В последнее время в ряде стран Западной и Восточной Европы, США и Канаде находят широкое применение минимальные технологии обработки почвы [1–3], в том числе технология полосовой обработки Strip-till [4, 5], создающая в почве область оптимального прорастания корней растений, благодаря целенаправленному разрыхлению именно в месте развития корневой системы и удалению пожнивных остатков с поверхности поля над рядком. При этом нетронутая почва между полосами остается защищенной пожнивными остатками. Сохранение капиллярной сетки в этой почве способствует повышению доступности влаги из её нижних слоев. Сохраненный на поверхности мульчированный слой пожнивных остатков снижает испарение влаги и способствует лучшему сохранению постоянной почвенной температуры, защищая почву от водной и ветровой эрозии. Преимуществом данной технологии является то, что одновременно с рыхлением почвы вносятся удобрения на необходимую глубину и растения получают подкормку в период активного роста.
По данной технологии за рубежом выращивают сою, кукурузу, сахарную свеклу, подсолнечник, т.е. те же культуры, что возделываются и на Юге Казахстана. В связи с этим ТОО «КазНИИЗиР» совместно с ТОО «НПЦ агроинженерии» разработали проект и агротребования к технологии возделывания пропашных культур по Strip-till, которая включает основное осеннее рыхление полосы почвы шириной 30 см на глубину до 35 см с внесением минеральных удобрений и формирование границ полосы дисковыми рабочими органами. Весной производится предпосевная обработка: дооформление границ полосы, рыхление ее поверхностного слоя на глубину заделки семян с одновременным их посевом и прикатыванием рядков. Для внедрения данной технологии в производство необходимо создать комбинированные орудия, выполняющие перечисленные операции.
Цель исследования: разработка конструктивно-технологической схемы комбинированного орудия для основной обработки почвы по технологии Strip-Till для Юга Казахстана. Выбор типов рабочих органов для формирования полос, глубокого их рыхления, дополнительного крошения и выравнивания.
Материалы и методы исследования
Для полевых испытаний рабочих органов орудий были изготовлены лабораторные установки. Испытания проводились на полях стационара в ТОО «Казахский НИИземледелия и растениеводства» согласно следующей нормативной документации: ГОСТ 20915-75 «Сельскохозяйственная техника. Методы определения условий испытаний»; СТ РК 1559-2006 «Машины и орудия для поверхностной обработки почвы и по СТ РК 1560-2006 «Машины и орудия для глубокой обработки почв».
Результаты исследования и их обсуждение
Согласно агротребованиям к технологии Strip-till, в осенний период ширина полосы должна быть стабильной – 30 см и ее края должны быть ровными. Глубина осеннего рыхления почвы должна регулироваться от 20 до 35 см. Глубина заделки удобрений должна быть стабильной и соответствовать установочной 20–25 см. Вынос на поверхность комков почвы размером более 100 мм не допустим. Площадь деформации почвы в полосе должна быть не менее 60 %. Плотность почвы после ее обработки в верхнем слое не должна превышать 1,3 г/см3.
При весенней обработке почвы содержание мелкокомковатой фракции почвы размером >20 мм должно быть не менее 70 %, глубина заделки семян должна соответствовать установочной ±1 см.
С учетом приведенных данных была разработана конструктивно-технологическая схема комбинированного орудия для основной обработки почвы и внесения удобрений (рис. 1). При движении орудия игольчатые диски очищают поверхность полосы от стерневых остатков. Диски, идущие по краям полосы, образуют щель и тем самым формируют полосы заданной ширины. Чизельные рабочие органы рыхлят почву на глубину до 35 см с одновременным внесением полной дозы минеральных удобрений. Зубчатый каток крошит комки почвы в полосе и ее выравнивает. Комбинированное орудие будет формировать три полосы. Расстояние между полосами 40 см остается необработанным, на нем сохраняется до 70 % пожнивных остатков. На раму орудия крепятся туковые емкости с дозирующими устройствами, от которых по тукопроводам минеральные удобрения подаются в зону рыхления почвы.
Для изготовления экспериментального образца по приведенной конструктивно-технологической схеме необходимо было выбрать оптимальный тип рабочих органов: чизельных рыхлителей: катков рыхлящих и выравнивающих почву и формирующих полосу дисков [6–8].
Игольчатые диски для уборки стерневых остатков с полосы, идущие перед чизельными рыхлителями, а также бункеры и оборудование для внесения туков были стандартными покупными и не испытывались.
