автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение качества противоэрозионной обработки почвы на склоновых землях совершенствованием технологического процесса и технических средств

На правах рукописи

/)

0055334О1

СОКОЛОВ НИКОЛАИ МИХАИЛОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПРОТИВОЭРОЗИОННОЙ

ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ НА СКЛОНОВЫХ ЗЕМЛЯХ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации

сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

г 6 СЕН 2013

Пенза 2013

005533451

Работа выполнена в Государственном научном учреждении научно-исследовательский институт сельского хозяйства Юго-Востока Россельхозакадемии (ГНУ НИИСХ Юго-Востока)

Научный консультант доктор сельскохозяйственных наук,

профессор

Шабаев Анатолий Иванович

Официальные оппоненты: Ларюшин Николай Петрович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия», профессор кафедры «Механизация технологических процессов в АПК»

Савельев Юрий Александрович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Самарская государственная сельскохозяйственная академия», профессор кафедры «Сельскохозяйственные машины и механизация животноводства»

Бойков Василий Михайлович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ », профессор кафедры «Процессы и сельскохозяйственные машины в АПК»

Ведущая организация Государственное научное учреждение

Всероссийский научно-исследовательский институт земледелия и защиты почв от эрозии Россельхозакадемии (ГНУВНИИЗиЗПЭ)

Защита состоится 18 октября 2013 года в 10.00 на заседании диссертационного совета Д 220.053.02 на базе ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» по адресу: 440014, г. Пенза, ул. Ботаническая, 30, ауц. 1246.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА»

Автореферат разослан «16» сентября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ф^**^ О.Н. Кухарсв

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований. Основной причиной получения нестабильных урожаев полевых культур в Поволжье является дефицит влаги. Кроме того, в данном регионе больше половины пахотных земель размещены на склонах до 8°, в связи с чем на таких полях в период весеннего снеготаяния и выпадения ливневых осадков имеет место поверхностный сток воды, вызывающий эрозионные процессы.

В настоящее время производство растениеводческой продукции на склоновых землях базируется на использовании традиционных технологий и технических средств. Сельхозорудия, применяемые в склоновых агроландшафтах, практически не отличаются от технических средств, которые работают на равнинных полях.

В связи с этим полученный при обработке почвы пахотный слой не создает необходимые условия для регулирования поверхностного стока воды и процесса эрозии на склонах вследствие недостаточной порозности и низкой водопроницаемости верхнего, обработанного слоя почвы и его сопротивляемости размыву. Эта проблема является нерешенной для регионов, где имеют место глубокое промерзание почвы и зимние оттепели, снижающие почвозащитную эффективность безотвального рыхления, щелевания зяби, создания водоемкого микрорельефа. Образовавшаяся в таких условиях на пашне обледененная поверхность увеличивает потери талых вод на сток и вызывает ускоренную эрозию почв.

Таким образом, возникает противоречие между требованиями, предъявляемыми к противоэрозионной обработке почвы, и традиционными почвозащитными способами и техническими средствами, не обеспечивающими надежную защиту почв от эрозии.

Поэтому работа, посвященная повышению качества противоэрозионной обработки почвы на склоновых землях, направленная на сохранение плодородия и повышение влагонакопления путем совершенствования технологического процесса основной обработки почвы и технических средств, оказывающих влияние на регулирование поверхностного стока воды за счет создания из пожнивных остатков гребне-стерневых кулис с высокой водопоглощающей способностью, является актуальной и имеет важное хозяйственное значение.

Степень разработанности темы. В настоящее время для защиты склоновых земель от эрозии разработаны различные агротехнические мероприятия, направленные на сохранение плодородия: вспашка с почвоуглублением, образование водоемкого микрорельефа, оставление на поверхности поля стерни и т.д. Однако в регионах, где имеют место частые зимние оттепели и глубокое промерзание почвы, эти известные способы не отвечают агротехническим требованиям вследствие низкой водопроницаемости верхнего, переувлажненного слоя почвы и в связи с

этим образования на мерзлой поверхности пашни стока воды, вызывающего эрозию и потерю влаги.

Поэтому проблема сохранения плодородия почв и повышения их увлажненности на склоновых землях требует дальнейших теоретических исследований и создания новых технологических и конструкторских разработок.

Исследования, изложенные в работе, выполнены в ГНУ НИИСХ Юго-Востока Россельхозакадемии согласно государственным научно-техническим программам фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2006-2010 гг., задание 09.01.02 «Разработать высокопроизводительную технику нового поколения для приоритетных групп продукции растениеводства» (ГР № 15070.7721022959.06.8.002.3/016), соответствует плану НИР ГНУ НИИСХ Юго-Востока на 2011-2015 гг. «Разработать адаптированные к склоновым агроландшафтам модернизированные способы обработки и ресурсосберегающие технологии, обеспечивающие защиту почв от эрозии, экологическую безопасность и повышенную продуктивность зерновых культур», а также по Гранту РФФИ 08-05-13527-офи_ц на 20082009 гг. «Разработка ресурсосберегающей технологии и создание опытного образца орудия для защиты почв и повышения эффективного плодородия гребневыми кулисами в агроландшафтах Поволжья» и по договору с ассоциацией «Аграрное образование и наука» г. Саратов, 2011— 2012 гг. по теме «Разработка конструкции и изготовление макетного образца почвовлагосберегающего орудия для компенсационной обработки склоновых земель».

Цель работы - повышение качества противоэрозионной обработки почвы на склоновых землях совершенствованием технологического процесса и технических средств основной обработки, снижающих эрозионные процессы.

Задачи исследований:

1. Разработать эффективный способ основной обработки почвы, обеспечивающий сокращение эрозионных процессов и накопление атмосферных осадков при возделывании полевых культур на склоновых землях.

2. Теоретическими исследованиями обосновать процесс формирования гребне-стерневых кулис и их инфильтрационные свойства на склоновых землях, а также конструктивно-технологические параметры технических средств для их создания.

3. Разработать новые конструктивно-технологические схемы и изготовить почвообрабатывающие орудия, повышающие почвозащитную направленность основной обработки почвы в эрозионно-опасных условиях.

4. Провести лабораторные и лабораторно-полевые исследования предлагаемого способа противоэрозионной обработки почвы и техниче-

ских средств для его выполнения, определить агротехнические, энергетические, эксплуатационно-технологические показатели.

5. Провести производственную проверку предлагаемого способа противоэрозионной обработки почвы и разработанных технических средств, определить агроэкологические показатели и дать технико-экономическую оценку эффективности их применения.

Объект исследований - технологический процесс основной обработки почвы, обеспечивающий снижение водной эрозии, сохранение плодородия и повышение урожайности полевых культур на склоновых землях, осуществляемый новым способом и техническими средствами.

Предмет исследований - показатели качества основной противоэрозионной обработки почвы, физико-механические и технологические свойства создаваемых при основной обработке гребне-стерневых кулис, конструктивные и технологические параметры почвообрабатывающих орудий и их энергооценка.

Научная проблема. При возделывании полевых культур на склоновых землях, с одной стороны, необходимо проводить обработку почвы, но с другой стороны, полученный при обработке традиционными способами пахотный слой в результате недостаточной защищенности и низкой порозности в большей степени подвергается эрозии за счет образования поверхностного стока воды, вызывающего смыв почвы. Поэтому объективно существует научная проблема сохранения плодородия почвы и снижения потерь влаги путем создания на поверхности склона при основной обработке почвы противоэрозионного микрорельефа в виде чередующихся гребне-стерневых кулис с высокой водопоглощающей способностью, разделяющих склон на множество элементарных замкнутых участков, позволяющих предотвратить появление лавинообразного стока воды и эрозии.

Научную новизну работы представляют:

• новый способ, обеспечивающий совершенствование технологического процесса основной противоэрозионной обработки почвы на склоновых землях за счет снижения поверхностного стока воды и эрозии почвы;

• теоретические зависимости, позволяющие проанализировать процесс формирования гребне-стерневых кулис с учетом величины поперечного уклона поля, аналитические выражения для определения тягового сопротивления разработанных почвообрабатывающих орудий, оснащенных противоэрозионными приспособлениями;

• математическая модель процесса инфильтрации воды, оценивающая фильтрационные свойства обработанной почвы и создаваемых гребне-стерневых кулис;

• конструктивно-технологические схемы и конструкции новых почвообрабатывающих орудий ПГО-1,75 для выполнения отвальной,

ОПС-3,5 - безотвальной и ОП-ЗС - мелкой гребнекулисной обработки в эрозионно-опасных условиях;

• конструктивные и технологические параметры технических средств для основной обработки почвы на склоновых землях и агроэко-логическая оценка разработанного противоэрозионного способа.

Новизна разработанного способа противоэрозионной обработки и технических средств для его реализации подтверждена четырьмя патентами РФ на изобретения (№ 2294070, № 2310297, № 2318303, № 2443093).

Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты исследований явились основой для разработки противоэрозионного способа отвальной, безотвальной и мелкой гребнекулисной обработки почвы, а также почвообрабатывающих орудий для его выполнения.

Опытные образцы противоэрозионных орудий ПГО-1,75 для отвальной, ОПС-3,5 безотвальной и ОП-ЗС, мелкой гребнекулисной обработки почвы прошли приемочные государственные испытания в Поволжской МИС (протоколы № 08-41-94 (106000052); № 08-42-94 (106000042); № 08-77-2009 (4020612)) и рекомендованы к внедрению в производство.

Разработаны и изданы методические рекомендации, приведенные в перечне публикаций по данной работе.

Новый способ основной обработки почвы в эрозионно-опасных условиях и технические средства для его выполнения апробированы и внедрены в ФГУП «Аркадакская СХОС», ИП КФХ «Зотов П.А.» Саратовской области и ОАО «Семеновское» Волгоградской области.

Созданы противоэрозионные приспособления для серийно выпускаемых комбинированных агрегатов АПК-3 и АПК-6, разработанных в ГНУ ВИМ Россельхозакадемии (г. Москва). Опытная партия этих агрегатов изготовлена в ОАО «Волгодизельаппарат» (г. Маркс, Саратовская область).

Методология и методы исследования. Теоретические исследования процесса инфильтрации воды в разных средах, обоснование оптимальных конструктивных параметров противоэрозионного приспособления и технологических параметров образованного на поверхности склона противоэрозионного микрорельефа, проводились на основе известных законов и методов механики, гидравлики и математического анализа с получением уравнений регрессии, разработкой математической модели и оценкой достоверности полученных результатов.

Экспериментальные исследования и производственная проверка выполнены методом сравнительных исследований, а также планирования многофакторного эксперимента при использовании стандартных и разработанных методик, приборов и установок с последующей обработкой полученных результатов на ЭВМ.

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

• адаптированный к условиям среднего Поволжья новый противо-эрозионный способ основной обработки почвы на склоновых землях;

• математическая модель, описывающая процесс инфильтрации воды в неоднородной среде, позволяющая оценить фильтрационные свойства обрабатываемой почвы и создаваемых гребне-стерневых кулис с учетом изменения их порозности;

• теоретическое обоснование конструктивных и технологических параметров новых технических средств для выполнения противоэрози-онной обработки почвы на склоновых землях;

• конструктивно-технологические схемы и конструкции новых почвообрабатывающих орудий для выполнения гребнекулисной обработки почвы в эрозионно-опасных условиях;

• агротехнические, энергетические, эксплуатационно-технологические и технико-экономические показатели предлагаемых почвообрабатывающих орудий.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных данных подтверждается сходимостью теоретических исследований с результатами лабораторных и лабораторно-полевых экспериментов, а также полученными в лабораторно-полевых и производственных условиях агроэкологическими показателями сравниваемых способов и средств механизации для основной обработки почвы на склоновых землях.

Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на ежегодных научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ» (1993-1997 гг., 2004-2007 гг., 2011 г.); на научной сессии Россельхозакадемии (г. Саратов, 2000 г.); на Международной научно-практической конференции (пос. Шортанды, 2006 г.); на научно-практических конференциях ГНУ НИИСХ Юго-Востока (г. Саратов, 1995 г., 2004 г., 2009 г.); на научно-практической конференции ГНУ Самарский НИИСХ Россельхозакадемии (2007 г.); на научно-практической конференции (г. Москва, 2009 г.); на Международной научно-практической конференции ГНУ ВИМ Россельхозакадемии (г. Москва, 2010 г.); на научно-техническом совете минсельхоза Саратовской области (2009—2012 гг.); на расширенном заседании отдела механизации ГНУ НИИСХ Юго-Востока Россельхозакадемии (2013 г.).

Почвозащитная технология возделывания озимой пшеницы и орудия для противоэрозионной гребнекулисной обработки почвы на VI и VII Салонах изобретений, инноваций и инвестиций г. Саратов в 2011 и 2012 гг. отмечены дипломами I и II степени и медалями.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 52 научных работах общим объемом 46,2 п.л., из которых автору принад-

лежит 12,2 п.л., в том числе 15 работ в изданиях, рекомендованных ВАК при Минобрнауки РФ, получено 4 патента РФ на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 294 страницах, состоит из введения, 6 разделов, общих выводов, списка использованной литературы из 216 наименований и приложения. Диссертация включает 101 рисунок, 31 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, дана общая характеристика работы, изложены основные научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.

В первом разделе «Состояние вопроса и обоснование проблемы. Цель и задачи исследований» проанализированы природно-климатические условия зоны Поволжья, основные агротехнологии и технические средства, применяемые при возделывании полевых культур. Проведен анализ известных способов основной почвозащитной обработки и факторов, влияющих на возникновение эрозионных процессов на склоновых землях.

В результате проведенного анализа выявлено, что основным элементом земледелия в этом засушливом регионе, где больше половины пахотных земель расположены на склонах и подвержены процессам эрозии, должны быть эффективные почвовлагосберегающие технологии и технические средства, используемые при выполнении полевых работ.

Проведенные в зональных НИИСХ исследования показывают, что применяемые в эрозионно-опасных зонах технологии возделывания полевых культур и средства механизации, как отечественного, так и зарубежного производства, не в полной мере отвечают требованиям агротехники, особенно в плане защиты почв от водной эрозии и накопления влаги. Это связано с тем, что полученный при использовании известных способов и технических средств основной обработки почвы пахотный слой не способен оказывать существенное влияние на регулирование поверхностного стока воды и смыва почвы вследствие его рыхлости, а значит, низкой сопротивляемости размыву, недостаточной его порозности и водопроницаемости, особенно в условиях высокой влажности верхнего слоя и глубокого промерзания почвы.

Образованная в таких условиях переувлажненная поверхность пашни с ледяной поверхностью существенно увеличивает потери талых вод на сток в период снеготаяния, вызывая эрозию почв.

При этом возникает необходимость создания условий для целенаправленного сохранения плодородия и накопления осенне-зимних осадков на склоновых землях за счет образования на поверхности пашни противоэрозионного микрорельефа с оптимальной порозностью почвы,

оказывающего влияние на регулирование поверхностного стока воды и снижение эрозии.

Совершенствованию почвозащитных технологий, направленных на сохранение плодородия обрабатываемых земель и повышение их влагообеспеченности, посвящены работы ведущих ученых А.И. Бараева,

B.Б. Гуссака, В.В. Докучаева, М.Н. Заславского, П.Г. Кабанова, К.И. Карповича, H.A. Качинского, А.Н. Каштанова, В.И. Кирюшина,

A.C. Козменко, И.А. Кузника, Ц.Е. Мирцхулава, Н.С. Немцева,

C.С. Соболева, А.П. Спирина, Г.П. Сурмача, А.И. Шабаева, и других.

Большой вклад в развитие теории механизированной обработки почвы внесли В.М. Бойков, П.Н. Бурченко, Ю.А. Ветров, А.И. Воронин,

B.В. Грибановский, А.Ф. Жук, А.Н. Зеленин, A.A. Князев, Н.В. Красно-щеков, A.C. Кушнарев, В.А. Лаврухин, Н.П. Ларюшин, ЯЛ. Лобачевский, А.И. Любимов, М.Н. Мазитов, В.А. Милюткин, И.М. Панов, В.Б. Рыков, Ю.А. Савельев, Г.Н. Синеоков и др. Основной целью при проведении исследований была разработка менее энергоемких рабочих органов и почвообрабатывающих орудий. Вследствие этого в последние годы появилось большое количество разных конструкций почвообрабатывающих орудий с различным исполнением рабочих органов и их компановкой, сам же технологический процесс, в плане противоэрозионной защищенности и влагонакопления, остается практически неизменным, а изложенная научная проблема нерешенной.

В результате проведенного анализа литературных и патентных источников, а также изучения передового производственного опыта было установлено, что для сохранения плодородия почвы на склоновых землях и улучшения их влагообеспеченности необходимо повысить почвозащитную направленность глубокой и обычной отвальной и безотвальной, а также ресурсосберегающей мелкой обработки почвы, которые широко применяются под различные культуры в севооборотах. Этого можно достигнуть за счет создания на поверхности склона, при основной обработке почвы, противоэрозионного микрорельефа с высокой порозностью и водопоглощающей способностью, оказывающего влияние на регулирование поверхностного стока воды и процесс эрозии.

Во втором разделе «Разработка противоэрозионного способа основной обработки почвы на склоновых землях и особенности его применения» приведена методика обоснования новых почвовлагосбере-гающих способов обработки склоновых земель, позволяющих значительно снизить поверхностный сток и эрозию и увеличить влагонакоп-ление. Приведены схемы технологического процесса отвальной, безотвальной и мелкой гребнекулисной обработки в разные периоды времени, дано их описание.

Сопротивляемость обрабатываемых почв размыву и их водопроницаемость являются важнейшими свойствами, которые определяют характер эрозии и их эрозионную устойчивость.

При снеготаянии и ливневых осадках пополнение водой сходящего потока происходит на всей длине склона. Таким образом, длина и крутизна склонового участка являются основными факторами, влияющими на поверхностный сток и смыв почвы.

Из результатов исследований А.Д. Ивановского известна зависимость, характеризующая влияние длины склонового участка и его крутизны на смыв почвы:

М = А1°-751}-5Х'-5 ; (1)

¡¥=А/°'15Ь°-5Х15 , (2)

где М - расход смытого материала, кг/с; Ж - смыв почвы на единицу площади, кг; У — уклон поверхности склона, град; Ь — длина склона, м; X — интенсивность осадков или водоотдача из снега, мм/мин; А — коэффициент, учитывающий другие факторы эрозии.

Анализ формул (1) и (2) показывает, что твердый расход и смыв почвы пропорциональны уклону поля в степени 0,75.

По данным Б.В. Полякова интенсивность смыва почвы пропорциональна уклону участка в степени 0,5.

Согласно исследованиям американских ученых Г. Конке и А. Бертрана, удвоение крутизны склона увеличивает смыв почвы в 2,5 раза.

Таким образом, уклон и длина участка являются постоянными неизменяющимися во времени факторами, влияющими на процессы эрозии при любых обработках почвы. Большие расхождения влияния длины и уклона участка на поверхностный сток и эрозию объясняются тем, что в реальных условиях кроме этих основных факторов смыв почвы зависит от податливости незащищенной почвы, ее водопроницаемости и состояния поверхности поля. Чем лучше обработанная почва защищена растительным покровом, выше ее порозность и гребни-стость поверхности, тем меньшее влияние оказывают длина и уклон участка на процесс эрозии.

Из вышеизложенного следует, что сама почва и ее противоэрозион-ная устойчивость зональны и могут изменяться в значительных пределах. Но в любом случае, когда интенсивность подачи воды — Qпв превышает интенсивность ее впитывания - Цвп почвой, формируется поверхностный сток воды, который вызывает эрозию и потерю влаги:

впв > йвп ■ (3)

При снеготаянии и ливнях сходящий поток воды и его кинетическая энергия возрастают вместе с длиной склона. Чем больше масса воды и ее скорость, тем больше кинетическая энергия потока, переносящего почвенные частицы вниз по склону. Поэтому для снижения эрозии необходимым условием является сокращение стока за счет создания на пути

водных потоков противоэрозионного микрорельефа, способного остановить или снизить скорость потока воды до минимума. В этом случае по всей длине склона должна иметь место система механических препятствий (гребней), разделяющих первоначальный склон на множество элементарных замкнутых участков.

Схема такого механического препятствия может быть представлена в виде гребне-стерневой кулисы (рисунок 1). Их располагают с равномерным интервалом друг от друга поперек склона, верхняя часть кулис возвышается над поверхностью поля, а нижняя их часть заделана в почву в (борозду). В таком виде выступающая верхняя часть кулис служит препятствием для стекающей по склону воды, а нижняя способствует повышению инфильтрации воды в почву и оседанию в ней мелкозема. Для более эффективного задержания потоков воды гребне-стерневая кулиса должна формироваться из пористого материала, имеющего высокую механическую прочность и водопо-глощающую способность, (например, из пожнивных остатков, перемешанных с почвой). Пожнивные остатки, являясь армирующим материалом кулисы, придают ей необходимую прочность и предохраняют от размыва водой.

верхняя нижняя

Длина гребне-стерневых кулис, определяется по выражению:

Ьо

где 5 - площадь обработанного участка, м2; Ь0 - ширина захвата орудия, м; Ъ - количество кулис, образуемых за один проход орудия, шт.

Площадь, занятая под кулисами на обработанном участке поля равна:

5к =4А> (5)

где Ък - ширина кулисы, м.

Длительность снеготаяния в Поволжье зависит от количества снега, температуры воздуха, формы склона и его экспозиции, способа обработки и т.д. Причем в этом регионе во время зимних оттепелей снежный покров сходит практически полностью, после чего наступает возврат холодов. В таких условиях поверхность почвы сильно увлажнена и образованный с осени микрорельеф заполнен льдом. При повторном снеготаянии весной на таких фонах формируется поверхностный сток, вызывающий эрозию и потерю влаги.

В таких условиях система гребне-стерневых кулис служит барьером для стекающих водных потоков. Встречая на своем пути препятствие с высокой водопроницаемостью, вода впитывается в них, заполняя поры пожнивных остатков и перемещаясь по ним в нижние горизонты. Излишки воды скапливаются перед кулисами, образуя водяные блюдца. Ввиду того, что температура талой воды на 1...3° выше температуры мерзлой почвы, быстрее происходит ее оттаивание и созревание.

На основании проведенного анализа и с учетом особенностей зоны Поволжья разработан рациональный технологический процесс гребне-кулисной обработки зяби и чистого пара, применяемый на склоновых землях. Особенность такой обработки заключается в том, что осенью после уборки предшественника одновременно с основной обработкой формируются гребне-стерневые кулисы (рисунок 26) из стерни предшествующей культуры в смеси с почвой. При этом нижняя часть кулис укладывается в открытую борозду, а верхняя размещена на поверхности поля. Выступающая часть кулис за счет снижения скорости ветра в приземном слое способствует лучшему снегозадержанию, т.е. при переносах «сухого» снега он полностью задерживается между кулисами (рисунок 2в), а не сносится в лесополосы. В течение зимы выпадающие осадки полностью закрывают кулисы (рисунок 2г).

Толщина снежного покрова в 30...35 см надежно предохраняет почву от глубокого промерзания и тем самым повышает ее инфильтрацию при снеготаянии. Весной при нарастании температуры снег оседает, при этом в первую очередь начинают появляться проталины в зоне гребне-стерневых кулис (рисунок 2д). Имея пористую структуру и высокую водопроницаемость, кулисы, освободившиеся от снега, начинают «работать», впитывая талую воду.

В случаях быстрого нарастания температур вода, стекая по склону, образовывает небольшие «блюдца» перед кулисами (рисунок 2е).

После полного схода снега и созревания почвы проводится боронование обычными зубовыми боронами БЗТС-1 (рисунок 2ж) В дальнейшем для окончательной подготовки почвы под посев поле культивируют серийными культиваторами КПС-4; КШУ-12; КУК-6 и др. (рисунок 2з).

