CC BY
40
doi: 10.24411/0235-2451-2020-11210
УДК 631.43
Экспериментальная оценка влияния влажности и типа обработки почвы на уплотняемость при механическом воздействии*
и. с. никУлин1, м. в. мишунин1, т. б. никуличева1, и. г. бородавкин2, а. а. титЕнко2
'Белгородский государственный национальный исследовательский университет, ул. Победы, 85, Белгород, 308015, Российская Федерация
2ООО «Инжиниринговый центр НИУ «БелГУ», ул. Королева, 2а, Белгород, 308033, Российская Федерация
резюме. Исследования проводили с целью изучения влияния содержания влаги в почве на ее уплотняемость колесной техникой. Работу выполняли в 2020 г. на темно-серой лесной почве в Белгородской области. Анализировали почву шести разных участков: с двух полей, используемых 8 лет по системе No-till, и двух полей, на которых применяют интенсивные технологии возделывания сельскохозяйственных культур, после посева озимой пшеницы и подсолнечника по каждой из технологий; поле с многолетними травами 8-го года жизни; залежное поле (более 20 лет без обработки) с луговыми травами. Почву сушили 3 ч при температуре 105 оС, затем перед испытанием доводили ее влажность до 0,2; 5; 10; 12,5 и 15 %. Для уплотнения почвы использовали испытательную машину Instron, при скорости нагружения 5 мм/мин, с максимальным нагружением 1,02 кН/см2, нагружение проводили однократно при температуре 23 оС. Выбранное нагружение соответствует давлению, оказываемому трактором МТЗ-82. При влажности 12,5 % уплотняемость почвы с поля с интенсивной технологией возделывания пшеницы (13,3 МПа/мм при нагрузке в 10 МПа) была выше, чем в варианте с No-till, в 4 раза. Увеличение влажности до 15,0 % меняло ситуацию на обратную, уплотняемость образца с поля No-till (13,6 МПа/мм при нагрузке в 10 МПа) превышала величину этого показателя в поле с интенсивной технологией в 5 раз. В поле подсолнечника значительные различия между вариантами технологий отмечали только при влажности 12,5 %: уплотняемость образца, взятого с поля No-till (14,4 МПа/мм при нагрузке в 10 МПа), была в 1,4 раза выше, чем в поле с интенсивной технологией. Уплотняемость почвы залежи возрастала пропорционально увеличению влажности и была выше, чем в поле с многолетними травами.
ключевые слова: почва, влажность почвы, обработка почвы, уплотняемость, механическое воздействие. Сведения об авторах: И. С. Никулин, кандидат физико-математических наук, доцент ([email protected]); М. В. Мишунин, научный сотрудник; Т. Б. Никуличева, кандидат физико-математических наук, доцент; И. Г. Бородавкин, младший научный сотрудник; А. А. Титенко, младший научный сотрудник.
Для цитирования: Экспериментальная оценка влияния влажности и типа обработки почвы на уплотняемость при механическом воздействии / И. С. Никулин, М. В. Мишунин, Т. Б. Никуличева и др. // Достижения науки и техники АПК. 2020. Т.34. № 12. С. 61-65. doi: 10.24411/0235-2451-2020-11210.
*Работа выполнена в рамках соглашения № 1 о предоставлении гранта на проведение научно-исследовательских работ по приоритетным направлениям развития агропромышленного комплекса Белгородской области.
