Активное проявление эрозионных процессов на склоновых землях приводит к разрушению почвенного покрова, снижению плодородия обрабатываемых земель и загрязнению окружающей среды. В таких условиях процесс эрозии протекает под действием водной и технологической (механической) эрозии, которые, как правило, усиливают друг друга. В итоге происходит ежегодное постепенное сползание вниз по склону верхнего слоя почвы. Результат такого перемещения почвы под действием рабочих органов машин, силы гравитации и кинетической энергии водных потоков хорошо виден весной. Все вершины склоновых полей имеют более светлую или бурую окраску [1–3].
Результаты исследований показывают, что на склоновых землях ежегодно теряется около 50 % зимних осадков и до 10 т/га почвы Основной причиной потери почвенных и водных ресурсов является то, что при обработке почвы существующими техническими средствами не создаются условия для регулирования стока, который является первопричиной водной эрозии [4].
Цель исследования: повышение качества основной противоэрозионной обработки, за счет разработки технологического процесса и технических средств для компенсационной обработки почвы, обеспечивающих снижение водной и технологической эрозии на склонах.
Материалы и методы исследования
Исследования проводились согласно отраслевым стандартам: ГОСТ 20915-75. Сельскохозяйственная техника. Методы определения условий испытаний; СТО АИСТ 4.2-2010. Испытания сельскохозяйственной техники. Машины и орудия для поверхностной и мелкой обработки почвы. Методы оценки показателей; ГОСТ Р 52778-2007. Испытания сельскохозяйственной техники. Методы эксплуатационно-технологической оценки; ГОСТ Р 54783-2011. Испытания сельскохозяйственной техники. Основные положения. Так же по разработанным частным методикам в трехкратной повторности на агрофонах, характерных для зоны Поволжья.
Результаты исследования и их обсуждение
Известно, что процесс эрозии на склонах во многом зависит от типа почв, климатических особенностей зоны, рельефа местности, а также приёмов и интенсивности обработки почвы. Эти основные факторы можно разделить на три группы (рис. 1).
Рис. 1. Схема основных факторов, влияющих на эрозионный процесс на склоновых землях
Рис. 2. Схема процесса компенсационной обработки почвы (1 – рыхляще-подрезающие лапы, 2 – лемешно-подрезающие рабочие органы, 3 – гребне-стерневая кулиса, 
– направление движения агрегата, 
– направление перемещения пожнивных остатков и почвы, γ˚ – уклон поля, β ° – угол атаки режущей кромки – односторонних лемешно-подрезающих рабочих органов)
К первой группе относятся постоянные факторы, которые независимо от применяемой технологии не меняются во времени. Особенность неуправляемых факторов заключается в том, что они зависят от климатических особенностей зоны, поэтому эти факторы каждый год могут принимать совершенно различные величины. Третья группа управляемых факторов, как и первые две группы, оказывают большое влияние на процесс водной и технологической эрозии. Особенностью этих факторов является то, что их можно изменить в широких пределах применяя для этого, например, различные рабочие органы и приемы обработки почвы.
В производстве в данное время склоновые земли обрабатывают поперек склона плугами или орудиями с безотвальными органами. Это позволяет в определённых условиях снизить частично только водную эрозию. Применение оборотных плугов на смытых склоновых участках является неэффективным ввиду того, что при вспашке происходит вынос на поверхность поля менее плодородной почвы, а выровненная рыхлая поверхность поля при этом легко размывается водными потоками.
Неразрывная связь основных факторов, влияющих на водную и технологическую эрозию, говорит о том, что задачу сохранения почвенных и водных ресурсов надо решать комплексно. Для этого в НИИСХ Юго-Востока усовершенствован технологический процесс и орудие для выполнения компенсационной обработки почвы (рис. 2) [5, 6].
Его отличительная особенность заключается в том, что при основной обработке почвы на поверхности поля образуется микрорельеф в виде чередующихся противоэрозионных кулис, разделяющих склоновый участок поля на множество элементарных замкнутых участков. Такое размещение кулис позволяет внутри созданных замкнутых участков предотвратить возникновение нарастающего потока воды и процесса эрозии.