і , стерня почва $

отвальная гребнекулисная обработка

кулиса

зимнии период

Н2О покровное борнование 5

£

снеготаяние

Рисунок 2 - Технологический процесс отвальной гребнекулисной обработки почвы

Посев яровых культур на таких фонах проводится как дисковыми сеялками типа С3-3,6 так и лаповыми типа СЗС-2,1. После появления всходов рядки растений (рисунок 2и) дополнительно повышают противоэро-зионную устойчивость склоновых участков.

При подготовке чистых паров после покровного боронования и первой культивации в почве на глубине 6...7 см остается нижняя часть кулисы (рисунок 2з). Имея высокую пористость и водопоглощающую способность, эта часть кулисы при выпадении ливневых осадков, защищает паровые поля, расположенные на склонах, от поверхностного стока и

13

эрозии в течение всего весенне-летнего периода. Как показали опыты, пожнивные остатки, находящиеся в почве, оказывают влияние на инфильтрацию воды в течение 2-3 лет до полного их разложения.

В дальнейшем всходы озимых культур становятся дополнительным препятствием для стекающей по склону воды (рисунок 2и). Таким образом, предлагаемый способ основной отвальной гребнекулисной обработки почвы способствует дополнительному накоплению снега в зимний период и надежно защищает зябь и паровые поля от стока талых и ливневых вод в течение всего периода, обеспечивает лучшую влагозарядку и сохранение плодородия.

На легких почвах с небольшим (до 20 см) гумусным горизонтом применяется безотвальная гребнекулисная обработка почвы. Формирование гребне-стерневых кулис проводится одновременно с безотвальным рыхлением почвы на глубину 20...35 см, разработанным почвообрабатывающим орудием (рисунок 7).

Мелкие обработки почвы широко применяются в Поволжье при обработке паровых полей, а также под целый ряд яровых культур. Такие виды обработки почвы позволяют увеличить производительность агрегатов в 1,5-2 раза и снизить затраты, но они в большей степени подвержены эрозии.

С целью повышения почвозащитной направленности мелких обработок разработан ресурсосберегающий способ борьбы с эрозией почв (Пат. РФ №2443093) и орудие для его выполнения (рисунок 8).

Отличительной особенностью мелкой гребнекулисной обработки является то, что одновременно с обработкой почвы (до 16 см) из пожнивных остатков создают продуваемые и не продуваемые кулисы. Их располагают с интервалом поперек склона таким образом, что нижняя часть непродуваемых кулис заделана в две продольные борозды. Наличие полос стерни в виде продуваемых кулис шириной 20...35 см повышает противоэрозионную устойчивость пашни за счет снижения поверхностного стока и дефляции. Данный способ в зависимости от конкретных условий проводят по двум вариантам:

1) без дополнительного почвоуглубления;

2) с локальным почвоуглублением (до 35 см) в зоне гребне-стерневой кулисы.

В третьем разделе «Теоретические исследования разработанного способа и средств механизации снижения эрозии и повышения влаго-накопления на склоновых землях» представлен новый способ обработки почвы, применяемый под различные культуры в севооборотах, ставший основой для разработки рациональных рабочих органов и конструкций.

С целью изучения процесса водопроницаемости гребне-стерневых кулис и оптимизации их технологических параметров разработана математическая модель инфильтрации воды в неоднородной среде, характеризующаяся различными фильтрационными свойствами (рисунок 3). Не

нарушая особенностей задачи инфильтрации воды в неоднородной почве, упростим расчетную схему, решив модельную задачу, представленную на рисунке 3, при следующих предположениях: области (1) и (2) ограничены лучами АВ, ВС, ВО; уклон дна перед кулисой нулевой (/ = 0); на некоторой достаточно большой глубине располагается достаточно водопроницаемый слой грунта.

Предполагая, что основная почва (область 1) характеризуется коэффициентом фильтрации к\, а созданная гребне-стерневая кулиса (область 2) - коэффициентом фильтрации к2.

В вертикальной плоскости хОг движение грунтовых вод описывается дифференциальными уравнениями Н.Е. Жуковского:

Рисунок 3 - Схема модельной задачи по инфильтрации воды в неоднородной среде (у = const, <р = const —линии тока и эквипотенциали соответственно)

, дН

их = -к-

дх , дН

и, = —к-

dz

дх dz

(6)

где их, и2 - проекции вектора й? местной скорости фильтрации на координатные оси; к - коэффициент фильтрации; Н = г + — - напорная

У

функция; р - гидромеханическое давление; у - вес единицы объема воды (удельный вес); потенциал скорости и напорная функция связаны соотношением ф = -кН.

Полагая их = уссобЭ; и- = уувтб, где м> — модуль вектора и> местной скорости фильтрации, а 9 - угол наклона вектора п> к оси х, в результате

преобразования системы (6) к естественным координатам <р, у получим, что 0 и ¡пи* удовлетворяют уравнению Лапласа:

9 0 д2в п

—г + —5" = ° 9ф2 ду2

51пм> 51п\у „ + ——= 0.

9ф

(7)

(8)

Решим уравнения (7), (8) методом разделения переменных и перейдем с плоскости естественных координат на физическую плоскость.

При сделанных предположениях вода, просачиваясь в почву, будет свободно перемещаться в ее порах (аналог свободной фильтрации из открытого канала). Эквипотенциали вниз по течению будут приближаться к горизонтальным, а линии тока — к вертикальным прямым.

Асимптотическая оценка решения в окрестности точки В при малых х дает:

IV = а х

к(2) =

2 «<■>,, -Ва 1,

_ „ „ + А"' при ф = ~к\Н0; г а2) <ж^р(2)х\+Ъ(2) при ф = -к2Нс; .о) _ „(3)„^ +6(з, при(р = Чяс,

V? = а х

(9)

где <72 - фильтрационные расходы в соответствующих областях; - константы.

Учитывая, что постоянная -0„2) = -

е„

связана с коэффици-

к2(Н0-Нс)

ентом фильтрации кулисы к2, можно найти зависимость модуля скорости фильтрации от порозности почвы. Для этого воспользуемся эмпирической формулой М.П. Павчича:

V (1-й)

(10)

где фг — формпараметр; г| — коэффициент разнозернистости; п - пороз-ность; с/17 - условный диаметр фракций почвы кулисы соответственно; V — коэффициент вязкости воды.

Полученные функции (9) являются возрастающими, обращенными вогнутостью вниз по течению. Отсюда следует, что созданные гребне-стерневые кулисы С коэффициентом фильтрации ¿2, большим коэффициента фильтрации к\ основной почвы, находящейся между кулисами, приводят к увеличению скорости фильтрации воды, а следовательно, и фильтрационного расхода, оказывающего значительное влияние на сни-

жение поверхностного стока воды, процесс эрозии и влагонакопление на склоновых землях.

На основе полученных расчетов построен график зависимости скорости фильтрации воды от порозности почвы в кулисе (рисунок 11).

Для создания гребне-стерневых кулис наиболее эффективными оказались дисковые рабочие органы. В противоэрозионном приспособлении они установлены под углом р к направлению движения и со смещением друг относительно друга (рисунок 4).

С учетом полноты использования пожнивных остатков и величины перекрытия дмежду смежными дисковыми органами, получено выражение для определения ширины захвата противоэрозионного приспособления Ьпр:

Ь^ = (ид 2^2а,г - а*) зт [3 - АЬ(пл -1), (11)

где а\ — глубина подрезания почвы дисковыми рабочими органами, м; г — радиус дисковых органов, м; Р - угол установки дисковых рабочих органов к линии движения, град; ид - количество дисковых органов в противоэрозионном приспособлении, шт.; АЪ — величина перекрытия между дисковыми рабочими органами, м.

приспособления

В зависимости от конструктивных параметров дисковых рабочих органов и глубины подрезания пожнивных остатков величина перекрытия между дисками д^ в приспособлении равна:

17

Ab = \2ij2af - а* -1 + ectg PJcos (9CP - p).

(12)

Определено тяговое сопротивление />пр противоэрозионного дискового приспособления, возникающее при подрезании и транспортировке верхнего слоя почвы и пожнивных остатков в открытую борозду:

т, , , ОТ

( sin у cosp

\2

(5ПР-Д5)к,

(13)

где кд — удельное тяговое сопротивление дисковых рабочих органов, Н/м; т — объемный вес противоэрозионной гребне-стерневой кулисы, Н/м3; % — ускорение свободного падения, м/с2; у — угол трения почвы по поверхности дискового органа, град.; 5пр - общая площадь поперечного сечения пласта почвы подрезаемого противоэрозионным приспособлением, м2; АЗ - общая площадь перекрытий между дисковыми органами в приспособлении, м2; Ки - коэффициент потерь почвы, при перемещении подрезанной массы в открытую борозду, определяемый экспериментально; и — поступательная скорость почвообрабатывающего орудия, м/с.

Определена площадь сечения почвенного пласта, подрезаемого противоэрозионным приспособлением:

пр "л д

где Ид - количество дисковых органов в приспособлении, шт. Площадь почвенного пласта, подрезаемого одним диском:

(14)

S= sinp

г arceos

(^г1) X/2«ir - <h

(15)

Общая площадь перекрытий между дисковыми рабочими органами противоэрозионного приспособления равна:

АУ = А5"(ид -1)- (16)

Площадь перекрытия между парой соседних дисковых органов определяется:

AS' = -Ab 2

— л/4г2-t2 -(г-а,)

(17)

Проведен анализ технологического процесса образования гребне-стерневых кулис на склоновом участке. Определена относительная скорость иг материальных частиц М\ и М2 (рисунок 5) при перемещении

Рисунок 5 - Схема к исследованию процесса создания гребне-стерневых кулис на склоновом участке

подрезанной дисковыми органами массы вверх (18) и вниз (19) по склону:

е2г° Г . . „ /"'siny[cosa + /""sinacosBsin(vi/n-w)l

и = — ^-sinasinp + --^-J---¡—^——^i-

Ю J0 [ 1-// cosysin(v|/0-v|/)

/"[(і - cos (v|/0 — v)Xsin a cos P + /' cos a cos у)]

1 - ff" cos у sin(v|/0 - V|/) f^'

/'siny[cosa-/"sinacosPsin(\(/0 -\|/)]

2>Со Г

иг =— [ <зтазтР+-

ю \ I '/ совувт^о-V;

/"[1-со8(\(/0 -\|/)(-зтасозР + /'созасозу]]^

где б - сила тяжести перемещаемой частицы почвы, б = mg; т— масса перемещаемой частицы почвы, кг; - нормальная реакция со стороны наклонной поверхности поля; — нормальная реакция металлической

поверхности плоского дискового органа; - сила трения скольжения перемещаемой частицы М^ по необработанной поверхности поля, равная: = /ЪГ, где /' - коэффициент трения частицы почвы по поверхности поля; Р" — сила трения перемещаемой частицы почвы М1 по поверхности дискового органа, равная: Рт"? = /ТУ", где f" - коэффициент

трения частицы почвы по стальной поверхности дискового органа; /\врр —

сила трения дискового органа по поверхности частицы М), возникающая в результате вращательного движения дискового органа, равная: = /ТУ", у - угол трения перемещаемой частицы почвы по поверхности дискового органа, = у = зкЛ^/".

Результаты решения уравнений (18) и (19) показали, что технологический процесс формирования гребне-стерневых кулис возможен как на положительных поперечных уклонах поля (перемещение подрезанной почвенно-стерневой массы осуществляется вниз по склону), так и на отрицательных уклонах (перемещение подрезанной массы осуществляется вверх по склону). При этом на перемещение подрезанной массы основное влияние оказывают угол установки дисковых рабочих органов к направлению движения, поступательная скорость движения пахотного агрегата, величина уклона обрабатываемого участка и физико-механические свойства необработанной поверхности поля и создаваемой гребне-стерневой кулисы.

