автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Исследование процесса и обоснование режимов работы щелереза-дрекера в садах на террасах в условиях Кабардино-Балкарской Республики

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КАБАРДИНО-БАЛКАРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

АСЛАН Асад Аввад

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА И ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЩЕЛЕРЕЗА-ДРЕНЕРА В САДАХ НА ТЕРРАСАХ В УСЛОВИЯХ КАБАРДИНО-БАЛАРСКОЙ РЕСПУБЛИКИ

Специальность 05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного

производства.

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель .* доктор технических наук, профессор КАСКУЛОВ М.Х.

Нальчик -

1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

RRFTTFHME 5

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.............. 8

1.1. Анализ основных причин, условий развития и

последствий водной эрозии на склоновых землях............ 8

1.2. Обзор основных методов борьбы с водной эрозией

на склоновых землях...................................... Icj

1.3. Анализ конструкций террас и способов их размещения

НВ СКЛОНОВЫХ ЗвМЛЯХ «дв*»«хг*хз**а**>х*с*х*ахзх*дхсгаг***х i.9

1.4. Анализ основных средств борьбы с водной эрозией

на склоновых землях..........................................................21

1.5. Выводы по главе, цель и задачи исследования.............. 27

ГЛАВА II. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЩЕЛЕРЕЗА-ДРЕНЕРА........ 30

2.1. Природно-климатические условия проведения работ

по щелевой обработке почвы в садах на террасах........... 30

2.2. Обоснование рациональной глубины щелевания почвы

2.3. Теоретическое исследование процесса взаимодействия рабочего органа щелереза-дренера о почвой................ 34

2.4. Обоснование рациональных параметров, режимов работы щелереза-дренера и рационального размещения террас

ЙЭ: О^яНОЙ© яахявяххсавлххахахдссжахвАзххдхзхяаххаххлсхвх&дх "^'--J

г-г * '—J » В bl'l S О Д Ы ПО Т*' iii.c3r3B w* ■ ххалхвхахаххехааяаа.ахйхажхеаехаххгхАжалас О0

ГЛАВА III. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО

ИССЛЕДОВАНИЯ ЩЕЛЕРЕЗА-ДРЕНЕРА.. .................... 59

3.1. Программа экспериментального исследования................ 59

3.2. Методика проведения экспериментального исследования...... 59

3.2.1. Аппаратура, установки и приборы для проведения экспериментамнего исследования противозрозненной

3.2.2. Схема проведения экспериментальных исследований,....... 68

3.2.3. Методика проведения экспериментов............................69

3.3. Методика обработки результатов экспериментального исследования щелереза-дренера............................ 74

3.3.1. Выбор типа модели и схемы ее планирования.............. 75

3.3.2. Порядок проведения статистического .анализа

планов второго порядка.............................................................80

3.4. Выводы по главе.......................................... 86

ГЛАВА 1У. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

ЩЕЛЕРЕЗА-ДРЕНЕРА.....................................87

4.1. Реализация матрицы планирования.........____............. 87

4.2. Определение коэффициентов регрессии................................87

4.3. Оценка, значимости коэффициентов регрессии................ 91

4.4. Проверка адекватности математической модели.............. 92

4.5. Проверка воспроизводимости математической модели......... 92

4.6. Математическая модель поверхности отклика.______......... 93

4.7. Анализ результатов экспериментального исследования по определению зависимости тягового сопротивления щелереза-дренера от его основных параметров.............. 95

4.8. Выводы по главе.....................................................104

ГЛАВА У. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ЩЕЛЕРЕЗА-ДРЕНЕРА И

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В САДАХ ид ТРРРДПАХ 106

I Ш Л. ' ■'» £ Гь ¡.хааааааааа»азхахаахаа»еаавх«хзхгхгааал*вах о. и

5.1. Влияние щелевания и дренажирования на почвы

террасированных склонах садоводства....,................. 106

5.2. Экономическая эффективность щелевой обработки на

террасированных склонах садоводства...............................113

5 в 3* выводы по x"1 лсуьс; * x "10

ЛЙТРРАТУРА 1?!

^'¿¿А 4. П X и 1 П ааааавагаааадаааеаааагаааааааааааагааяаааааагагааава X .4.