Противоэрозионные гребне-стерневые кулисы 3 формируют путем подрезания рабочими органами 2 орудия верхнего слоя почвы с пожнивными остатками и смещения вверх по склону подрезанного 3–6-ти сантиметрового слоя почвы с растительными остатками постоянно вверх по склону. В результате технологического процесса выполняется сплошная обработка почвы рыхляще-подрезающими лапами 1 и восстановление верхнего плодородного слоя по толщине, за счет возврата, ранее смещённого по склону водной и технологической эрозией верхнего плодородного почвенного слоя. Данный способ обработки можно применять как на зяби, так и на обработке паровых полей в весенне-летний период.
Проверка эффективности предлагаемой компенсационной обработки почвы и оптимизация конструктивных и технологических параметров основных органов экспериментального орудия проводились в лабораторно-полевых условиях. Влажность почвы на участках после уборки яровой пшеницы составляла: первый вариант W = 15,1; второй вариант W = 21,5 %, на склоновом участке с уклоном γ от 1 до 8 ° (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость количества перемещенной почвы – Q вверх по склону от глубины хода – h лемешно-подрезающих рабочих органов и влажности почвы – W
Рис. 4. Влияние угла атаки – β лемешно-подрезающих рабочих органов и уклона поля – γ на величину перемещения почвы вверх по склону
В ходе исследований было отмечено, что при влажности W = 15,1 % односторонние лемешно-подрезающие рабочие органы при установленной глубине обработки h = 3 см не обеспечивали равномерное заглубление в почву. С увеличением глубины хода лемешно-подрезающих рабочих органов до h = 5–6 см равномерность их хода становилась устойчивой, образуемая гребне-стерневая кулиса имела постоянные параметры по высоте и ширине. Масса одного погонного метра образуемой и перемещенной вверх по склону кулисы Q в зависимости от влажности почвы W изменялась от 22 до 30 кг на один погонный метр кулисы (кг/п.м), что соответствует 145–190 т/га перемещенной вверх по склону почвы за одну обработку.
Величина перемещения вверх по склону подрезанной почвенно-стерневой массы определялась на участках с уклоном γ равным 3 °, 5 ° и 8 ° (рис. 4). В зависимости от угла атаки β режущей кромки – односторонних лемешно-подрезающих рабочих органов перемещение подрезанного верхнего слоя почвы на уклоне γ = 3 ° изменялось от 0,25 м при β = 30 ° до 0,39 м при β = 50 °. На уклоне γ = 8 ° величина перемещения при тех же углах атаки -β составляла 0,24 м и 0,34 м. В ходе эксперимента отмечалось сгруживание перемещаемой почвенно-стерневой массы, при углах атаки -β более 45 °, это приводило к нарушению технологического процесса.
Основные результаты агротехнических и эксплуатационно-технологических показателей работы орудия для компенсационной обработки почвы представлены в табл. 1 и 2.
Таблица 1
Показатели агротехнической оценки
|
Показатели |
Техническое задание |
Экспериментальные данные |
|
|
Состав агрегата |
Класс трактора 30–40 кН |
Т-150К + орудие |
|
|
Вид работ |
Обработка зяби |
Обработка паров |
|
|
Скорость движения агрегата, км/ч |
до 10 |
7,2 |
9,1 |
|
Ширина захвата агрегата, м |
6,00 ± 0,05 |
6,00 |
6,00 |
|
Глубина обработки почвы рыхляще-подрезающими лапами, м |
До 0,16 |
0,151 |
0,082 |
|
Среднее квадратическое отклонение от глубины обработки, ±м |
0,015 |
0,012 |
0,013 |
|
– величина подрезания почвы со стернёй лемешно-подрезающими органами, м |
0,03–0,06 |
0,052 |
0,045 |
|
Крошение почвенного пласта, %, размер комков менее 0,05 м |
≥50,0 |
68,3 |
82,8 |
|
Количество противоэрозионных кулис, создаваемых за проход агрегата, шт. |
4 |
4 |
4 |
|
Размеры создаваемых кулис, м – по ширине – по высоте |
0,25…0,38 0,08…0,17 |
0,345 0,118 |
0,313 0,104 |
|