Орудие для отвальной обработки. Отвальная гребнекулисная обработка на склоновых землях выполняется орудием, состоящим из отвального плуга и установленного на него дискового противоэрозионного приспособления формирующего гребне-стерневые кулисы (рисунок 6).

Общее тяговое сопротивление данного почвообрабатывающего орудия имеет следующий вид:

где Рпп - тяговое сопротивление плуга с отвальными рабочими органами, определяемое по формуле В.П. Горячкина, Н; Рпр - тяговое сопротивление противоэрозионного приспособления, возникающее при подрезании и перемещении почвенно-стерневой массы в открытую борозду (Н), определяемое по формуле (13).

В развернутом виде общее тяговое сопротивление орудия для отвальной гребнекулисной обработки почвы будет равно:

пр»

(20)

Р = + Спр)+ ка2Ъ + ш>2 +

Рисунок б - Схема орудия для выполнения процесса отвальной гребнекулисной обработки почвы: 1—рама орудия, 2-корпуса плуга 3-противоэрозионное дисковое приспособление, 4-опорное колесо

где/- коэффициент сопротивления протаскиванию плуга в борозде; (7ПЛ - вес плуга без противоэрозионного приспособления, Н; Си<? - вес дискового противоэрозионного приспособления, Н; к — удельное сопротивление почвы при отвальной обработке почвы, Н/м2; а2 - глубина обработки почвы корпусами плуга, м; Ъ - ширина захвата плуга, м; е - коэффициент пропорциональности, учитывающий сопротивление при отбрасывании почвы, Нс2/м4; и - скорость пахотного агрегата, м/с.

Орудие для безотвальной обработки. Безотвальная гребнекулисная обработка почвы проводится орудием (рисунок 7), на раме 1 которого симметрично установлены правосторонние 2 и левосторонние 3 рыхля-ще-подрезающие рабочие органы и секции 6 и 7 с дисковыми органами противоэрозионного приспособления. Для образования открытой борозды на стойке центральной лапы 4 орудия имеется бороздообразователь 5. Перед крайней рыхлящей лапой 3 установлен дополнительный дисковый орган 8, формирующий кулисы с заданными технологическими параметрами. Для регулировки глубины обработки почвы в центральной части орудия установлены два опорных колеса 9.

Общее тяговое сопротивление данного почвообрабатывающего орудия имеет следующий вид:

Р=Р„Л+РЬ + Р,

пр>

(22)

где Р5 - тяговое сопротивление бороздообразователя, возникающее при образовании борозды, Н.

Тяговое сопротивление почвообрабатывающего орудия с учетом тягового сопротивления бороздообразователя и противоэрозионного приспособления, равно:

Р = ДС„Л + <Лр) + Ка2Ъ + є2 ~"гКи2 + кл(Ьп +ЬЛ) +

(23)

где к2 - удельное сопротивление почвы возникающее при безотвальной обработке, Н/м2; а2 - глубина обработки почвы рыхлящими органами орудия, м; Ь - ширина захвата почвообрабатывающего орудия, м; е2 - коэффициент пропорциональности, учитывающий сопротивление почвы при ее отбрасывании, Н-с2/м4; а3 - глубина образуемой борозды, м; Ъ5 - ширина верхнего основания образуемой борозды, м.

1 " -о го"

го*

Рисунок 7 — Схема орудия для выполнения процесса безотвальной гребнекулисной обработки почвы

Орудие для мелкой обработки. Мелкая гребнекулисная обработка почвы проводится орудием (рисунок 8), на раме 1 которого установлены рыхляще-подрезающие рабочие органы 2. Регулировка глубины обработки почвы производится опорными колесами 3.

В центральной части орудия закреплены правосторонние 4 и левосторонние 5 секции дисковых рабочих органов. На стойках крайних рыхлящих органах имеются бороздообразователи 6.

Отличительной особенностью технологического процесса мелкой гребнекулисной обработки почвы является то, что при работе орудия плоскорежущие лапы подрезают верхний слой почвы на глубину до 16 см. При этом за стойками крайних лап образуются две открытые борозды, соизмеримые с глубиной обработки. Одновременно с этим дисковые органы приспособления подрезают и перемещают пожнивные остатки от центра орудия в образованные борозды. Окончательное формирование непродуваемых гребне-стерневых кулис происходит при смежных про-

Рисунок 8 — Схема орудия для выполнения процесса мелкой гребнекулисной обработки почвы

При этом в центральной части орудия остается полоса стерни в виде продуваемой кулисы. Общее тяговое сопротивление данного почвообрабатывающего орудия имеет следующий вид:

Р = РШ+2Р6+Р^, (24)

Общее тяговое сопротивление орудия для мелкой гребнекулисной обработки почвы определяется по выражению:

Р = ЯСт + Опр) + к,а2Ь + є2а3Ьби + кд(Ьп + Ья) +

\2

вшу

и-

СОБ Р

».-«к- ,25)

В четвертом разделе «Программа и методика экспериментальных исследований способа и технических средств для противоэрозионной обработки почвы» приведена программа, содержащая общие и частные методики исследований гребнекулисного способа обработки почвы и разработанных технических средств для отвальной, безотвальной и мелкой обработки зяби и паровых полей. Для проведения исследований были разработаны и изготовлены лабораторные и лабораторно-полевые установки, позволяющие изучить физико-механические и технологические свойства создаваемых гребне-стерневых кулис, а также обосновать оптимальные конструктивные и режимные параметры рабочих органов и орудий.

В ходе лабораторных и лабораторно-полевых исследований проверялась достоверность теоретических разработок, а также уточнялись некоторые конструктивные и технологические параметры предлагаемого способа обработки почвы (рисунки 9, 10) и средств механизации для его выполнения.

Лабораторно-полевые исследования включали агротехническую, энергетическую и эксплуатационно-технологическую оценку разработанных технических средств, которые проводили на опытных полях ГНУ НИИСХ Юго-Востока, в ОПХ «Экспериментальное», а также в Поволжской МИС на агрофонах, характерных для зоны Поволжья, в соответствии с ГОСТ Р 52777-2007, ГОСТ Р 52778-2007, ГОСТ 12.2.002, ОСТ 102.1-97, СТО АИСТ 4.2-2004, СТО АИСТ 2.8-2007.

Тяговое сопротивление почвообрабатывающих орудий определялось в Поволжской МИС с использованием тензоаппаратуры ИП-264.

Рисунок 9 - Исследование параметров Рисунок 10 — Стоковая площадка

гребне-стерневых кулис для учета поверхностного стока воды

т»шя \мтш

Оценка почвозащитной и влагосберегающей эффективности изучаемого способа обработки почвы проводилась на стоковых площадках с использованием водосливов с треугольными вырезами (рисунок 10). Критерием оценки качества противоэрозионной обработки являлся поверхностный сток воды и смыв почвы, которые определялись по методике ГНУ НИИСХ Юго-Востока и ГНУ ВНИАЛМИ.

Запасы продуктивной влаги в метровом слое почвы на изучаемых вариантах определяли методом бурения и взятия образцов почвы во время посева яровой пшеницы.

Полученные результаты обрабатывались по общепринятым методикам на ПЭВМ с использованием программ MS Excel 2007 и MathCad 11. Экономическая эффективность предлагаемых разработок определялась с учетом получения дополнительной продукции и предотвращенного ущерба.

В пятом разделе «Результаты экспериментальных исследований противоэрозионного способа обработки почвы и почвообрабатывающих орудий для его выполнения» приводятся результаты исследований физико-механических и технологических свойств, противоэрози-онных гребне-стерневых кулис.

Изучено влияние порозности почвы в кулисах и их исходной влажности на процесс инфильтрации воды. Эти опыты проводили на обыкновенном черноземе и каштановой почве.

Анализ полученных результатов (рисунок 11) показывает, что скорость впитывания воды изменяется по параболической зависимости и зависит от концентрации стерни в кулисе (порозности почвы) и исходной влажности почвы в кулисах. Увеличение исходной влажности почвы с 17,8 до 26,9 % снижает скорость впитывания воды в кулису на 14—19 %. При этом скорость впитывания воды в кулису остается выше, чем в почву, расположенную между кулисами, в 2,4—4,0 раза и составляет 0,36...0,60 мм/мин. Снижение скорости инфильтрации воды при повышении влажности почвы связано с заполнением мелких пор кулисы мелкоземом и другими включениями.

Обоснование оптимальных технологических параметров гребне-стерневых кулис на противоэрозионных способах обработки и их влияние на сокращение поверхностного стока и накопления влаги в почве проводили в соответствии с методикой многофакторного эксперимента.

Опыты проводились на склоне 3...5° южной экспозиции, предшественник - озимая пшеница, почва - чернозем обыкновенный маломощный, рельеф выпукло-вогнутый, влажность почвы в пахотном слое -20,7 %.

За критерий оптимизации было принято количество задержанной воды М, мм. В результате вычислений получены уравнения регрессии (2628), описывающие зависимость критерия оптимизации М от исследуемых факторов (массы пожнивных остатков в кулисе т, высоты h и ширины b гребне-стерневой кулисы):

М, = 67,5 + 6,43к - 0,15Ъ + 5,1Ш - 5,99/г2 - 7,81Ь2 , (26) М2 = 67,5 + 8,9\т + 6,43/г - 0,43«г/г - 5,09»г2 - 5,99/г2, (27) М3 = 67,5 + 8,9 \т - 0,156 +1,22тЪ - 5,09т - 7,8162 . (28)

Тип почвы: чернозем обыкновенный

0,8

1 о.'

—ч 3

2 0,6 зГ

I °-5

ес 0.4 X

■е-

1 0,3 6

2 0,2

2 /

-/о

^^ /

л/

1

\ ч. \

V' Г ^ N

Порозность почвы в кулисе, %

Рисунок 11 - Зависимость скорости инфильтрации воды от порозности почвы в кулисах: 1~теория; 2—исходная влажность почвы IV = 17,8%; 3-исходная влажность почвы ]У = 26,9%

На рисунке 12 представлены результаты, полученные на вариантах с мелкой обработкой, выполненной орудием ОП-ЗС.

Подобные исследования проводились на вариантах с отвальной и безотвальной гребнекулисной обработкой выполненных орудиями ПГО-1,75 и ОПС-3,5.

Исследования, проведенные на отвальной обработке обыкновенного, тяжело-суглинистого чернозема показали, что увеличение скорости орудия ПГО-1,75 от 0,76 до 2,12 м/с приводит к повышению его тягового сопротивления на 13,5 %.

На выполнении безотвальной гребнекулисной обработки увеличение скорости орудия ОПС-3,5 с 1,21 до 2,43 м/с повышает его тяговое сопротивление на 8,9 %.

При этом у обоих почвообрабатывающих орудий тяговое сопротивление дисковых противоэрозионных приспособлений не превышает 5-6 % от общего тягового сопротивления данных орудий. Расчетные зависимости, построенные по формулам (21) и (23), на обоих графиках (рисунки 13, 14) согласуются с экспериментальными, при этом расчетные значения не выходят за пределы значений доверительного интервала при доверительной вероятности, равной 0,95.

0,4 0,65 0,9

Масса пожнивных остатков т, кг

Рисунок 12 - Зависимость количества задержанной воды от параметров гребне-стерневой кулисы и массы пожнивных остатков

Рисунок 13 - Влияние поступательной скорости агрегата на тяговое сопротивление орудия ПГО-1,75 с отвальными рабочими органами

0,4 о,65 0,9

Масса пожнивных остатков т, кг

0,6 1,1 1,6 2,1 2,6 Поступательная скорость агрегата, м/с

теоретическая без приспо с обдения теоретическая с приспо с облениам э к сперпмантп ЛЫЕ1Я без приспособления эксперимагга льнля с приспособлением

0,12 0,19 0,26

Высота кулисы Ь, м

Рисунок 14 - Влияние поступательной скорости агрегата на тяговое сопротивление орудия ОПС-3,5 с безотвальными рабочими органами

1,1 1,6 2,1 2,6 Поступательная скорость агрегата, м/с

-------теоретическая беч

приспо с обленил

---теоретическая с

приспо с облени вы — ■ — экспериментальная 6« приспособления

-эксперимапальнаяс

принте облени ем

Проведенные исследования показали, что по тяговым показателям орудие ПГО-1,75 соответствует мощностным характеристикам тракторов класса 40 кН, а орудие ОПС-3,5 тракторов класса 50 кН.

