задним прикатывающим катком. На рис. 2 дана схема орудия с одним прикатывающим катком и установленными на нем режущими элементами. Это орудие прикатывает и измельчает растения на поверхности почвы для создания мульчирующего слоя. Схема, представленная на рис. 2, может быть составной частью схемы на рис. 1, т.е. при необходимости передний прикатывающий каток с режущими элементами может использоваться отдельно для формирования мульчирующего слоя на поверхности поля в системе органического земледелия. Для обеих схем необходимо прежде всего обосновать параметры переднего прикатывающего катка с режущими элементами. Для заделки измельченных растений можно традиционно использовать сферические вырезные элементы диаметром 560-660 мм с углом атаки 20°, которые широко применяются в конструкциях различных дискаторов для заделки пожнивных остатков в поверхностный слой почвы. Степень измельчения растений - один из основных критериев качества выполнения технологического процесса измельчения и последующей заделки сидератов, который учитывался при обосновании обеих схем орудий. Принимались во внимание требования к условиям проведения последующих операций после заделки сидератов - безотвальной осенней обработки почвы, предпосевной культивации либо прямого посева. Согласно существующим требованиям [11], на поверхности поля допускается наличие растительных остатков длиной не более 25-30 см для безотвальной обработки и предпосевной культивации, для прямого посева допускается наличие мульчирующего слоя. С учетом того, что традиционная ширина междурядья при посеве стерневыми сеялками составляет 22,8 см, была принята длина резания не более 20 см (не менее 60% измельченных фракций до 20 см), при которой измельченные растения не препятствуют прохождению сошников сеялок и не забивают рабочие органы для поверхностной обработки почвы. При обосновании параметров катка учитывалось то, что уложенные на поверхности поля растения имеют мягкую структуру и легко сдавливаются. Перекатываясь по поверхности поля, каток неминуемо испытывает сопротивление со стороны почвы и растительной массы. Чем тяжелее каток и меньше его диаметр, тем больше вероятность того, что перед ним начнет образовываться валик из почвы и растений. Основные параметры, которые необходимо обосновать (рис. 3): диаметр катка D, высота режущего элемента b, количество режущих элементов n. Связь между диаметром катка D, его шириной захвата b1, вертикальной нагрузкой на каток Q и тяговым сопротивлением Р1 его перекатывания устанавливается формулой Грандвуане-Горячкина [12]: где q - коэффициент объемного сопротивления почвы, Н/см3. У катков подобного типа удельная вертикальная нагрузка Q составляет не менее 10 000 Н на 1 м ширины захвата. При такой вертикальной нагрузке Q в соответствии с формулой (1) диаметр катка должен составлять не менее 530 мм. Однако это диаметр катка без учета параметров режущих элементов (их высоты b и количества n). Количество режущих элементов n зависит от заданной длины резания Lр и рабочего диаметра катка Dр (см. рис. 3). Если каток имеет n режущих элементов, то для выполнения агротехнических требований при радиусе катка R = D/2 + b должно выполняться условие: (2) Режущий элемент вдавливается в почву на Δb (см. рис. 3). C учетом того, что резание должно производиться режущим элементом в нижней точке, вес катка не должен переноситься на соседние режущие элементы, а угол контакта αк = 2π/n, получено равенство: . (3) Если принять величину входа (вдавливания) режущего элемента в почву Δb не более 55 мм (по данным предварительных замеров), а длину резания Lp не более 200 мм, решением равенства (3) будут значения (D/2 + b) не менее 365 мм. Таким образом, рабочий диаметр Dр с учетом высоты режущего элемента должен быть не менее 730 мм. Поскольку диаметр D катка без учета высоты режущего элемента в соответствии с выражением (1) должен быть не менее 530 мм, а рабочий диаметр Dp не менее 730 мм, то высота режущего элемента b должна быть не менее 100 мм. С учетом этого из выражения (2) следует, что при длине резания до 200 мм на катке должно быть установлено не менее 12-14 режущих элементов. Для проверки влияния обоснованных параметров прикатывающего катка с режущими элементами на качество выполнения технологического процесса укладки и измельчения растительной массы на поверхности почвы проведены экспериментальные исследования. На лабораторной установке изменялись: удельная вертикальная нагрузка Q в диапазоне от 8000 до 12 000 Н на 1 м ширины захвата; высота режущих элементов b от 80 до 120 мм; рабочая скорость движения агрегата от 8 до 25 км/ч. При этом на катке были установлены 14 режущих элементов. Критерием качества выполнения технологического процесса служила степень измельчения растений. Выявлено, что прикатывающий каток с установленными на нем режущими элементами качественно выполняет прикатывание и измельчение растительной массы на поверхности почвы при удельной вертикальной нагрузке 8000 Н на 1 м ширины захвата и высоте режущего элемента не менее 100 мм. При этом рабочая скорость может достигать 25 км/ч, что дает резерв увеличения производительности при укладке и измельчении сидератов на поверхности почвы для создания мульчирующего слоя. Выводы Применение предложенных орудий для заделки сидератов в поверхностный слой обеспечивает качественное измельчение растений и формирование мульчи на поверхности почвы, а также измельчение и заделку сидератов и пожнивных остатков в поверхностный слой в технологии органического земледелия. Использование таких катков-измельчителей возможно не только при заделке сидератов, но и для укладки и измельчения стерневых кулис (с целью исключения забивания рабочих органов с.-х. орудий при последующих обработках), измельчения на поверхности почвы высокостебельной растительности перед обработкой залежных полей и т.д.

Об авторах

В. Л Астафьев

Костанайский филиал Казахского научно-исследовательского института механизации и электрификации сельского хозяйства

д-р техн. наук Костанай, Республика Казахстан

С. И. Бобков

Костанайский филиал Казахского научно-исследовательского института механизации и электрификации сельского хозяйства

Email: sergbobkov@mail.ru
канд. техн. наук Костанай, Республика Казахстан

К. И Алексенцев

Костанайский филиал Казахского научно-исследовательского института механизации и электрификации сельского хозяйства

инж. Костанай, Республика Казахстан

Список литературы

Дополнительные файлы