SOIL CONSERVATION AGRICULTURAL TECHNOLOGY AND EQUIPMENT FOR CROP CULTIVATION

Full Text

Традиционная, широко распространенная технология возделывания сельскохозяйственных культур в Мире и Российской Федерации с глубокой отвальной вспашкой, в степных зонах (Казахстан, Канада, Австрия, Америка, Россия - Оренбуржье, Поволжье и т.д.) рискованного земледелия в последние десятилетия в большей степени стали заменять почвозащитными технологиями с глубокой безотвальной обработкой почвы и максимальным оставлением стерни на поверхности. Значительный рост стоимости энергоресурсов (ГСМ) и необходимость, в целях положительной экономики, снижения себестоимости сельскохозяйственной продукции требует более широкого внедрения технологии с минимальной обработкой почвы и прямым посевом «No-Till» с учетом региональных почвенно-климатических особенностей и материально-технической возможности агропредприятий. Дальнейшим совершенствованием технологии «No-Till» является технология полосового земледелия «Strip-Till» [6], когда сельскохозяйственные культуры возделываются в обработанных по технологии «мульчирования» (измельчение стерни и перемешивание ее с почвой) полосах, а между полосами остается высокая стерня, служащая защитой почвы от интенсивной солнечной радиации, суховеев и частичным притенением посевов, что в итоге способствует лучшему сохранению влаги в почве и получению достаточно хорошей урожайности даже в засушливые годы. Так же высокая стерня дает возможность полностью сохранить зимние осадки (снег) за счет высокоэффективного, но без больших затрат, снегозадержания, проводившегося раньше снегопахами-валкообразователями (в настоящее время вероятность возврата данной технологической операции в том виде, в котором она применялась в 50-90-е годы, с использованием снегопахов, - мала). Развитие технологий «No-Ttill» и «Strip-Ttill» главным образом связано с сохранением продуктивной влаги в почве, которая в настоящее время более интенсивно испаряется из-за возрастающей солнечной радиации и глобального потепления на планете, что напрямую влияет на снижение урожайности сельскохозяйственных культур и снижение продуктивности земледелия. По сообщению экологического сайта ENN [1], ученые из Университета Канзаса тщательно изучили данные, касающиеся урожая пшеницы на территории штата за 26 лет - с 1985 по 2011 гг. Моделирование позволило предположить, что рост температур на один градус Цельсия приводит к снижению урожайности на 21%. В итоге рост температур может продолжаться, и это может изменить ситуацию в худшую сторону. Примерно такие же выводы были сделаны сотрудниками Оксфордского университета и Университета Экзетера (Великобритания). Исследования, проведенные в институте экологии Волжского бассейна, показали, что для Средней полосы русской равнины в первом десятилетии XXI века ожидается рост температуры воздуха в теплый период года [2]. Средняя температура воздуха в июле увеличится на 1,30С по сравнению со средними многолетними показателями этого месяца. Несмотря на то, что среднегодовая сумма осадков увеличится на 60-80 мм, произойдет дальнейшее иссушение северной степи. Общее потепление климата сопровождается температурными экстримами в зимний и летний периоды, которые оказывают отрицательное влияние на урожайность озимых и яровых культур. Особенностью климата лесостепи Поволжья является частая повторяемость засух. За 124 года, с 1889 по 2013 гг., на территории Самарской, Ульяновской, Пензенской областей и Республики Татарстан 39-42 лет были с засухами (32-34%). Изучение защитных свойств растительных остатков (стерня и остатки) от перегрева почвы от повышенной солнечной радиации и непродуктивных потерь влаги, выявление из известных почвозащитных технологий - наиболее эффективных, разработка машин и приспособлений для этих технологий (сеялка с измельчением стерни, адаптер для жаток к зерноуборочным комбайнам для уборки зерновых методом «очеса») позволит обеспечить гарантированную достаточно высокую урожайность с/х культур даже, в неблагоприятные засушливые годы [6, 7]. Цель исследований - обосновать аналитический показатель эффективности почвозащитных технологий по укрытию почвы стерней и разработать технические средства для технологии «Strip-Till». Задачи исследований - проведение аналитических исследований энергетической защиты почвы необходимым (оптимальным) количеством растительных остатков, создание адаптеров к зерноуборочным комбайнам и сеялкам с исследованием эффективности адаптера на зерновой жатке для уборки методом «очеса». Материалы и методы исследований. Исследованиями урожайности яровой пшеницы [3], проводившимися в течение 16 лет (1998-2013 гг.) в различные по увлажненности