В шестом разделе «Производственная проверка нового способа и технических средств основной противоэрозионной обработки почвы и эффективность их применения» приведены результаты исследований способа противоэрозионной обработки и разработанных почвообрабатывающих орудий в производственных условиях (таблица 1).

Таблица 1 - Влияние способов основной обработки почвы на агроэкологические показатели (склон южной экспозиции 3...50)

Способы обработки почвы Высота снега, см Запасы воды в снеге, мм Сток талых вод, мм Коэф-т стока Смыв почвы, т/га Запасы прод. влаги в 1м почвы, мм

Вспашка, 20-22 см 24,2 64,8 8,5 0,13 2,3 131,4

Гребнекулисная отвальная, 20-22 см 30,3 73.1 3,6 0,05 0,9 145,5

Гребнекулисная безотвальная, 20-22 см 30,6 73,4 4,3 0,06 1,1 143,4

Безотвальная, 20-22 см 32,1 78,5 11,2 0,14 1,7 137,2

Мелкая гребнекулисная, 10-12 см 31,4 75,3 5,9 0,08 1,4 141,1

Мелкая (АПК-З), 10-12 см 27,7 71,7 13,8 0,19 2,9 130,2

Исследованиями установлено, что при влажности почвы 19,8 %, массе пожнивных остатков 380 г/м2 и их высоте 19,7 см орудие ОП-ЗС устойчиво выполняет технологический процесс мелкой обработки почвы с образованием гребне-стерневых кулис. Орудие обеспечивает глубину обработки почвы (10,0... 16,2 см), при этом среднее квадратическое отклонение по вариантам составляло 1,0... 1,4 см. что удовлетворяет требованиям ТЗ. За два смежных прохода агрегата, орудие формирует кулису шириной 65,8...69,9 см и высотой 6,3... 11,2 см. После прохода орудия подрезание пожнивных остатков было полным, при этом комки почвы размером до 5 см составляли 64,6-85,9 % (по ТЗ не менее 50 %). По центру орудия оставалась полоса стерни, в виде продуваемой кулисы, шириной 25,2...35,2 см, что также отвечает требованиям ТЗ. Содержание эрозионно-опасных частиц в верхнем слое почвы после прохода агрегата не возрастало.

При проведении энергетической оценки тяговое сопротивление орудия при глубине обработки 10... 15,8 см изменялось от 27,9 до 36,8 кН (рисунки 15, 16). В целом по удельным и мощностным показателям орудие ОП-ЗС соответствует тяговым и мощностным характеристикам трактора Т-150К и выполняет технологический процесс на скорости до 2,7 м/с.

Рисунок 15 - Энергетические испытания Рисунок 16 - Испытания орудия

орудия ОП-ЗС для мелкой гребне- ОП-ЗС, оборудованного щелерезами кулисной обработки почвы в Поволжской МИС

По результатам государственных приемочных испытаний орудие ОП-ЗС рекомендовано к постановке на производство.

Результаты испытаний орудий для отвальной и безотвальной гребне-кулисной обработки почвы ПГО-1,75 и ОПС-3,5, приведенные в табл. 2, так же соответствуют агротехническим требованиям и техническому заданию на проектирование (рисунки 17-20).

По результатам испытаний коэффициент надежности технологического процесса у орудия ПГО-1,75 равен 0,99, у орудия ОПС-3,5 - 0,98.

Проведенные производственные испытания подтвердили результаты теоретических и экспериментальных исследований и показали преимущества противоэрозионного способа обработки почвы и разработанных

Таблица 2 - Основные результаты испытаний почвообрабатывающих орудий ПГО-1,75 и ОПС-3,5, полученные в Поволжской МИС

Показатели ПГО-1,75 ОПС -3,5

по ТЗ по данным испытаний по ТЗ по данным испытаний

Скорость агрегата, м/с до 2,8 1,97 до 2,8 1,78

Глубина обработки, см 22-30 25,2 до 30 27,1

Среднее квадратическое отклонение глубины обработки, ±см до 2,0 1.3 до 2,0 1,7

Крошение почвы, %, размеры комков: до 5 см свыше 15 см не менее 35-50 не более 35—45 51,8 15,0 не менее 35-50 не более 35-45 50,9 27,2

Характеристика гребне-стерневой кулисы, см: высота ширина 7-20 25^15 9,7 23,8 10-25 45-75 13.1 75.2

Подрезание растительных остатков, % 100 100 100 100

Степень использования растительных остатков в кулисе, %. не менее 70 83,6 не менее 70 82,7

Содержание эрозионно-опасных частиц в слое 0-5 см, % не должно возрастать не возрастает не должно возрастать не возрастает

Забивание и залипание рабочих органов не допускается не наблюдалось не допускается не наблюдалось

Рисунок 17 - Общий вид орудия Рисунок 18 - Лабораторно-полевые

ПГО-1,75 для отвальной гребне- испытания опытного образца орудия кулисной обработки почвы ПГО-1,75 в Поволжской МИС

Рисунок 19 - Общий вид орудия Рисунок 20 - Безотвальная гребне-

ОПС-3,5 для безотвальной гребне- кулисная обработка парового поля кулисной обработки почвы

для его выполнения орудий перед применяемыми в производстве способами и техническими средствами. Использование предлагаемого способа обработки почвы на склоновых землях повышает запасы воды в снеге на 11,4-13,9 %, сокращает сток воды при снеготаянии на 31—58% и смыв плодородного слоя почвы в 1,7-2,6 раза, повышает запасы влаги в почве на 9,7... 14 мм по сравнению со вспашкой, проведенной поперек склона.

Проведенные технико-экономические расчеты показали, что предложенный противоэрозионный способ и технические средства для основной обработки почвы на склоновых землях позволили получить экономический эффект на одно орудие для безотвальной гребнекулисной обработки от получения дополнительной продукции - 500... 1100 руб./га и предотвращенного ущерба от эрозии почвы - 733 руб./га; для отвальной гребнекулисной обработки по приведенным затратам - 49,4 руб./га, от получения дополнительной продукции - 900... 1300 руб./га и предотвращенного ущерба от эрозии почвы - 1709 руб./га; для мелкой гребнекулисной обработки - 7,6 руб./га, 600. ..850 руб./га и 1831 руб./га соответственно.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Предложен новый способ противоэрозионной обработки почвы на склоновых землях, который сокращает поверхностный сток воды за счет создания при основной обработке почвы противоэрозионного микрорельефа в виде водопоглощающих гребне-стерневых кулис, разделяющих склон на множество элементарных замкнутых участков, позволяющих снизить энергию водного потока внутри каждого замкнутого участка до безопасной величины и за счет этого предотвратить появление лавинообразного стока и эрозии почвы.

2. В результате теоретических исследований разработана математическая модель, позволяющая оценить фильтрационные свойства основной почвы и создаваемых гребне-стерневых кулис, получены аналитические зависимости для определения основных параметров противоэрозионного приспособления и тягового сопротивления почвообрабатывающих орудий для отвальной, безотвальной и мелкой гребнекулисной обработки почвы, проанализирован технологический процесс создания гребне-стерневых кулис на склоновых землях.

3. Для выполнения предлагаемого противоэрозионного способа обработки разработаны новые конструктивно-технологические схемы и изготовлены почвообрабатывающие орудия для выполнения обычной и глубокой отвальной и безотвальной, а также ресурсосберегающей мелкой гребнекулисной обработки, позволяющие одновременно с основной обработкой почвы формировать из пожнивных остатков различных полевых культур противоэрозионные гребне-стерневые кулисы с заданными технологическими параметрами.

4. Экспериментальными исследованиями оптимизированы основные параметры противоэрозионного приспособления: тип рабочего органа -плоский диск со сплошным лезвием, диаметр дисковых органов 0,45 м; угол установки дисковых органов к направлению движения агрегата 40...45°; расстояние между смежными дисковыми органами 0,40...0,42 м; глубина подрезания верхнего слоя почвы дисковыми органами 0,02...0,04 м; поступательная скорость агрегата до 3,3 м/с. Данные параметры позволяют надежно выполнять технологический процесс гребнекулисной обработки почвы, при этом полнота использования пожнивных остатков при создании кулис составляет 72-93 %, а энергоемкость противоэрозионного приспособления с дисковыми рабочими органами не превышает 5-6 % от общего тягового сопротивления почвообрабатывающих орудий.

Процесс инфильтрации воды в гребне-стерневых кулисах зависит от исходной влажности почвы. Скорость впитывания воды в кулису при ее порозности 65-80 % и влажности 17,8 % составляет 0,47...0,70 мм/мин. С повышением исходной влажности почвы до 26,9 %, скорость впитывания воды снижается на 14-19 %, но остается выше, чем у обработанной почвы вне кулисы, в талом состоянии в 2,7-3,2 раза, в мерзлом -в 3,8^4,3 раза.

Проведенные лабораторно-полевые исследования позволили уточнить наиболее значимые факторы, влияющие на сокращение поверхностного стока, влагонакопление и снегозадержание, и определить опти-

мальные технологические параметры гребне-стерневых кулис: а) для безотвальной гребнекулисной обработки почвы: высота гребне-стерневых кулис - 0,15...0,25 м; ширина - 0,55...0,75 м; масса пожнивных остатков в 1 м погонной длины кулисы - 0,75... 1,0 кг; расстояние между гребне-стерневыми кулисами - 3,5 м; б) для отвальной гребнекулисной обработки почвы: высота гребне-стерневых кулис - 0,07...0,15 м; ширина — 0,20...0,35 м; масса пожнивных остатков в 1 м погонной длины кулисы - 0,40. ..0,65 кг; расстояние между кулисами - 1,75 м; в) для мелкой гребнекулисной обработки: высота гребне-стерневых кулис -0,12...0,19 м; ширина - 0,45...0,65 м; масса пожнивных остатков в 1 м погонной длины кулисы - 0,65...0,9 кг; расстояние между гребне-стерневыми кулисами -3,0 м; количество пожнивных остатков в 1 м погонной длины продуваемой кулисы 75-90 шт.

Результаты лабораторно-полевых и приемочных испытаний новых орудий для обработки почвы на склоновых землях ПГО-1,75; ОПС-3,5 и ОП-3,ОС показали, что по основным агротехническим показателям, таким как равномерность глубины обработки почвы, крошение почвенного пласта, полнота использования пожнивных остатков и параметры создаваемых гребне-стерневых кулис, полностью соответствуют агротехническим требованиям и техническому заданию на проектирование. По мощ-ностным и тяговым характеристикам данные орудия соответствуют аг-регатируемым энергетическим средствам.

5. Применение противоэрозионного способа гребнекулисной обработки почвы и почвообрабатывающих орудий для его выполнения в производственных условиях позволяет сократить поверхностный сток воды на 31-58 %, смыв почвы в 1,7-2,6 раза и повысить запасы почвенной влаги на 9,7... 14 мм по сравнению со вспашкой. За счет снижения эрозии, сохранения питательных элементов и лучшей влагозарядки почвы получена прибавка урожайности у яровой пшеницы на 0,12...0,26 т/га, у озимой - 0,1...0,18 т/га.

Экономический эффект на одно орудие по приведенным затратам с учетом получения дополнительной продукции и предотвращенного ущерба от эрозии почвы составил: по отвальной гребнекулисной обработке по озимой пшенице - 2660 руб./га, по яровой — 3060 руб./га, по безотвальной гребнекулисной обработке по озимой пшенице — 1173 руб./га, по яровой - 1770 руб./га, по мелкой гребнекулисной обработке по озимой пшенице — 2689 руб./га, по яровой — 2439 руб./га.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

1. Гребнекулисная отвальная, безотвальная и мелкая обработка почвы проводится поперек склона или по горизонталям. Величина уклона обрабатываемого участка должна быть не более 8°. Поверхность поля не должна быть засорена камнями и другими препятствиями.