Испытания проводились в августе – октябре 2018 г. Предшественник – стерня после уборки риса. Предельно-полевая влагоемкость почвы составляла 23,5 %. Влажность почвы во время проведения испытаний колебалась от 13 % в августе до 22 % в конце октября. Испытывались следующие типы чизельных рыхлителей: I – с криволинейной стойкой; II – с криволинейной стойкой с боковым деформатором; III – с наклонной стойкой; IV – с наклонной стойкой с боковым деформатором; V – с прямой стойкой; VI – с прямой стойкой с боковым деформатором.
Рис. 1. Конструктивно-технологическая схема экспериментального образца комбинированного орудия для полосовой обработки почвы: 1 – трехточечная навеска; 2 – рама; 3 – поводки; 4 – игольчатые диски; 5 – чизельные рыхлители; 6 – дисковые рабочие органы; 7 – катки; 8 – ёмкости для удобрений с высевающими туки аппаратами и тукопроводами; 9 – стойки для крепления бункеров для удобрений
Рис. 2. Эффективность деформации почвы чизельными рабочими органами в зависимости от влажности почвы (междуследие 70 см, установочная глубина рыхления 35 см)
При испытаниях чизельных рыхлителей определялись: площадь деформации почвы различными типами чизельных рыхлителей при различной ее влажности (рис. 2); крошение почвы (табл. 1); распределение плотности почвы в поперечном сечении обработанной полосы (рис. 3).
Согласно полученным данным независимо от типов рабочего органа с увеличением влажности почвы степень ее деформации снижалась. Она была выше при работе чизельных рабочих органов с боковыми деформаторами. В интервале влажности почвы от 14 до 18 % (от 60 до 80 % ППВ) все типы чизельных рыхлителей обеспечивали согласно агротребованиям удовлетворительную степень деформации почвы – более 60 % от площади сечения полосы. Степень деформации почвы при работе рыхлителей без деформаторов в зависимости от их типа колебалась от 60 до 75 %. Причем максимальная степень деформации отмечена при работе чизельных рыхлителей с криволинейной и наклонной стойками. Установка дополнительных деформаторов на рыхлительные стойки увеличила площадь деформации до 80–95 %. При этом сформировался в верхней части полосы полностью разрыхленный слой почвы глубиной 8–10 см.
При увеличении влажности почвы с 18 до 21,5 % (вторая декада – конец октября) площадь деформации резко снижается при работе чизельных рыхлителей без деформаторов до 43–50 %, при работе с боковыми деформаторами до 53–57 %. Таким образом, использование данных типов рабочих органов эффективно на почвах Юга Казахстана при влажности почвы не более 18 % (80 % от ППВ). Следующим важным показателем, характеризующим качество работы чизельных рыхлителей, является вынос на поверхность почвы крупных комков. Наличие комков почвы размером более 100 мм затрудняет дальнейшую обработку полосы. Препятствует накоплению влаги в осенне-зимний период качество весенней обработки почвы. В табл. 1 приведены данные по крошению почвы различными типами чизельных рыхлителей.
Согласно полученным данным чизельные рыхлители с прямой стойкой с деформатором и без деформатора не выносили на поверхность комки почвы размером более 100 мм.
Определение энергетических показателей показало, что данные рабочие органы менее энергоемкие. В связи с этим для дальнейших исследований нами был выбраны рабочие органы с прямой стойкой.
На рис. 2 и 3 приведены профили деформации почвы рыхлителем с прямой стойкой с деформатором и без деформатора. При наличии бокового деформатора на стойке, в верхней части полосы по всей ее ширине сформировался полностью разрыхленный слой почвы глубиной 7–10 см. Рабочий орган без бокового деформатора не сформировал сплошного рыхлого слоя почвы по всей ширине полосы.
Согласно агротребованиям плотность почвы в верхнем слое обрабатываемой полосы по всей ее ширине не должна превышать 1,3 г/см3. Анализ агрофизических свойств почвы показывает, что ее плотность увеличивалась от центра борозды при ее обработке к границе с монолитом. При этом в верхних слоях 0–5 и 5–10 см максимальная плотность на границе с монолитом составила 1,35–1,40 г/см3 при работе рабочего органа без деформатора и 1,19–1,15 г/см3 с деформатором. Таким образом, лучше разуплотнял почву рыхлитель с прямой стойкой с боковым деформатором (рис. 4).