и температурному режиму годы, установлена отрицательная связь урожайности с сумой эффективных температур с 1600 до 20000С (25%), снижение урожайности составило с 5,5 до 1,5 т/га (в 3,5 раза). Снизить отрицательное влияние указанного агроклиматического фактора в таких условиях могут лишь специально разработанные и применяемые влагосберегающие технологии и техника, а также широкое внедрение в производство скороспелых засухоустойчивых сортов сельскохозяйственных культур, которые обеспечивают получение стабильно высоких урожаев. Различные технологии возделывания сельскохозяйственных культур основываются на защите верхнего корнеобитаемого слоя почвы от перегревания и пересушивания интенсивной солнечной радиацией. И главным здесь является отражающая способность поверхности почвы. Чем меньше поверхность отражает солнечную радиацию, тем сильнее она нагревается, тем интенсивнее происходит непродуктивная потеря влаги. Чем светлее поверхность, тем больше солнечных лучей она отражает. Особенно сильно отражает радиацию снег (90%), слабее песок (35%), еще слабее чернозем (4%). За вегетационный период на территории европейской части России каждый квадратный сантиметр поверхности почвы получает за сутки 1 ккал тепла. Почва поглощает в среднем 43%, излучает обратно 24%. Следовательно, только одна пятая часть солнечной энергии остается в почве, но и это тепло в основном расходуется на испарение воды с поверхности почвы. В процессе фотосинтеза солнечной энергии используется в среднем около 0,8% [3]. Поэтому оставление стерни и растительных остатков на поверхности в любом состоянии: измельченная разбросанная, не измельченная разбросанная, скошенная на низкий срез, сохраненная высокая стерня без колосков (уборка методом «очеса»), способствует отражению солнечных лучей от поверхности земли, меньшему прогреванию почвы и частичному затенению (наряду с лучшим снегозадержанием, накоплением органики и формированием гумуса). Фактор тени тоже очень важный, так как тень уменьшает действие ультрафиолетовых (УФ) лучей солнца до 50%. В связи с чем, оценку эффективности различных технологий обработки стерневых фонов, как предшественников, и посева возможными способами с учетом состояния поверхности почвы, отражающей солнечную радиацию, целесообразно рассматривать по следующей схеме (рис. 1 (I, II, III, IV)): · I - традиционная классическая вспашка на 22-27 см, с оборотом пласта (рис. 1, I), в результате которой стерня заделывается на глубину обработки, поверхность почвы получается открытой, не защищенной от солнечных лучей. В этом случае почва максимально поглощает солнечную радиацию Q и минимально ее отражает Q1, интенсивно прогревается и теряет влагу в большом количестве; · II - стерневая безотвальная обработка почвы и мульчирующий посев (рис. 1, II) за счет подрезания стерни, ее перемешивания с почвой, образования более светлой поверхности обеспечивает в большей степени отражение солнечной радиации Q2 по сравнению с первой технологией, что несколько снижает непродуктивную потерю влаги из верхнего слоя; · III - технология «No-Till» с минимальной обработкой почвы и «прямым» посевом (рис. 1, III) обеспечивает максимальное количество стерни на поверхности (по агротребованиям не менее 60%), что при достаточном ее количестве, за счет более светлой поверхности обеспечивает большее отражение солнечной радиации Q3, меньшие прогревание почвы и непродуктивную потерю влаги; · IV - технология «Strip-Till» (полосовой посев) особенно при высоком срезе стерни от предшествующего посева (уборка методом «очеса») с мульчирующей обработкой почвы в полосах за счет отражающего эффекта более светлой поверхностью и притенения высокой стерней обеспечивает минимальное поглощение солнечной радиации Q, максимальное ее отражение Q4 и наименьшие непродуктивные потери влаги. I - вспашка II - мульчирующий посев III - «No-Till» - прямой посев IV - «Strip-Till» - полосовой посев стерня низкого среза стерня высокого среза Рис. 1. Различные технологии обработки почвы Защитные функции стерни от нагревания почвы солнечной радиацией и непродуктивной потери влаги зависят от количества стерневой массы. Количество же определяется нормой высева, густотой стояния перед уборкой возделываемой сельскохозяйственной культуры, высотой и диаметром стеблей. Результаты исследований. Для оценки защитной функции стерни введем коэффициент укрытия Кy, физический смысл которого выражает степень укрытия соломой в любом ее состоянии (измельченная и не измельченная) и растительными остатками верхнего слоя - поверхности почвы. При полном укрытии без открытых участков почвы Ку=1, при наличии отдельных открытых участков Ку<1, при укрытии поверхности соломой в