На склоновых полях со смытыми почвами, с небольшим гумусным горизонтом (до 20 см) целесообразно проводить безотвальную или мелкую гребнекулисную обработку при помощи орудий ОПС-3,5 и ОП-ЗС.

На участках с уклоном более 3° мелкие обработки следует проводить с локальным почвоуглублением до 25...30 см, устанавливая для этого вместо крайних плоскорежущих лап или позади них щелерезы.

На полях с тяжелыми заплывающими почвами применяют отвальную гребнекулисную обработку, выполняемую орудием ПГО-1,75.

При обработке чистых от сорняков полей с целью снижения энергозатрат на орудии ОПС-3,5 целесообразно использовать рыхлящие рабочие органы типа Параплау или рыхляще-подрезающие лапы с укороченными стойками, устанавливаемые на раме орудия в шахматном порядке через одну.

2. На полях, обработанных по гребнекулисной технологии, покровное боронование и предпосевная культивация проводятся как при обычной технологии с использованием тяжелых зубовых борон БЗТС-1 и культиваторов типа КПС-4; КПЭ-3,8. Движение агрегатов проводится под углом 35...45° или перпендикулярно к направлению пахоты.

Обработка паровых полей в летний период проводится культиваторами с ножевыми рабочими органами с сохранением и перемещением гребне-стерневых кулис постоянно вверх по склону на величину, соизмеримую с шириной кулисы. Последняя предпосевная культивация пара проводится на глубину заделки семян культиваторами, оснащенными боронами для разравнивания кулис по поверхности поля.

3. Для лучшего снегозадержания в зимний период целесообразно применять мелкие гребнекулисные обработки с образованием продуваемых и непродуваемых гребне-стерневых кулис.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК при Минобрнауки РФ

1. Соколов, Н.М. Ресурсосберегающая почвозащитная обработка почвы в аг-роландшафтах Поволжья / Н.М. Соколов, А.И. Шабаев, Н.М. Жолинский // Земледелие. - 2007. -№ 1. - С. 20-23 (0,35/0,07 печ. л.).

2. Соколов, Н.М. Теоретические и экспериментальные исследования орудий для основной обработки почвы / Н.М. Соколов, В.В. Худяков, С.Б. Стрельцов // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова. - 2007 - № 2. -С. 69-72 (0,44/0,35 печ. л.).

3. Соколов, Н.М. Воду сохранит-эрозию укротит / Н.М. Соколов // Сельский механизатор. - 2007. - № 7. - С. 12 (0,27 печ. л.).

4. Соколов, Н.М. Приемы сохранения плодородия почв на склонах / Н.М. Соколов, А.И. Шабаев., Н.М. Жолинский // Плодородие. - 2008. - № 1. - С. 37-38 (0,38/0,17 печ. л.).

5. Соколов, Н.М. Исследование физико-механических свойств гребнестерне-вых противоэрозионных кулис / Н.М. Соколов, С.Б. Стрельцов // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова. - 2008. - № 9. - С. 31-33 (0,38/0,25 печ. л.).

6. Соколов, Н.М. Результаты испытаний нового орудия для мелкой почвозащитной обработки почвы / Н.М.Соколов // Нива Поволжья. - 2010. - № 4 (17). -С. 56-60 (0,44 печ. л.).

7. Соколов, Н.М. Обоснование параметров гребне-сгерневых кулис образуемых почвообрабатывающим орудием ОП-ЗС / НМ.Соколов // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. НИ Вавилова - 2010. - № 11. - С. 59-62 (0,41 печ. л.).

8. Соколов, Н.М. Исследование процесса инфильтрации воды в неоднородной среде / Н.М. Соколов, А.И. Есин / Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова,-2011.-№ 11.-С. 28-30(0,42/0,21 печ. л.).

9. Соколов, Н.М Новое орудие для отвальной обработки почвы на склонах / НМ. Соколов // Техника в сельском хозяйстве. - 2012. -№ 1. - С. 9-11 (0,37 печ. л.).

10. Соколов, Н.М. Противоэрозионное приспособление для обработки склоновых почв / НМ.Соколов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2012. - № 2. - С. 6-7 (0,32 печ. л.).

11. Соколов, Н.М. Влияние технологических параметров гребне-стерневых кулис на накопление влаги в почве / Н.М. Соколов // Техника в сельском хозяйстве. - 2012. -№ 3. - С. 12-14 (0,38 печ. л.).

12. Соколов, Н.М. Обоснование параметров противоэрозионного приспособления для обработки склоновых почв / Н.М.Соколов // Научное обозрение. -2012. -№3. - С. 109-112 (0,4 печ. л.).

13. Соколов, Н.М. Орудие для обработки почвы в зонах действия водной эрозии / НМ.Соколов // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2012. - № 4.-С. 11-12 (0,34 печ. л.).

14. Соколов, Н.М. Почвовлагосберегающий способ основной обработки почвы на склонах / Н.М.Соколов // Тракторы и сельскохозяйственные машины. -2012.-№ 5. -С. 17-18 (0,36 печ. л.).

15. Соколов, Н.М. Теоретическое исследование процесса создания гребне-стерневых кулис на склоновых землях / Н.М. Соколов // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова. - 2013. — № 4. - С. 73-76 (0,42 печ. л.).

Патенты РФ на изобретения

16. Пат. № 2294070 Российская Федерация, МПК А01В 13/16, А01В 49/02. Орудие для противоэрозионной обработки почвы / Соколов Н.М., Шабаев А.И., Стрельцов С.Б., Худяков В.В.; заявл. 05.07.05; опубл. 27.02.07, Бюл. № 6.

17. Пат. № 2310297 Российская Федерация, МПК А01В 13/16, А01В 49/02. Орудие для противоэрозионной обработки почвы / Соколов Н.М., Худяков В.В., Стрельцов С.Б., Шабаев А.И., Медведев И.Ф., Соколов В.Н.; заявл. 03.04.06; опубл. 20.11.07, Бюл. № 32.

18. Пат. № 2318303 Российская Федерация, МПК А01В 13/16, А01В 49/02. Орудие для противоэрозионной обработки почвы / Соколов Н.М., Стрельцов С.Б., Худяков В.В., Шабаев А.И., Жолинский Н.М.; заявл. 31.07.06; опубл. 10.03.08, Бюл. № 7.

19. Пат. № 2443093 Российская Федерация, МПК А01В 79/02, А01В 13/16. Способ борьбы с эрозией почв / Соколов Н. М., Шабаев А. И., Стрельцов С. Б., Худяков В. В.; заявл. 14.04.10; опубл. 27.02.12, Бюл. № 6.

Методические рекомендации производству

20. Соколов, Н.М. Организация работ и использование техники / Н.В. Ми-хайлин, Н.М. Соколов, М.И. Борисов, В.И. Пасько // Система ведения агропромышленного производства Саратовской области. — Саратов, 1998. — С. 293—302 (1,7/0,42 печ. л.).

21. Соколов, Н.М. Почвовлагосберегабщпе малозатратные технологии производства высококачественного зерна яровой пшеницы в засушливых районах Поволжья: метод, рекомендации / Н.М Соколов [и др.]; под общ. ред. А.И. Ша-баева; ГНУ НИИСХ Юго-Востока. - Саратов, 2002. - 55 с (3,65/0,2 печ. л.).

22. Соколов, Н.М. Ресурсосберегающие технологические комплексы возделывания яровой пшеницы в агроландшафтах Поволжья: метод, рекомендации / Н.М. Соколов [и др.]; под общ. ред. А.И. Шабаева; ГНУ НИИСХ Юго-Востока. -Саратов, 2007. - 76 с. (4,42/0,47 печ. л.).

23. Соколов, Н.М. Способы гребнекулисной обработки почвы и перспективные орудия для ресурсосберегающих технологий: метод, рекомендации / Н.М. Соколов [и др.]; под общ. ред. А.И. Шабаева; ГНУ НИИСХ Юго-Востока. - Саратов, 2007. - 64 с. (3,72/ 0,9).

24. Соколов, Н.М. Перспективная ресурсосберегающая технология производства яровой пшеницы: метод, рекомендации / Н.М. Соколов [и др.]; под общей ред. А.И. Шабаева; ГНУ НИИСХ Юго-Востока. - М.: ФГНУ «Росинформаг-ротех», 2008. - 56 с. (3,75/0,3 печ. л.).

25. Соколов, Н.М. Ресурсосберегающие технологии возделывания озимой пшеницы в агроландшафтах Поволжья: метод, рекомендации / Н.М. Соколов [и др.]; под общ. ред. А.И. Шабаева; ГНУ НИИСХ Юго-Востока. - Саратов, 2008. -64 с. (3,72/0,3 печ. л.).

26. Соколов, Н.М. Перспективная ресурсосберегающая технология производства озимой пшеницы: метод, рекомендации / Н.М. Соколов [и др.]; под общ. ред. А.И. Шабаева; ГНУ НИИСХ Юго-Востока. - М.: ФГНУ «Росинформагро-тех», 2009.-67 с. (4,25/0,32 печ. л.).

27. Соколов, Н.М. Ресурсосберегающие технологии возделывания озимой и яровой пшеницы в агроэкологических условиях Саратовской области: метод, рекомендации / Н.М.Соколов [и др.]; под общ. ред. А.И. Шабаева; ГНУ НИИСХ Юго-Востока. - Саратов, 2009. - 60 с. (3,9/0,14 печ. л.).

28. Соколов, Н.М. Усовершенствованные сортовые технологии возделывания яровой твердой пшеницы в условиях Саратовской области: метод, рекомендации / Н.М.Соколов [и др.]; под общ. ред. А.И. Шабаева; ГНУ НИИСХ Юго-Восток. - Саратов, 2010. - 44 с. (2,75/0,17 печ. л.).

Публикации в сборниках научных трудов и материалах конференций

29. Соколов, Н.М. Совершенствование технологии противоэрозионной обработки склоновых земель / Н.М. Соколов, A.M. Корытов // Эксплуатация машино-тракторного парка в растениеводстве: сборник науч. работ; Саратовский СХИ. — Саратов, 1994. С. 22-28 (0,42/0,35 печ. л.).

30. Соколов, Н.М. Результаты испытаний противоэрозионных почвообрабатывающих орудий к тракторам класса 3 и 5т / Н.М. Соколов, А.И. Шабаев, В.В.Худяков // Итоги и перспективы исследований в области селекции, семеноводства и ландшафтно-экологического земледелия: сб. науч. работ; НИИСХ Юго-Востока НПО Элита Поволжья. - Саратов,1995. - С. 138-140 (0,12/0,05 печ. л.).

31. Соколов, Н.М. Результаты исследования противоэрозионного приспособления к плугу ПЛН-5-35 / Н.М. Соколов, В.В. Худяков // Улучшение эксплуатации машинно-тракторного парка: сборник науч. работ; СГСХА. - Саратов, 1997. -С. 85-88 (0,16/0,10 печ. л.).

32. Соколов, Н.М. Новая почвоохранная технология и результаты исследований орудия ОПС-3,5к трактору класса 5т/ Н.М. Соколов, А.И. Шабаев, С.Б. Стрельцов // Улучшение эксплуатации машинно-тракторного парка: сборник науч. работ; СГСХА. - Саратов, 1997. - С. 80-84 (0,3/0,12 печ. л.).

33. Соколов, Н.М. Экспериментальное определение оптимальных параметров противоэрозионного приспособления к плугу ПЛН-5-35 /А.И. Шабаев, Н.М. Соколов, В.В. Худяков // Развитие адаптивных почвозащитных систем земледелия в Поволжье; НИИСХ Юго-Востока. - Саратов, 1999. - С. 59-64 (0,36/0,25 печ. л.).

34. Соколов, Н.М. Разработка и исследование противоэрозионного орудия с симметричными рабочими органами / А.И. Шабаев, Н.М. Соколов, С.Б.Стрельцов // Развитие адаптивных почвозащитных систем земледелия в Поволжье; НИИСХ Юго-Востока. - Саратов, 1999. - С. 57-59 (0,14/0,06 печ. л.).