Перемещение верхнего слоя почвы вверх по склону, м |
Не менее 0,25 |
0,31 |
0,34 |
|
Подрезание сорняков, % |
100 |
100 |
100 |
|
Содержание эрозионно-опасных частиц в верхнем 5-см слое |
Не должно увеличиваться |
Не увеличивалось |
Не увеличивалось |
|
Нарушение технологического процесса |
Не допускается |
Отсутствовало |
Отсутствовало |
Таблица 2
Результаты технико-эксплуатационной оценки орудия
|
Показатели |
Значение показателей: |
||
|
Техническое задание |
Экспериментальные данные |
||
|
Состав агрегата |
Класс трактора 30–40 кН |
Т-150К + орудие |
|
|
Вид работ |
Обработка зяби |
Обработка пара |
|
|
– скорость агрегата, км/ч |
до 10 |
7,2 |
9,1 |
|
– конструкционная ширина захвата, м |
6,00 ± 0,05 |
6,00 |
6,00 |
|
– глубина обработки почвы рыхляще-подрезающими лапами, м |
До 0,16 |
0,151 |
0,082 |
|
– величина подрезания почвы со стернёй лемешно-подрезающими органами, м |
0,03–0,06 |
0,052 |
0,045 |
|
Производительность агрегата за 1 час, га: Обработка на 0,10–0,16 м – основного времени – сменного времени – эксплуатационного времени Обработка до 0,10 м – основного времени – сменного времени – эксплуатационного времени |
3,6…4,8 – 2,7…3,8 4,8…6,0 – 3,7…4,6 |
4,3 3,4 3,3 – – – |
– – – 5,5 4,4 4,3 |
|
Удельный расход топлива, кг/га |
– |
8,5 |
5,9 |
|
Эксплуатационные и технологические коэффициенты: – надежности технологического процесса; – использования сменного времени; – использования эксплуатационного времени; |
Не ниже 0,98 Не ниже 0,78 Не ниже 0,77 |
0,98 0,79 0,77 |
0,99 0,80 0,78 |
|
Качество выполнения технологического процесса: – крошение почвенного пласта, %, размер комков менее 0,05 м Размеры создаваемых кулис, м – по ширине – по высоте – содержание эрозионно-опасных частиц в верхнем 5-см слое |
≥50,0 0,25…0,38 0,08…0,17 Не должно увеличиваться |
68,3 0,345 0,118 Не увеличивалось |
82,8 0,313 0,104 Не увеличивалось |
При проведении испытаний средняя скорость движения агрегата на зяблевой обработке составила 7,2 км/ч, средняя глубина обработки рыхляще-подрезающими лапами при этом была равна 0,151 м. Производительность экспериментального агрегата за один час составила 4,3 га/ч, удельный расход топлива при этом был равен 8,5 кг/га. На обработке парового поля, при средней глубине обработки 0,082 м, производительность агрегата равнялась 5,5 га/ч, удельный расход топлива при этом составил 5,9 кг/га.
Предварительными исследованиями установлено, что применение технологического процесса компенсационной обработки почвы, за счет минимизации, позволит уменьшить энергетические затраты на обработке почвы до 20…30 %, увеличить запасы продуктивной влаги в метровом слое почвы до 10…15 %, а также сократить поверхностный сток во время снеготаяния и при ливневых осадках до 40 % и потери верхнего плодородного слоя в 1,5…2,5 раза в сравнении с традиционными технологиями.
Выводы
1. Создание на поверхности пашни гребне-стерневых кулис путем подрезания и смещения вверх по склону подрезанного 3–6-ти сантиметрового слоя почвы с растительными остатками позволяет за одну обработку произвести перенос (возврат) вверх по склону 145–190 т/га ранее смытой плодородной почвы на расстояние до 0,35 м и сократить интенсивность водной и технологической эрозии.
2. Лабораторно-полевыми исследованиями установлено, что орудие для компенсационной обработки почвы по основным показателям – равномерности глубины обработки и крошения почвы, параметрам образуемых гребне-стерневых кулис – полностью соответствуют техническому заданию. Производительность агрегата с трактором класса 30 кН на обработке паров составляет 5,6 га/ч, удельный расход топлива – 5,9 кг/га.
3. Орудие для выполнения компенсационной обработки почвы целесообразно применять на склоновых полях с уклоном до 8 ° на зяби и весенне-летних обработках паровых полей.