Experimental assessment of the effect of moisture and the type of soil cultivation on compaction under mechanical action
I. S. Nikulin1, M. V. Mishunin1, T. B. Nikulicheva1, I. G. Borodavkin2, A. A. Titenko2
Belgorod State National Research University, ul. Pobedy, 85, k. 14, Belgorod, 308015, Russian Federation 2NRU "BelSU" Engineering Centre, ul. Koroleva, 2a, Belgorod, 308033, Rossiiskaya Federatsiya
Abstract. The research aimed to study the effect of moisture content in the soil on its compaction with wheeled vehicles. The work was performed in 2020 on dark grey forest soil in the Belgorod region. We analyzed the soil from six different plots: from two fields used for 8 years according to the no-till system, and two fields, on which intensive technologies of cultivation of crops were used, after sowing winter wheat and sunflower using each of the technologies; field sown with perennial grasses of the 8th year of life; fallow field (more than 20 years without tillage) with meadow grasses. The soil was dried for 3 hours at a temperature of 105 C, then before testing, its moisture content was brought to 0.2%, 5%, 10%, 12.5%, and 15%. To compact the soil, we used Instron testing machine with a maximum load of 1.02 kN/cm2 at a loading rate of 5 mm/min; loading was conducted once at a temperature of 23 C. The selected loading corresponded to the pressure exerted by MTZ-82 tractor. With the moisture content of 12.5%, compaction of the soil from the field with the intensive wheat cultivation technology (13.3 MPa/mm at a load of 10 MPa) was 4 times higher than in the no-till option. An increase in humidity to 15.0% changed the situation to the opposite; the compaction of the sample from the no-till field (13.6 MPa/mm at the load of 10 MPa) exceeded the value of this indicator for the field, where intensive technology was used, 5 times. In the sunflower field, significant differences between the technology options were noted only at the moisture content of 12.5%: the compaction of the sample taken from the no-till field (14.4 MPa/mm at the load of 10 MPa) was 1.4 times higher than in the field where the intensive technology was used. The compaction of the fallow soil increased proportionally to the increase in moisture and was higher than in the field with perennial grasses.
Keywords: soil; soil moisture; soil cultivation; compaction; mechanical impact.
Author Details: I. S. Nikulin, Cand. Sc. (Phys.-Math.), assoc. prof. ([email protected]); M. V. Mishunin, research fellow; T. B. Nikulicheva, Cand. Sc. (Phys.-Math.), assoc. prof.; I. G. Borodavkin, junior research fellow; A. A. Titenko, junior research fellow For citation: Nikulin IS, Mishunin MV, Nikulicheva TB, et al. [Experimental assessment of the effect of moisture and the type of soil cultivation on compaction under mechanical action]. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2020;34(12):61-5. Russian. doi: 10.24411/02352451-2020-11210.
Полевые работы приводят к изменению состояния почвы, которое характеризуется уплотнением водонасыщенного грунтового слоя из-за выжимания влаги или сближения грунтовых частиц [1]. По ГОСТ 22733-2016, плотность почвы - основное свойство, которым характеризуется ее уплотнение. Величина этого показателя в значительной степени определяется содержанием
влаги и влияет на восприимчивость почвы к механической обработке [2].
Уплотненные слои образуются как в результате внешнего давления со стороны техники или животных, так и в результате естественных процессов. По мере увеличения плотности почвы и уменьшения общей пористости увеличивается ее сопротивление проникновению корней, что создает препятствия для роста корневой
Таблица. Механический состав почвы
Горизонт Глубина, см Содержание фракций, %, размер частиц, мм
1...0,25 0,25....0,05 0,05....0,01 0,01.0,005 0,005.0,001 I <0,001 1 0,01
0.. 10 1,2 0,3 45,0 13,0 17,3 23,2 53,5
25. .35 1,3 0,4 13,4 11,1 12,9 30,9 54,9
45. ..55 1,0 0,5 12,4 9,4 10,2 36,5 56,1
B 70. .80 1,0 0,3 35,9 10,2 15,8 36,8 62,8
B 95.. 105 1,1 0,5 37,1 11,1 13,9 36,3 61,3
BC 120. .130 0,9 0,4 38,1 12,5 14,2 3,9 60,6
системы и ограничивает движение воды и воздуха по профилю [3]. Это затрудняет инфильтрацию влаги, что, в свою очередь, приводит к ее потере и иссушению почвы. Когда корни наталкиваются на уплотненный горизонт, они разрастаются в верхнем слое, в котором в результате быстро истощаются запасы влаги и питательных веществ, что приводит к потере урожая. Поэтому влияние уплотнения почвы на урожайность увеличивается в годы с малым количеством осадков [4].
Механическая обработка, предназначенная для уменьшения уплотнения почвы, улучшает ее физические свойства, но имеет непродолжительный эффект [5]. В среднесрочной и долгосрочной перспективе значительное улучшение структуры почвы обеспечивает выращивание культур со стержневой корневой системой.