35. Соколов, Н.М. Исследование технологического процесса образования стерневых противоэрозионных кулис. / Н.М. Соколов, С.Б. Стрельцов // Совершенствование машино-использования и технологических процессов в АПК: сб.науч. трудов Поволжской межвузовской науч. конф.; Самарская ГСХА. - Самара, 2002. - С. 234-237 (0,28/0,17 печ. л.).

36. Соколов, Н.М. Урожаи и качество пшеницы в эрозионноопасных агро-ландшафтах Саратовского Правобережья. / В.А. Гусев., И.Ф. Медведев, Н.М. Соколов // Адаптивные технологии производства качественного зерна в засушливом Поволжье: материалы Всерос. науч.-практ. конф.; ГНУ НИИСХ Юго-Востока. - Саратов, 2004. - С. 46-49 (0,39/0,10 печ. л.).

37. Соколов, Н.М. Повышение устойчивости производства зерна яровой пшеницы в склоновых агроландшафтах Саратовского Правобережья / Т.В Демьянова., А.И. Шабаев, Н.М. Соколов // Адаптивные технологии производства качественного зерна в засушливом Поволжье: материалы Всерос. науч.-практ. конф.; ГНУ НИИСХ Юго-Востока. - Саратов, 2004. - С. 56-59 (0,37/0,10 печ. л.).

38. Соколов, Н.М. Приемы повышения эффективности рыхления в засушливой черноземной степи Поволжья / Н.М. Азизов, А.И. Шабаев, Н.М. Соколов / Адаптивные технологии производства качественного зерна в засушливом Поволжье: материалы Всерос. науч.-практ. конф.; ГНУ НИИСХ Юго-Востока. -Саратов, 2004. - С. 75-80 (0,41/0,11 печ. л.).

39. Соколов, Н.М. Анализ процесса образования противоэрозионных гребневых кулис на склонах / Н.М. Соколов, С.Б. Стрельцов, В.В. Худяков // Адаптивные технологии производства качественного зерна в засушливом Поволжье: материалы Всерос. науч.-практ. конф.; ГНУ НИИСХ Юго-Востока. - Саратов, 2004. - С. 59-64 (0,38/0,20 печ. л.).

40. Соколов, Н.М. Особенности применения основной обработки почвы под зерновые культуры в склоновых агроландшафтах Саратовского Правобережья / Н.М. Жолинский., Н.М. Соколов, И.Н. Кораблева // Основы рационального природопользования: сборнк; ФГОУ ВПО «СГАУ им. Н.И. Вавилова». - Саратов, 2005. - С. 91-94 (0,38/0,12 печ. л.).

41. Соколов, Н.М. Повышение эффективности основной обработки почвы в склоновых агроландшафтах / Н.М. Соколов, В.В. Худяков, С.Б. Стрельцов // Повышение эффективности использования агробиоклиматического потенциала

юго-восточной зоны России; ГНУ НИИСХ Юго-Востока. - Саратов, 2005. - С. 238-243 (0,41/0,17 печ. л.).

42. Соколов, Н.М. Результаты исследований комбинированного агрегата для почвозащитной обработки почвы / Н.М. Соколов, Н.М. Жолинский // Основы рационального природопользования: сборник. ФГОУ ВПО «СГАУ им. Н.И. Вавилова». - Саратов, 2005. - С. 95-100 (0,41/0,25 печ. л.).

43. Соколов, Н.М. К вопросу тягового сопротивления орудия для гребнеку-лисной обработки почвы / Н.М. Соколов, С.Б. Стрельцов, В.В. Худяков // Материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 70-летию со дня рождения проф.

A.Г. Рыбалко. Часть 2; ФГОУ ВПО «СГАУ им. Н.И. Вавилова». - Саратов, 2006.

- С. 68-72 (0,4/0,18 печ. л.).

44. Соколов, Н.М. Расчет основных параметров противоэрозионного приспособления для гребнекулисной обработки почвы / Н.М. Соколов, С.Б. Стрельцов,

B.В. Худяков // Материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 70-летию со дня рождения проф. А.Г. Рыбалко. Часть 2; ФГОУ ВПО «СГАУ им. Н.И. Вавилова». - Саратов, 2006. - С. 72-75 (0,36/0,16 печ. л.).

45. Соколов, Н.М. Комплекс противоэрозионных орудий для основной гребнекулисной обработки почвы / Н.М. Соколов // Современные проблемы почвозащитного земледелия и пути повышения устойчивости зернового производства в степных регионах. Ч. 2. - пос. Шортанды, 2006. - С. 238-241 (0,38 печ. л.).

46. Соколов, Н.М. Повышение противоэрозионной устойчивости минимальных обработок почвы / Н.М. Соколов // Материалы Междунар. науч.-практ. конф. посвящ. 75-летию проф. В.Г. Коба. ФГОУ ВПО «СГАУ им. Н.И. Вавилова»; ФГОУ ВПО «СГАУ им. Н.И. Вавилова». - Саратов, 2006. - Т. 3. - С. 124129 (0,4 печ. л.).

45. Соколов, Н.М. Совершенствование ресурсосберегающих технологий обработки почвы в агроландшафтах Поволжья / А.И. Шабаев, Н.М. Соколов, Н.М. Жолинский // Перспективные технологии для современного сельскохозяйственного производства; ГНУ НВ НИИСХ. - Волгоград, 2006. - С. 29-34 (0,41/0,13 печ. л.).

47. Соколов, Н.М. Гребнекулисные способы обработки почвы и перспективные орудия при возделывании зерновых культур / А.И. Шабаев, Т.В. Демьянова, Н.М. Соколов // Инновации, землеустройство и ресурсосберегающие технологии в земледелии: сборник. ВНИИЗиЗПЭ - Курск, 2007. - С. 29-32 (0,38/0,1 печ. л.).

48. Соколов, Н.М. Почвозащитные обработки и новые орудия для ресурсосберегающих технологий в агроландшафтах Поволжья / А.И. Шабаев, Н.М. Соколов // Состояние и перспективы развития агрономической науки: материалы Междунар. науч.-практ. конф.; Донской ГАУ. - пос. Персиановский, 2007. — Т. 1.

- С. 72-75 (0,37/0,16 печ. л.).

49. Соколов, Н.М. Разработка ресурсосберегающей технологии и создание опытного образца орудия для защиты почв и повышения эффективного плодородия гребневыми кулисами в агроландшафтах Поволжья / Н.М. Соколов [и др.] // Ориентированные фундаментальные исследования и их реализация в АПК России: материалы конференции. - М., 2009. - С. 9-13 (0,52/0,12 печ. л.).

50. Соколов, Н.М. Новое орудие для ресурсосберегающей гребнекулисной обработки почвы / Н.М. Соколов, А.И. Шабаев, С.Б. Стрельцов, В.В. Худяков // Зональные особенности научного обеспечения сельскохозяйственного производства; ГНУ НИИСХ Юго-Востока. - Саратов, 2009. - Ч. 2. - С. 90-95 (0,43/0,2 печ. л.).

51. Соколов, Н.М. Орудия для ресурсосберегающей почвозащитной обработки почвы / Н.М. Соколов, С.Б. Стрельцов, В.В. Худяков // Сборник науч. трудов посвящ. 135-летию со дня рождения Г.К. Мейстера и 100-летию Аркадакской опытной станции; ГНУ НИИСХ Юго-Востока. - Саратов, 2009. - С. 213-219 (0,46/0,22 печ. л.).

52. Соколов, Н.М. Почвозащитные технологии возделывания пшеницы в склоновых агроландшафтах / Н.М. Соколов [и др.] // Основы рационального природопользования: материалы III Междунар. науч.-пракг. конф. (26-28 октября 2011 г.); ФГБОУ ВПО «СГАУ им. Н.И. Вавилова». - Саратов, 2011. - С. 9-14 (0,42/0,09 печ. л).

Подписано в печать 13.09.2013 Формат 60x84 1/16 Печ. л. 2. Тираж 150 Заказ № 7416 ИП Беглакова Елена Самуэлевна

Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Юго-Востока Россельхозакадемии

СОКОЛОВ НИКОЛАЙ МИХАЙЛОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПРОТИВОЭРОЗИОННОЙ

ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ НА СКЛОНОВЫХ ЗЕМЛЯХ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук

Научный консультант:

доктор сельскохозяйственных наук, чл.-корр. РАСХН, заслуженный деятель науки РФ, профессор Шабаев Анатолий Иванович

Пенза 2013

РЕФЕРАТ

Диссертационная работа изложена на 294 страницах, состоит из введения, 6 разделов, общих выводов, списка использованной литературы из 216 наименований и приложения. Диссертация содержит 101 рисунок и 31 таблицу.

Ключевые слова: ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС,

ПРОТИВОЭРОЗИОННЫЙ СПОСОБ, ОБРАБОТКА ПОЧВЫ, ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИЕ ОРУДИЯ, ПОЖНИВНЫЕ ОСТАТКИ, ГРЕБНЕКУЛИСНАЯ ОБРАБОТКА, ГРЕБНЕ-СТЕРНЕВЫЕ КУЛИСЫ, ПРОТИВОЭРОЗИОННОЕ ПРИСПОСОБЛЕНИЕ, ПОВЕРХНОСТНЫЙ СТОК ВОДЫ, СМЫВ ПОЧВЫ, ЭРОЗИЯ.

В диссертации проведен анализ природно-климатических условий зоны Поволжья, используемых агротехнологий и конструкций почвообрабатывающих орудий применяемых на склоновых землях, обоснована актуальность работы, сформулирована цель и задачи исследований.

Разработан новый способ противоэрозионной обработки почвы, конструктивно-технологические схемы и конструкции

почвообрабатывающих орудий для выполнения отвальной, безотвальной и мелкой гребнекулисной обработки в эрозионно-опасных условиях, получена математическая модель инфильтрации воды в почву, теоретические зависимости для определения основных параметров противоэрозионных приспособлений и тягового сопротивления разработанных почвообрабатывающих орудий.

Экспериментально установлена зависимость влияния конструктивно-режимных параметров орудий на формирование гребне-стерневых кулис. Определено влияние технологических параметров создаваемых кулис на агроэкологические показатели. Получена агротехническая, энергетическая и эксплуатационно-технологическая оценка разработанных технических средств.