ВВЕДЕНИЕ

Эрозия и потеря влаги., как глобальные и локальные проблемы человечества., в экономическом и сельскохозяйственном плане довольно подробно изучены. Но методы борьбы с потерей влаги и с эрозией еще не совсем найдены, так как любой предлагаемый метод рассматривает е основном эти проблемы в отдельности, и не дает 100% результатов .

Водная эрозия почвы, потеря влаги и снижение водопроницаемости почвы., среди прочих проблем сельского хозяйства., являются самыми распространенными и наносят, пожалуй, самый значительный урон сельскому хозяйству.

Снижение урожайности культур и плодородия почвы б связи с эрозией, потерей влаги и уменьшением водопроницаемости почвы, наиболее ярко проявляются на склонах,

Щелевание в сочетании с дренажированием при нулевой обработке почвы, по нашему мнению, представляет собой перспективный метод борьбы с эрозией, потерей влаги и уплотненностью почвы. Настоящая работа является результатом трехлетних исследований, проведенных паи в течение 1998-1998 годов на территории Северо-Кавказского института горного и предгорного садоводства и в лабораториях Кабардино-Балкарской государственной сельскохозяйственной академии.

Суть метода заключается в том, чтобы устранить факторы, способствующие развитию- эрозии и потери влаги. Нулевая обработка почвы снижает степень уплотнения почвы в результате прохождения трактора. Суть нулевой обработки почвы - проведение как можно большего количества сельскохозяйственных работ при минимальном прохождении агрегатов по земле (комбинировать разнообразные рабочие органы в

одном агрегате). Щелевание необходимо для того., чтобы разрыхлить почву на глубине промерзания, что предотвращает закупоривание почвенных пор и если щели нарезать по колее трактора, то это позволит устранить элементы уплотнения почвы в результате прохождения трактора. Таким образом., предотвращается овражная эрозия., которая оказывает разрушительное воздействие на почву и в перспективе серьезно подрывает проведение сельскохозяйственных работ на пораженном участке,

Дренажирование - один из главных способов сохранения влаги в слое почвы. Прокладывание дренажных каналов ускоряет оттаивание снежного покрова путем создания более удобной среды для теплообмена, Вода, которая будет накапливаться в дренажах, потом постепенно будет просачиваться в почву, обеспечивая постоянную увлажненность почвы за весь вегетационный период, Предполагается использование дренера с лыской, что позволит регулировать направление просачивание воды, расход дренажной воды будет направляться именно под корни деревьев,

Использование этих трех методов в комплексе позволяют утверждать, что воздействие уплотненности почвы, овражная эрозия, смыв почвы и потеря влаги, низкая продуктивность террас будут в значительной мере уменьшены. Кроме этого, увеличится производительность террас за счет сохранения влаги, питательных веществ в почве и предотвращения эрозионных процессов,

Настоящая работа посвящена разработке и обоснованию основных параметров и режимов работы щелереза-дренера по уходу за почвой в садах на склоновых землях Кабардино-Балкарской Республики,

Новым и выносимым на защиту являются:

- физическая и математическая модели ноеого щелереза-дренера

машины по уходу еа почвой в садах на террасированных склонах;

- аналитические выражения для исследования процесса работы щелерееа-дренера;

- оптимальные параметры и режимы работы щелерееа-дренера.

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ основных причин, условий развития и последствий водной эрозии почв на склоновых землях.

Почва - одно из важнейших природных богатств и материальная основа земледелия. Экономическая устойчивость страны зависит от плодородной, разумно используемой почвы, защищенной от потерь атмосферных осадков вследствие чрезмерного поверхностного стока, вызывающего смыв почвы.

Понятие "эрозия" включает в себя тот непрерывный геологический процесс, который известен под названием "нормальная эрозия". При густой и обильно покрывающей почву растительности этот процесс не приводит к катастрофическим последствиям. Однако, на склонах струйки воды, скапливаясь и пробивая себе дорогу между стеблями, выносят частицы мелкозема, гумус, полезные микроорганизмы, оголяют корни растений, при плоскостной эрозии поверхностный слой почвы смывается довольно равномерно на всей площади.

В течение коротких сроков смыв может быть едва заметным, но по истечении многих лет исчезновение значительной части или всего пахотного горизонта дает убедительное доказательство протекавшего ненормального явления.