На основании результатов полевых исследований содержания влаги в почве и степени ее уплотнения в естественных условиях [6], была получена регрессионная зависимость между плотностью почвы и ее уплот-няемостью. Кроме того, установлено, что уплотняемость супесчаного грунта увеличивается с ростом объемной плотности в сухом состоянии и уменьшением объемного содержания воды, что характерно для преобладания сопротивления трению в этом грунте. В случае глинистого грунта уплотняемость не зависит от насыпной плотности в сухом состоянии, но тесно связана с уменьшением объемной влажности, которая влияет на связную природу грунта этого типа. В результате исследований по определению корреляции между удельным давлением на грунт колес сельскохозяйственного трактора и плотностью почвы [7] было установлено, что взаимосвязь между плотностью почвы и уплотняемостью грунта при нагружении описывается сложной зависимостью. При этом плотность грунта в поверхностном слое (0.. .5 см), непосредственно контактирующем с колесной шиной, значительно ниже (от 21 % до примерно 37 %), чем в нижнем (5.10 см). Область применения разработанной модели характеризуется коэффициентом детерминации R2 = 50 %, что указывает на отсутствие прямой связи между плотностью почвы и ее уплотняемостью при нагружении.
Уплотнение почвы, как правило, оказывает отрицательное влияние на урожайность сельскохозяйственных культур [8, 9]. Однако в отдельных случаях негативный эффект может отсутствовать и даже происходить увеличение сбора продукции с единицы площади [10].
Цель исследования - определение зависимости между влажностью почвы и ее уплотняемостью под нагрузкой, имитирующей давление тяжелой сельскохозяйственной техники на фоне различных технологий возделывания сельскохозяйственных культур.
Условия, материалы и методы. Для проведения испытаний в 2020 г. в Корочанском районе Белгородской области были отобраны (по ГОСТ Р 58595-2019) 6 образцов темно-серой лесной почвы (см. табл.):
1 - в посеве озимой пшеницы в поле, используемом 8 лет по технологии No-till;
2 - в посеве озимой пшеницы, выращиваемой по интенсивной технологии;
3 - после посева подсолнечника по интенсивной технологии возделывания;
4 - после посева подсолнечника в поле, используемом 8 лет по технологии No-till;
5 - в поле с многолетними травами 8-го года жизни;
6 - в залежном поле более 20 лет без обработки с луговыми травами.
Почву перетирали через сито с размером ячейки 1x1 мм и сушили в сушильном шкафу Memmert UNE 500 при температуре 105 оС в течении 3 ч. После этого ее охлаждали, взвешивали и испытывали на одноосное сжатие согласно ГОСТ 12248-96 c использованием универсальной напольной электромеханической машины Instron 5882. Влажность почвы в процентах от полной влагоемкости (далее влажность) определяли по ГОСТ 5180-84, у всех шести экспериментальных образцов ее доводили до 0,2; 5; 10; 12,5 и 15 %. Максимальное нагружение достигало 1,02 кН/см2, что соответствует наибольшему возможному воздействию на почву, оказываемому колесной техникой. Для исследования использовали цилиндрические образцы диаметром 55,8 мм, оптимальные параметры испытаний были подобраны согласно ГОСТ 12248-96: скорость деформации - 5 мм/мин, масса сухой почвы - 150 г, предельное давление - 25 МПа, нагружение проводили однократно при температуре 23 оС (рис. 1).
рис. 1. Схема проведения испытания: испытуемая почва помещается между верхним и нижним пуансонами, затем происходит нагружение.
Результаты нагружения образцов почвы различной влажности (0,2; 5; 10; 12,5 и 15 %) представляли в графическом виде с предварительной аппроксимацией полиномами 4-6 степени для минимизации погрешностей.
результаты и обсуждение. Напряжения в результате нагружения в почве распространяются не однородно, а по ломанным траекториям, изолируя объемные
рис. 2. Зависимость напряжения (Р) от перемещение пуансона (Е) при различной влажности почвы: а) образец 1, б) образец 2, в) образец 3, г) образец 4, д) образец 5, е) образец 6; - сухая почва, — — - влажность 5 %, — — - влажность 10 %, —- влажность 12,5 %, .... - влажность 15 %.
сплошности, которые не находятся под таким большим напряжением. Это обусловлено присутствием в почве частиц различных фракций, которые отличаются размерами и формой. При сжатии частицы почвы сначала будут стремиться упруго двигаться. Вскоре некоторые из них окажутся заблокированными одна относительно другой, и нормальные напряжения начнут передаваться по траекториям преимущественного распространения. Когда такие траектории образуют непрерывную
линию, они будут изолировать объемные сплошности, подверженные меньшим нагрузкам или даже свободно перемещающиеся. Перетирание почвы через сито с размером ячейки 1x1 мм несколько уменьшало влияние этого фактора на результаты эксперимента, но не устраняло его полностью.