несколько слоев Ку>1. Аналитически Ку определяется с учетом густоты растений N (на единице площади), состояния убираемой сельскохозяйственной культуры, солома которой будет использоваться для укрытия почвы, длины соломины к уборке h (с учетом высоты среза а), диаметра соломины d. В этом случае для определенной площади S при полном укрытии хотя бы в одну соломину необходимо приблизительное равенство площади укрываемого материала (соломы). Sy с площадью поля S вычисляется по формуле (1) где d и h соответственно диаметр и длина соломины, м; N - число соломин на площади поля S, шт. При известной густоте стояния культуры перед уборкой , коэффициент укрытия поля равен (2) С учетом переменности параметров формулы (2) выразим средний коэффициент укрытия Ky через среднеинтегральные по площади поля величины: (3) Тогда Зависимость среднего коэффициента укрытия от длины соломины перед уборкой сельскохозяйственной культуры показана на рисунках 2 и 3. В расчетах принята средняя густота стояния культуры растений на 1 м2 и вариация диаметра соломины от 2 до 4 мм (рис. 2), а также вариация густоты стояния сельскохозяйственной культуры от 300 до 600 растений на 1 м2 при среднем диаметре соломины 3 мм (рис. 3). Рис. 2. Изменение коэффициента укрытия от толщины соломины d и длины h Рис. 3. Изменение коэффициента укрытия от высоты стерни h и ее количества n на 1 м2 (шт.) При средних параметрах для расчета: n = 5 млн. растений зерновых культур на 1 га к уборке; d = 2 мм, h = 1 м; Sy = 10000 м2, что равно 1 га Ку = 1. При меньшей или густоте, или высоте (длине соломины), или диаметре соломины, Ку меньше 1 и поверхность почвы будет укрыта не полностью. Эти участки интенсивно прогреваются солнечной радиацией, из-за отсутствия защитной (отражающей) способности соломы, что вызовет увеличение потерь влаги - непродуктивные потери влаги. Для подтверждения данного факта в острозасушливый 2010 г. были проведены исследования на черноземных почвах Поволжья (Самарская область) по определению защитных свойств соломы от перегрева поверхностного слоя почвы (0-10 см). В опытах в 3-х вариантах определялась температура почвы в слое 0-10 см: 1 - поверхность без растительных остатков (по типу черного пара), 2 - поверхность укрыта измельченной соломой толщиной 5 см; 3 - поверхность укрыта измельченной соломой 10 см. Одновременно измерялась температура воздуха (дни исследований выбирались ясные при полной солнечной радиации - опыты проводились в августе). В исследованиях температура воздуха фиксировалась от 27 до 350С. Рис. 4. Зависимость температуры верхнего слоя почвы (0-10 см) от состояния поверхности (без соломы, солома толщиной 5 и 10 см) и температуры воздуха Изменение температуры почвы от состояния поверхности и температуры воздуха показано на рисунке 4, из которого видно, что зависимость повышения температуры верхнего слоя почвы от температуры атмосферного воздуха и соответственно от интенсивности солнечной радиации прямолинейна при любом состоянии поверхности. Интенсивность и характер изменения температуры почвы в зависимости от состояния поверхности (открытая и укрытая соломой различной толщины Н) показаны на рисунке 5. Рис. 5. Влияние состояния поверхности почвы (без укрытия, укрытие соломой толщиной 5 и 10 см) и температуры воздуха на температуру почвы t0С в корнеобитаемом слое 0-10 см При температуре воздуха 300С температура почвы без соломы составляла 30,50С, укрытая 5-сантиметровым слоем соломы - 270С (ниже на 30С), укрытая 10-сантиметровым слоем соломы - 25,50С (ниже на 4,50С). Солома, в отличие от почвы, снижает действие солнечной радиации за счет ее отражения от более светлой поверхности и за счет притенения почвы, в конечном итоге понижая температуру почвы на 4,5-50С. Причем, чем выше температура воздуха, тем лучше защитные (от солнечной радиации) свойства соломы, укрывающей почву. Так, при температуре окружающего воздуха 350С температура в верхнем слое почвы выше атмосферной на 30С на открытой поверхности, ниже на 10С при 5-сантиметровом укрытии соломой и ниже на 40С при 10-сантиметровом укрытии соломой, то есть изменение (уменьшение температуры почвы) составляет ∆=70С. При температуре окружающего воздуха 300С температура в верхнем слое почвы выше атмосферной в данный момент на 0,50С на открытой поверхности, ниже на 30С при 5-сантиметровом укрытии соломой и ниже на 4,50С при 10-сантиметровом укрытии соломой, то есть изменение (уменьшение температуры почвы) составляет ∆=50С. Сам по себе факт примечателен тем, что повышенная температура воздуха создается за счет того, что солнечные лучи (радиация), свободно проходя через прозрачный воздух, с различной степенью отражаясь от земной поверхности