Эрозионные явления стока воды и смыва почвы получили свое распространение с самого начала человеческой деятельности. Хищническое использование почв в прошлом привело к сильному истреблению лесов, а бессменная распашка целинных земель к утрате их структурного состояния, усилению поверхностного стока и смыва почвы. Всхолмленный и расчлененный рельеф местности, рыхлые почвообразую-

щие породы служили лишь благоприятным "фоном", на котором усугублялись отрицательные последствия воздействия человека на природу,

'Эффективная защита почв от эрозии, возникающей под воздействием поверхностного стока, одна из важнейших задач проектов создания горного сада. Степень проявления эрозии почв на склонах находится в зависимости от интенсивности дождей и количества выпадающих осадков. При отсутствии противоэрозионной защиты вся масса воды стекает по наклонной поверхности и концентрируется в ложбинах и балках. Капли дождя разбивают верхний плодородный слой почвы, который с потоками воды по образовавшимся на склонах промоинам уносится со склоновой поверхности.

Эрозионные процессы на склонах проявляются и в период весеннего таяния снегов. Зимой открытые места с маломощным снежным покровом промерзают на значительную глубину. Весной земля оттаивает медленно, Все поры промерзшей почвы заполнены льдом. Бурное снеготаяние в этот период способствует смыву верхнего стаявшего слоя [70].

Первое научное освещение вопроса об эрозии почв принадлежит гениальному российскому ученому М.В. Ломоносову, который в своем размышлении о происхождении чернозема отмечал сортирующее действие почвенной эрозии, которая "...вымывает легкие черноземные частицы дождями и в даль сносит" [52].

Большое внимание поверхностным смывал уделялось в США. В.Ц. Лоудермилк Е146] отмечал, что перенаселенная Европа в относительно короткий срок доставило новому свету миллионы крепких людей, сумевших расчистить леса и поднять целину, охваченный жадностью, не проявлял никакой заботы об осваиваемых землях. При этих условиях скорость сноса почвы под действием воды значительно превышает те-

перь скорость почвообразования, что является верным признаком разрушения почвы [112, 113, 114].

В США нарушение почвенного покрова зашло так далеко, что уже в 1935 г. из 706 млн. га земельных угодий было охвачено эрозией 476 млн. га 115, [116, 117, 119, 120, 121]. Согласно данным Х.Х. Беннетта [111], вследствие почвенной эрозии только в штате Индиана о 1900 по 1920 г. выбывало ежегодно по 11 тыс. га земли, а с 1920 по 1930 г, уже по 54 тыс. га б год; фермеры всегда стремились вести хозяйство на лучших землях, так как "там, где фермеру приходится хозяйничать на земле, лишенный плодородного пахотного слоя почва, он ... окажется в положении фермера ведущего сельское хозяйство на ...обанкротившейся земле" [115, 118, 121, 123].

Для широкого развития эрозионных процессов в России в прошлом ¿мелись такие предпосылки, как условия землепользования царской России, от которой осталось земельное наследство, достаточно разрушенное эрозией: площадь районов со смытыми почеши равна почти 2 млн. кмк СИ]. По примерному подсчету, ежегодный прирост площади эродированных почв составлял около 150 тыс, га, прирост оврагов -45 тыс. га [81, 82].

В результате общего повышения культуры земледелия после коллективизации е ряде районов разрушительная сила эрозии снизилась на 25.,.50%, однако, эрозия в России еще имеет место. Эрозией охвачены не только склоны значительной крутизны, но и мало заметные, начиная с (0,5...2,0) [66]. И если смыв не бросается в глаза, то лишь благодаря большой мощности гумусовых горизонтов, и особенно черноземных почв, Непрерывное использование черноземных почв, склонов, без соблюдения противозрознонных и почвоокультуривающих мероприятий, сопровождается обеднением верхних горизонтов элемен-

тами питания., ухудшением водно-физических и микробиологических свойств [3, 4, 5, 15, 78, 86, 87, 101, 103, 104, 105].

Таким образом, система содержания почвы в садах в современных условиях должка отвечать ряду требований, основное из которых снижение эрозионных процессов [20]. Здесь необходимо учитывать, что основные массивы промышленных садов на склоновых землях в РФ сосредоточены на Северном Кавказе. Здесь они составляют в среднем 20% всех насаждений региона, а в горных республиках до 30% и более. Так, в КБР на их долю в общественном секторе приходится 4,2 и 12 тью. га [55].