Уровень влажности 0,2...5,0 % практически не влияет на перемещение пуансона, которое остается одинаковым для всех образцов, то есть уплотнение
д) Р, МПа е) Р, МПа
рис. 3. Зависимость уплотняемости (К,) от напряжения (Р): а) образец 1, б) образец 2, в) образец 3, г) образец 4, д) образец 5, е) образец 6; - сухая почва, — — - влажность 5 %, — — - влажность 10 %, — - — - влажность 12,5 %, • • • • - влажность 15 %.
почвы не зависит от ее влажности в этом диапазоне (рис. 2). Наименьшее перемещение пуансона при одинаковом напряжении свидетельствует о более интенсивном уплотнении почвы. В наших исследованиях для образцов почвы с посевов озимой пшеницы в поле, используемом 8 лет по технологии No-till; после посева подсолнечника при интенсивной техно-
логии возделывания и с залежного поля с луговыми травами, такую картину наблюдали при влажности 15,0 %. В посеве озимой пшеницы, выращиваемой по интенсивной технологии; после посева подсолнечника в поле, используемом 8 лет по технологии No-til, и в поле с многолетними травами аналогичная ситуация складывалась при влажности 12,5 %.
Влажность 0,2...5,0 % практически не влияла на зависимость уплотняемости от напряжения для всех исследуемых образцов. Результаты сравнения между собой образцов 1 и 2 (рис. 3 а, б) свидетельствуют, что при влажности 5.10 % их уплотняемость при увеличении напряжения менялась схожим образом. При повышении влажности до 12,5 % уплотняемость почвы на поле с интенсивной технологией возделывания пшеницы возрастала, по сравнению с вариантом No-till, в 4 раза. При дальнейшем увеличении влажности до 15,0 % наблюдалась обратная ситуация - в 5 раз возросла уплотняемость образца 1, по сравнению с образцом 2.
Уплотняемость образцов 3 и 4 (рис. 3 в, г) в зависимости от напряжения при влажности 5.10 % менялось аналогичным образом. При увеличении влажности до 12,5 % уплотняемость образца, взятого с поля No-till, была в 1,4 раза выше, чем в варианте с интенсивной технологией возделывания подсолнечника. При дальнейшем увеличении влажности до 15,0 % сохранялась такая же картина, но с меньшими различиями.
Результаты анализа образца почвы, взятого в поле с посевом многолетних трав, свидетельствуют, что ее уплотняемость с увеличением влажности с 0,2 до 15,0 % происходила слабее, чем в других вариантах, за исключением влажности 12,5 % для образца 1. Это может быть
связано с накоплением в почве большого количества органического вещества, препятствующего уплотнению [11]. Уплотняемость почвы, взятой на залежи, проходила пропорционально увеличению влажности и была выше, чем в поле с многолетними травами.
Наибольшая уплотняемость, при сравнении всех исследуемых образцов, отмечена для почвы в варианте с No-till: в посевах пшеницы при влажности 15 %, в посевах подсолнечника при влажности 12,5 %.
выводы. Результаты экспериментального исследования и сравнение уплотняемости почвы под действием механической нагрузки на полях с выращиванием сельскохозяйственных культур по технологии No-till и по интенсивной технологии свидетельствуют, что для почвы, продолжительный период (8 лет) не подвергавшейся механической обработке, критическое значение влажности, при котором уплотнение начинает происходить наиболее интенсивно составляет 12,5 %. В то же время дальнейшее повышение влажности до 15 % в этом варианте сопровождается снижением уплотняемости.
Уплотняемость почвы залежи возрастает пропорционально увеличению влажности и превышает величину этого показателя в поле с многолетними травами, что может быть обусловлено различиями в накоплении органического вещества.
Литература.
1. Кирюшин В. И. Задачи научно-инновационного обеспечения земледелия России //Земледелие. 2018. № 3. С. 3-8.
2. Determining soil stress beneath a tyre: measurements and simulations / T. Keller, S. Ruiz, M. Stettler, et al. // Soil Science Society of America Journal. 2016. Vol. 3. No. 80. P. 541-553.
3. Chen G, Weil R. R, Hill R. L. Effects of compaction and cover crops on soilleast limiting water range and air permeability // Soil Tillage Res. 2014. No. 136. P. 61-69.