Таблица 1
Крошение почвы различными типами чизельных рыхлителей
|
Размеры комков, мм |
Типы чизельных рабочих органов |
|||||
|
С криволинейной стойкой |
С криволинейной стойкой с боковым деформатором |
С наклонной стойкой |
С наклонной стойкой с боковым деформатором |
С прямой стойкой |
С прямой стойкой с боковым деформатором |
|
|
Содержание комков почвы, % |
||||||
|
Более 100 |
5,3 |
6,2 |
3,7 |
3,9 |
0 |
0 |
|
100–50 |
12,5 |
13,0 |
10,7 |
11,5 |
5,0 |
6,5 |
|
50–20 |
45,7 |
43,4 |
42,2 |
40,0 |
38,5 |
36,0 |
|
Менее 20 |
36,5 |
37,4 |
43,4 |
44,6 |
56,5 |
57,5 |
а) б)
Рис. 3. Деформация почвы чизельным рыхлителем с прямой стойкой без деформатора (а) и с деформатором (б)
Рис. 4. Плотность почвы в полосе при ее обработке рыхлителем с прямой стойкой с боковым деформатором, г/см3
Аналогичная закономерность наблюдалась по показателям твердости почвы в полосе и в монолите. Плотность почвы в полосе по глубине ее рыхления (в слое 0–35 см) колебалась от центра к краям от 0,70 до 1,56 мПа тогда как твердость монолита доходила до 2,0–2,5 мПа.
Одним из основных показателей качества работы почвообрабатывающих орудий является содержание образованной ими мелкокомковатой фракции почвы размером менее 20 мм. Как следует из данных табл. 1, ее содержание было ниже рекомендуемого агротребованиями по всем типам рыхлителей.
Таблица 2
Крошение почвы различными типами катков, %
|
Тип катка |
Гребнистость поверхности почвы, ±см |
Размер фракций, мм |
|||
|
более 100 |
100–50 |
50–20 |
менее 20 |
||
|
Прутковый |
7,5 |
– |
7,3 |
52,5 |
40,2 |
|
Кольчатый |
4,2 |
– |
5,1 |
44,5 |
50,4 |
|
Зубчатый |
2,7 |
– |
2,0 |
32,5 |
65, 5 |
Таблица 3
Заглубление дисковых рабочих органов при формировании полосы
|
Тип дисков |
Влажность почвы, % |
||||
|
14,0 |
15,4 |
16,7 |
17,9 |
20,2 |
|
|
Глубина обработки, см |
|||||
|
Сферические |
2 |
2 |
3,0 |
4,5 |
5,0 |
|
Плоские |
3,0 |
3,7 |
4,0 |
4,3 |
5,5 |
|
Турбодиски |
7,5 |
7,9 |
8,0 |
8,5 |
9,0 |
В связи с этим в конструктивно-технологическую схему комбинированного орудия введены катки для улучшения качества крошения и выравнивания почвы. Испытывались три типа катков: прутковый, кольчатый, зубчатый. Сравнительная эффективность их работы приведена в табл. 2.
Во время испытаний на раме лабораторной установки устанавливались последовательно чизельные рыхлители с прямой стойкой с боковым деформатором и катки. Результаты исследований показывают, что агротребованиям соответствует только зубчатый каток, который лучше крошил и выравнивал почву.
В результате высокой плотности и твердости почвы возникает необходимость в подборе дисковых рабочих органов, обеспечивающих для формирования борозды нарезку щелей по ее краям на глубину 8–10 см. Для выбора оптимального типа рабочего органа испытывались различные типы дисков: сферические, плоские и турбодиски. Сравнительная характеристика их работы в зависимости от влажности почвы приведена в табл. 3.
Сферические и плоские диски не заглублялись в почву и не выполняли технологический процесс по формированию границ борозды. Турбодиски заглублялись на 8–9 см и формировали полосу с заданными параметрами.
В связи с изложенным выше, при проектировании и изготовлении экспериментального образца орудия для основной обработки почвы будут использованы следующие рабочие органы: стандартные игольчатые диски для очистки полос от стерни; чизельные рыхлители с прямой стойкой с боковым деформатором для рыхления полосы на 35 см; бункеры для туков и семяпроводы стандартные, турбодиски для формирования полос заданных параметров.
Заключение
Разработана конструктивно-технологическая схема комбинированного орудия для основной обработки почвы и внесения удобрений по технологии Strip-till.
Проведены сравнительные испытания различных типов рабочих органов, в которых основным критерием выбора были качественные показатели обработки почвы: площадь деформации; плотность; твердость; гребнистость.
Выбраны следующие типы рабочих органов: чизельные рыхлители с прямой стойкой с боковым деформатором для рыхления почвы на глубину 35 см; зубчатый каток для дополнительного крошения и выравнивания почвы в полосе; турбодиски – для формирования полос заданного параметра.
С учетом разработанной конструктивно-технологической схемы орудия и выбранных оптимальных типов его рабочих органов будет изготовлен экспериментальный образец комбинированного орудия.