Ущерб, причиняемый сельскому хозяйству велик. Только в Европейской части СНГ в 1930 г. было около 2 млн. га овражных земель. Ежегодно овражная эрозия в нашей стране отнимает 45...90 тыс. га ценных земель [83]. Вследствие эрозионных процессов ежегодно теряется плодородие, а местами и полностью разрушается до 100...150 тыс.га [84, 85, 104]. По данным Почвенного института им. В.В. Докучаева, е Европейской части 000Р водной эрозии подвержено более 50 млн. га, из них около 10-11 млн. га средне- и сильносмытых почв

Г

а

В настоящее время в Российской Федерации площадь эродированных земель составляет около 62,7 млн га [61].

В ЦЧП высокая степень распашки, 85% при чрезвычайно изрезанном рельефе, а также бессистемный выпас скота на крутых склонах способствуют интенсивному развитию эрозионных процессов [7, 66, 67, 74, 75, 94, 104].

Площадь оврагов в среднем за год увеличивается на 9 тыс. га

В КБР высокая степень распашки при чрезвычайно изрезанном

рельефе, а также бессистемный выпас скота на крутых склонах способствуют интенсивному развитию эрозионных процессов, В республике эрозии подвержена более 150,,,200 тыс. га пашни. Площадь оврагов в среднем за год увеличивается на 2...4тыс. га С60].

Многочисленными опытами, проведенными в нашей стране и за рубежом., установлено, что почвы,, в различной степени утратившие плодородие, снижают урожай, возделываемых культур на 10...97% [3, 13, 17, 18, 31, 79, 80, 83, 100].

По подсчетам Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники и мелиорации им. акад. А.Н. Костикова, при неурегулированном стоке ежегодно теряется 50...80 млрд. м'5 воды. Не-достаточнапя обеспеченность растений влагой воздействует в первую очередь на корень, а затем на лист. Это снижает активность всего растения, нарушая его метаболизм, что является причиной не только недобора урожая, но и губительного последействия на общее состояние плодовых и ягодных ¡культур [95]. С каждого гектара склоновых поверхностей в среднем стекает 920 м3 талых еод, смывающих около б т почвенного материала. Если задержать только на полях степной и лесостепной зон, половину стекающих талых вод, то и в этом случае будет дополнительно получено около 16 млн. т зерна [83, 84, 85, 86]. В целом по стране недобор зерна составляет ежегодно почти 64 млн, т.

Таким образом, эрозия приносит сельскому хозяйству огромный ущерб. Разрушения верхнего слоя почвы происходит очень быстро, часто за 1... 2 года, и естественный процесс формирования гумусового слоя в 20 см идет 2,.,7 тыс. лет.

В опытах НИИ горного садоводства и цветоводства в районе Сочи в 1981 г. с 1 га цитрусовой плантации при крутизне склона 13...18°

за два ливневых дождя интенсивностью 3...4 мм/мин было омыто с

плантации молодого сада 145 т почвы. В опытах Северо-Кавказского зонального НИИ садоводства и виноградарства из междурядий контурного сада за 8 лет было смыто 500 м'-Vra почвы.

На ослабление или усилении эрозионных процессов большое влияние оказывает обработка почвы. Установлено., что увеличение глубины обработки почвы в садах на склонах способствует повышению содержания влаги в слое 0...Ш0 см на 25... 120 мм, в слое 0.. .100 см на 24...28 мм. При этом смыв почвы на склоне крутизной 1,5...2,5° сократился о 118 до 38 т/га £16]. Поэтому целесообразнее предотвратить эрозию почвы, чем бороться с ее последствиями. На всех этапах развития человеческого общества земля была, есть и будет важным, ничем незаменимым средством производства.

1.2. Обзор основных методов борьбы с еодной эрозией на склоновых землях.

Основными факторами, определяющими противоэрозионную устойчивость почв, являются водопроницаемость почв, от которой зависит та или другая интенсивность формирования стока, противоэрозионная устойчивость почв, от которой зависит способность противостоять размывающему действию стока ливневых и тальк вод, уровень плодородия почв, от которого зависят состояние и почвозащитная способность растительного покрова.

Террасирование склонов является одним из способов борьбы с эрозией, но и на этих террасах присутствует эрозия, важнейшим фактором которого