4. Comparison of methods for estimating the carcass stiffness of agricultural tyres on hard surfaces / P. A. Misiewicz, T. E. Richards, K. Blackburn, et al. //Biosystems Engineering. 2016. No. 147. P. 183-192.
5. Long-term effect of soil conservation tillage on soil water content, penetration resistance, crumb ratio and crusted area /I. Bogunovic, P. G. Kovacs, I. Dekemati, et al. //Plant, Soil and Environment. 2019. Vol. 9. No. 65. P. 442-448.
6. Alexandrou A., Earl R. The relationship among the pre-compaction stress, volumetric water content and initial dry bulk density of soil // Journal of Agricultural Engineering Research. 1998. Vol. 71. No. 1. P. 75-80. doi:10.1006/jaer.1998.0300.
7. Powalka M., Bulilski J. Effect of compacting soil on changes in its strength // Ann. Warsaw Univ. Life Sci. - SGGW, Agricult. 2014. No. 63. P. 5-14.
8. Sharma B., Sridharan A., Talukdar P. Static method to determine compaction characteristics of fine-grained soils // Geotechnical Testing Journal. 2016. Vol. 39. No. 6. Р. 1-8. doi: 10.1520/GTJ20150221.
9. Effects of soil compaction on cereal yield / A. Nyeki, G. Milics, A. J. Kovacs, et al. // Cereal Research Communications. 2017. Vol. 45. No. 1. P. 1-22.
10. Дридигер В. К., Стукалов А. Г., Матвеев А. Г. Влияние типа почвы и её плотности на урожайность озимой пшеницы, возделываемой по технологии No-till в зоне неустойчивого увлажнения Ставропольского края // Земледелие. 2017. № 2. С.19-22.
11. Кислов А. В. Биологизация земледелия и ресурсосберегающие технологии в адаптивно-ландшафтных системах степной зоны Южного Урала: монография. Оренбург: Издательский центр ОГАУ, 2012. 268 с.
References
1. Kiryushin VI. ¡Tasks of scientific and innovative support of agriculture in Russia]. Zemledelie. 2018;(3):3-8. Russian.
2. Keller T, Ruiz S, Stettler M, et al. Determining soil stress beneath a tyre: measurements and simulations. Soil Science Society of America Journal. 2016;3(80):541-53.
3. Chen G, Weil RR, Hill RL. Effects of compaction and cover crops on soilleast limiting water range and air permeability. Soil Tillage Res. 2014;(136):61-9.
4. Misiewicz PA, Richards TE, Blackburn K, et al. Comparison of methods for estimating the carcass stiffness of agricultural tyres on hard surfaces. Biosystems Engineering. 2016;(147):183-92.
5. Bogunovic I, Kovacs PG, Dekemati I, et al. Long-term effect of soil conservation tillage on soil water content, penetration resistance, crumb ratio and crusted area. Plant, Soil and Environment. 2019;9(65):442-8.
6. Alexandrou A, Earl R. The relationship among the pre-compaction stress, volumetric water content and initial dry bulk density of soil. Journal of Agricultural Engineering Research. 1998;71(1):75-80. doi:10.1006/jaer.1998.0300.
7. Powalka M, Bulilski J. Effect of compacting soil on changes in its strength. Ann. Warsaw Univ. Life Sci. - SGGW, Agricult. 2014;(63):5-14.
8. Sharma B, Sridharan A, Talukdar P. Static method to determine compaction characteristics of fine-grained soils. Geotechnical Testing Journal. 2016;39(6):1-8. doi: 10.1520/GTJ20150221.
9. Nyeki A, Milics G, Kovacs AJ, et al. Effects of soil compaction on cereal yield. Cereal Research Communications. 2017;(1)45:1-
22.
10. Dridiger VK, Stukalov AG, Matveev AG. [Influence of soil type and density on the yield of winter wheat cultivated using No-till technology in the zone of unstable moisture in the Stavropol territory]. Zemledelie. 2017;(2):19-22. Russian.
11. Kislov AV. Biologizaciya zemledeliya i resursosberegayushchie tekhnologii v adaptivno-landshaftnyh sistemah stepnoj zony Yuzhnogo Urala: monografiya [Biologization of agriculture and resource-saving technologies in adaptive landscape systems of the steppe zone of the southern Urals: monograph]. Orenburg (Russia): Izdatel'skij centr OGAU; 2012. 268 p. Russian.