нагревают ее и уже теплые воздушные потоки, поднимаясь от поверхности, создают повышенную температуру окружающих воздушных слоев. В связи с тем, что в последнее время активно стала внедряться технология уборки зерновых культур методом «очеса» [7], с оставлением соломы без подрезания на поле без колосков или с обмолоченными колосками, как во всём мире, так и у нас в стране появилось для этого достаточно много специальных жаток. Учитывая то, что выпускаемые жатки для «очеса» выполняют только одну технологическую операцию (на них нельзя устанавливать подборщик для раздельного комбинирования), сложны по конструкции и дорогие, они имеют низкий спрос у специалистов АПК. Авторами предложен [4, 8], разработан и изготовлен специальный адаптер к любой зерновой жатке и к любому зерноуборочному комбайну, главным рабочим органом которого является барабан с зубчатым очесывающим устройством (рис. 6). Рис. 6. Адаптер (барабан с зубчатым очесывающим устройством к жатке для уборки зерновых методом «очеса») Адаптер имеет правовращающий гидромотор и устанавливается на усиленные боковины жатки. Его предварительные испытания показывают хорошие качественные показатели и надежность в работе. После прохода жатки на поле остается несрезанная солома без колосков или с небольшим количеством обмолоченных колосков (рис. 7). Для использования этой соломы в почвозащитных целях наиболее эффективным будет применение технологии «Strip-Till» - полосовое земледелие, которое предусматривает обработку поля специальным почвообрабатывающим агрегатом и создание взрыхленных, через определенное расстояние, почвенных полос, укрытых мульчей - измельченной соломой, перемешанной с почвой. В эти полосы высевается последующая культура, а необработанные участки с оставленной стерней и неподрезанной соломой имеют защитную функцию от суховеев и интенсивной солнечной радиации. Рис. 7. Сравнительное состояние яровой пшениц и до прохода и после прохода жатки для «очеса» (на убранном участке остались колосья без зерна) Для упрощения технологии без дополнительных специальных машинах разработан и предлагается специальный адаптер к комбинированному почвообрабатывающему (посевному) агрегату [5], (рис. 8) - это специальный роторный барабан, который измельчает солому и укрывает ею посевы, при этом обработка почвы и посев осуществляются специальными стрельчатыми лапами. В данном случае солома выполняет максимальные защитные функции: отражает повышенную радиацию и защищает почву от перегрева и непродуктивной потери влаги. Рис. 8. Адаптер к зерновой сеялке для подготовки полос с укрытием их измельченной стерней: 1 - рыхлящие лапы; 2 - сошник; 3 - барабан; 4 - бичи; 5 - кожух; 6 - отражатель; 7 - семенной ящик; 8 - семяпроводы Заключение. При возделывании сельскохозяйственных культур в зонах рискованного земледелия при недостатках влаги необходимы почвозащитные технологии с использованием отражающей способности соломы, служащей для укрытия поверхности почвы и ее защиты от перегрева. Защитные свойства соломы, которая используется для снижения непродуктивных потерь влаги, от перегрева почвы зависят от коэффициента укрытия, который должен быть хотя бы не менее 1 (солома покрывает почву в один слой). Определенные параметры соломы (диаметр, высота, густота стояния) могут существенно защищать почву от перегрева и при полном ее укрытии отражать солнечную радиацию со снижением температуры верхних слоев почвы на 5-70C. При недостаточном количестве соломы (Ку<1) ее защитные свойства снижаются, что требует дальнейшей минимизации обработки почвы, снижающей ее иссушение (прямой посев - технология «No-Till»). Для технологии «Strip-Till» с оставлением нескошенной соломы и укрытием посевов соломой с целью сохранения влаги необходимы специальные жатки для уборки методом «очеса» и комбинированные почвообрабатывающе-посевные агрегаты. Разработанные и исследованные адаптеры к зерновым жаткам показывают высокую эффективность как уборки зерновых культур методом «очеса», так и 100% оставление стерни для последующей технологии «Strip-Till». Для посева в полосы между стерней предлагается адаптер к сеялке, измельчающий стерню и обеспечивающий посев по технологии «Strip-Till».

About the authors

V A Milyutkin

FSBEI HVE Samara SAA

Email: oiapp@mail.ru
dr. of techn. sciences, prof., head of the department «Equipment and automation of processing industries» 446442, Samara region, settlement Ust’-Kinelskiy, Uchebnaya, 2 str

N V Dolgorukov

FSBEI HVE Samara SAA

Email: oiapp@mail.ru
cand. of techn. sciences, associate prof. of the department «Higher Mathematics» 446442, Samara region, settlement Ust’-Kinelskiy, Sportivnaya, 8-а str

References

Supplementary files