Приведены результаты производственных испытаний, а так же агроэкологическая и экономическая оценка нового способа и технических средств для его выполнения.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 8

1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 15

1.1. Особенности природно-климатических условий зоны Поволжья 15

1.2. Анализ и обобщение результатов исследований по

изучению способов основной обработки почвы на склоновых землях 20

1.2.1. Применяемые способы безотвальной обработки почвы на склоновых землях и средства механизации 21

1.2.2. Опыт применения нулевой обработки почвы на склоновых землях 38

1.2.3. Применяемые способы отвальной обработки почвы на склоновых землях и средства механизации для их выполнения 42

1.2.4. Способы обработки и защиты от эрозии паровых полей 63

1.3. Выводы, цель и задачи 70

2. Разработка противоэрозионных способов основной обработки почвы на склоновых землях и особенности их применения 73

2.1. Основные факторы, влияющие на эрозионные процессы 73

2.2. Принципиальные решения по снижению эрозионных процессов и накоплению атмосферных осадков 78

2.3. Обоснование нового противоэрозионного способа основной обработки почвы на склоновых землях 83

2.3.1. Отвальная гребнекулисная обработка почвы 83

2.3.2. Безотвальная гребнекулисная обработка почвы 89

2.3.3. Мелкая гребнекулисная обработка почвы 92

2.3.4. Противоэрозионная обработка почвы на паровых полях 96

2.4. Выводы 99

3. Теоретические исследования разработанного способа и

средств механизации снижения эрозии и повышения влагонакопления на склоновых землях 101

3.1. Математическая модель инфильтрации воды в неоднородной среде 103

3.1.1. Общая постановка задачи 103

3.1.2. Решение модельной задачи 107

3.1.3. Асимптотическая оценка модуля скорости инфильтрации 116

3.2. Теоретические основы совершенствования технических средств для основной противоэрозионной обработки почвы 121

3.2.1. Обоснование схемы и определение основных конструктивных параметров противоэрозионного приспособления 121

3.2.2 Теоретическое исследование процесса создания гребне-стерневых кулис на склоновых землях 126

3.3. Теоретические основы совершенствования технических средств для основной противоэрозионной обработки почвы на склоновых землях 138

3.3.1. Обоснование схемы почвообрабатывающего орудия для отвальной гребнекулисной обработки почвы 138

3.3.1.1. Определение тягового сопротивления орудия

для отвальной гребнекулисной обработки почвы 141

3.3.2. Обоснование схемы почвообрабатывающего орудия для безотвальной гребнекулисной обработки почвы 144

3.3.2.1. Определение тягового сопротивления орудия для безотвальной гребнекулисной обработки почвы 146

3.3.3. Обоснование схемы почвообрабатывающего орудия для мелкой гребнекулисной обработки почвы 150

3.4. Выводы 154

4. Программа и методика экспериментальных исследований способа и технических средств для противоэрозионной обработки почвы 156

4.1. Исследование физико-механических и технологических свойств гребне-стерневых кулис 157

4.2. Методика определения условий испытаний 160

4.3. Методика определения поверхностного стока воды и смыва почвы 162

4.4. Методика определения водопроницаемости почвы 163

4.5. Методика определения скорости инфильтрации воды 164

4.6. Методика определения оптимальных параметров противоэрозионного приспособления 169

4.7. Методика определения водоудерживающей способности гребне-стерневых кулис 170

4.8. Методика определения количества снега задержанного гребне-стерневыми кулисами 174

4.9. Методика обработки опытных данных 176

4.10. Выводы 180

5. Результаты экспериментальных исследований противоэрозионного способа обработки почвы и почвообрабатывающих орудий для

его выполнения 181

5.1. Результаты исследований физико-механических и технологических свойств гребне-стерневых кулис 181

5.1.1. Влагоемкость пожнивных остатков 181

5.1.2. Определение внутреннего коэффициента трения и трения скольжения гребне-стерневой кулисы по стали 184

5.2. Результаты лабораторно-полевых исследований противоэрозионного приспособления 187

5.2.1. Обоснование типа дисковых рабочих органов используемых в противоэрозионном приспособлении 187

5.2.2. Влияние угла установки дисковых рабочих органов Р и уклона участка а на формирование гребне-стерневых кулис 189

5.2.3. Влияние расстояния t между дисковыми рабочими органами и уклона обрабатываемого участка а на формирование гребне-стерневых кулис 191

5.3. Энергетическая оценка почвообрабатывающих орудий для противоэрозионной обработки 193

5.3.1. Влияния поступательной скорости U почвообрабатывающих орудий ПГО-1,75 и ОПС-3,5 на их энергетические показатели 193

5.3.2.Энергетические показатели противоэрозионного орудия ОП-ЗС 196

5.3.3. Энергетические показатели противоэрозионного орудия ОПС-3,5 198

5.3.4. Энергетические показатели противоэрозионного орудия ПГО-1,75 200

5.4. Влияние технологических параметров гребне-стерневых кулис на агроэкологические показатели 201

5.4.1. Влияние технологических параметров гребне-стерневых кулис на задержание снега 201

5.4.2. Влияние технологических параметров гребне-стерневых

кулис на эрозионные процессы и влагонакопление 207

5.4.2.1. Скорость инфильтрации воды в разных средах 207

5.4.2.2. Влияние интервала между гребне-стерневыми кулисами на эрозионные процессы 209

5.4.2.3. Факторный анализ влияния технологических параметров гребне-стерневых кулис на накопление влаги при мелкой греб-некулисной обработке почвы орудием ОП-ЗС 212

5.4.2.4. Факторный анализ влияния технологических параметров гребне-стерневых кулис на накопление влаги при безотвальной греб-некулисной обработке почвы орудием ОПС-3,5 217

5.4.2.5. Факторный анализ влияния технологических параметров гребне-стерневых кулис на накопление влаги при отвальной гребнеку-лисной обработке почвы орудием ПГО-1,75 221

5.5. Выводы 226

6. Производственная проверка новых способов и технических средств основной обработки почвы и эффективность их применения 228

6.1. Результаты и анализ агротехнических и эксплуатационно-технологических показателей орудий для противоэрозионной обработки почвы 228

6.1.1. Агротехнические показатели орудия ОП-ЗС для мелкой гребнекулисной обработки почвы 228

6.1.2. Эксплуатационно-технологическая оценка орудия ОП-ЗС 233

6.1.3. Агротехнические показатели орудия ПГО-1,75 для отвальной гребнекулисной обработки почвы 235

6.1.4. Эксплуатационно-технологическая оценка орудия ПГО- 238

1,75

6.1.5. Агротехнические показатели орудия ОПС-3,5 для безотвальной гребнекулисной обработки почвы 240

6.1.6. Эксплуатационно-технологическая оценка орудия ОПС-3,5 243

6.1.7. Противоэрозионная обработка паровых полей орудием ОП-6С 244

6.2. Влияние способов основной обработки почвы

на агроэкологические показатели 249

6.3. Влияние способов основной обработки почвы на урожайность полевых культур 256

6.4. Экономическая эффективность применения противоэрози-

онных способов обработки почвы и средств механизации для их выполнения 258

6.4.1. Экономическая эффективность применения противоэрози-онного орудия по приведенным затратам 258

6.4.2. Экономическая эффективность применения противоэрози-онного орудия от изменения количества продукции 261

6.4.3. Экономическая эффективность применения противоэрози-онного орудия от предотвращенного ущерба 261

6.4.4. Годовой экономический эффект от использования проти-воэрозионного орудия 262

6.5. Выводы 271

Общие выводы 273

Рекомендации производству 276

Список литературы 278

Приложения 295

ВВЕДЕНИЕ

Основной причиной получения нестабильных урожаев полевых культур в Поволжье является дефицит влаги. Кроме этого в данном регионе больше половины пахотных земель размещены на склонах до 8°, в связи с этим на таких полях в период весеннего снеготаяния и выпадения ливневых осадков имеет место поверхностный сток воды вызывающий эрозионные процессы. В итоге, в отдельные годы, на склоновых землях теряется до ЗООм3 дефицитной воды и до 45 т с гектара плодородной почвы. Для естественного восстановления такого количества гумуса в степной зоне требуется более 50 лет [175, 191].

В результате потери атмосферных осадков и снижения плодородия почв, связанного с их эрозией урожайность полевых культур на таких полях снижается в два и более раза [85, 105] .

В настоящее время производство растениеводческой продукции на склоновых землях базируется на использовании традиционных технологий и технических средств. Сельхозорудия, применяемые в склоновых агроландшафтах, практически не отличаются от технических средств, которые работают на равнинных полях.

В связи с этим полученный при обработке почвы пахотный слой не создает необходимые условия для регулирования поверхностного стока воды и процесса эрозии на склонах, вследствие низкой порозности и водопроницаемости верхнего обработанного слоя почвы и его сопротивляемости размыву.

Эта проблема является не решённой для регионов с резко континентальным климатом, где имеют место глубокое промерзание почвы и зимние оттепели, снижающие почвозащитную эффективность безотвального рыхления, щелевания зяби, образования водоёмкого микрорельефа.

Образованная в таких условиях на пашни ледяная поверхность резко увеличивает потери талых вод на сток в период паводка, вызывая эрозию.

Таким образом, возникает противоречие между требованиями, предъявляемыми к противоэрозионной обработке почвы и известными почвозащитными способами, и техническими средствами, не обеспечивающими надёжную защиту почв от эрозии на склоновых землях.

Поэтому работа, посвященная повышению качества противоэрозионной обработки почвы на склоновых землях, направленная на сохранение плодородия и повышение влагонакопления, путём совершенствования технологического процесса основной обработки почвы и технических средств, оказывающих влияние на регулирование поверхностного стока воды, за счёт создания из пожнивных остатков гребне-стерневых кулис с высокой водопоглощающей способностью, разделяющих водораздел на множество элементарных замкнутых участков, является актуальной и имеет важное хозяйственное значение.

Цель исследований - повышение качества противоэрозионной обработки почвы на склоновых землях совершенствованием технологического процесса и технических средств основной обработки, снижающих эрозионные процессы.

Задачи исследований:

1. Разработать эффективный способ основной обработки почвы, обеспечивающий сокращение эрозионных процессов и накопление атмосферных осадков при возделывании полевых культур на склоновых землях.

2. Теоретическими исследованиями обосновать процесс формирования гребне-стерневых кулис и их инфильтрационные свойства на склоновых землях, а также конструктивно-технологические параметры технических средств для их создания.

3. Разработать новые конструктивно-технологические схемы и изготовить почвообрабатывающие орудия, повышающие почвозащитную направленность основной обработки почвы в эрозионно-опасных условиях.

4. Провести лабораторные и лабораторно-полевые исследования предлагаемого способа противоэрозионной обработки почвы и технических средств для его выполнения, определить агротехнические, энергетические, эксплуатационно-технологические показатели.

5. Провести производственную проверку предлагаемого способа противоэрозионной обработки почвы и разработанных технических средств, определить агроэкологические показатели и дать технико-экономическую оценку эффективности их применения.

Объект исследований - технологический процесс основной обработки почвы, обеспечивающий снижение водной эрозии, сохранение плодородия и повышение урожайности полевых культур на склоновых землях, осуществляемый новыми способами и техническими средствами.

Методология и методы исследования. Теоретические исследования процесса инфильтрации воды в разных средах, обоснование оптимальных конструктивных параметров противоэрозионного приспособления и технологических параметров образованного на поверхности склона противоэрозионного микрорельефа проводились на основе известных законов и методов механики, гидравлики и математического анализа с получением уравнений регрессии, разработкой математической модели и оценкой достоверности полученных результатов.

Экспериментальные исследования и производственная проверка выполнены методом сравнительных исследований, а также планирования многофакторного эксперимента при использовании стандартных и разработанных методик, приборов и установок с последующей обработкой полученных результатов на ЭВМ.

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

• адаптированный к условиям среднего Поволжья новый противоэро-зионный способ основной обработки почвы на склоновых землях;

• математическая модель, описывающая процесс инфильтрации воды в неоднородной среде, позволяющая оценить фильтрационные свойства обрабатываемой почвы и создаваемых гребне-стерневых кулис с учётом изменения их порозности;

• теоретическое обоснование конструктивных и технологических параметров новых технических средств для выполнения противоэрозионной обработки почвы на склоновых землях;

• конструктивно-технологические схемы и конструкции новых почвообрабатывающих орудий для выполнения гребнекулисной обработки почвы в эрозионно-опасных условиях;

• агротехнические, энергетические, эксплуатационно-технологические и технико-экономические показатели предлагаемых почвообрабатывающих орудий.

Научная проблема. При возделывании полевых культур на склоновых землях, с одной стороны, необходимо проводить обработку почвы, но с другой стороны, полученный при обработке традиционными способами пахотный слой в результате недостаточной защищённости и низкой порозности в большей степени подвергается эрозии за счёт образования поверхностного стока воды, вызывающего смыв почвы. Поэтому объективно существует научная проблема сохранения плодородия почвы и снижения потерь влаги путём создания на поверхности склона при основной обработке почвы противоэрозионного микрорельефа в виде чередующихся гребне-стерневых кулис с высокой водопоглощающей способностью, разделяющих склон на множество элементарных замкнутых участков, позволяющих предотвратить появление лавинообразного стока воды и эрозии.

Научная новизна исследований

• новый способ, обеспечивающий совершенствование технологического процесса основной противоэрозионной обработки почвы на склоновых землях за счёт снижения поверхностного стока воды и эрозии почвы;

• теоретические зависимости, позволяющие проанализировать процесс формирования гребне-стерневых кулис с учё