CC BY
25
УДК 631.4
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОЧВУ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ АГРЕГАТОВ
ГУРЕЕВ И.И.,
доктор технических наук, заведующий лабораторией механизации почвозащитного земледелия ВНИИ земледелия и защиты почв от эрозии, г. Курск, е-mail: [email protected], тел. 8-9103103908.
КЛИМОВ Н.С.,
кандидат технических наук, заведующий кафедрой «Процессы и машины в агроинженерии» ФГБОУ ВО Курская ГСХА, г. Курск, е-mail: [email protected], тел. 8-9103180399.
Реферат. Следствием интенсификации земледелия является уплотнение и разрушение структуры почвы ходовыми системами и рабочими органами сельскохозяйственных агрегатов. Проблема техногенной деградации почвы усугубляется не только после единичных проходов по полю тяжёлых машин, но в большей степени от возрастающих циклов их воздействия на почву в течение времени, ограниченного сезоном полевых работ. Нагрузку на почву за цикл приёмов по производству культуры предложено оценивать интенсивностью механического воздействия, определяемой отношением суммы работы, совершённой агрегатами при выполнении агроприёмов, к площади обрабатываемого поля. Предложена теоретическая модель, которая позволяет уровень техногенной деградации почвы после механизированного выполнения агроприёмов отождествлять вредной работой, трансформируемой сельскохозяйственными агрегатами на уплотнение и разрушение структуры почвы. Испытаны двенадцать различных модификаций почвообрабатывающих и посевных агрегатов. Для каждого из них выполнено сравнение вредного механического воздействия на почву, полученного по теоретической модели, и экспериментально. Установлено, что ошибка теоретической модели находится в диапазоне 1,7... 12,3 %. Это свидетельствует о целесообразности её использования при проектировании щадящей системы машин с целью оперативной оценки возможных экологических последствий комплексной механизации интенсивных агротехнологий.
Ключевые слова: экология, деградация почвы, перспективное планирование, агротехнология, комплексная механизация, вредная мощность.
MODELING OF TECHNOLOGICAL IMPACT OF AGRICULTURAL MACHINERY ON SOILS
GUREEV I.I.,
Doctor of Technical Sciences, Head of the Laboratory of "Mechanization in Conservation Tillage", Institute of Agriculture and Soil Erosion Control, Kursk, е-mail: [email protected], ph. 8-910 3103908
KLIMOV N.S.,
Candidate of Technical Sciences, Head of the Department "Processes and Machines Agricultural Engineering", "Kursk State Agricultural Academy", Kursk, е-mail: [email protected], ph. 8-910 3180399.
Essay. The aim of the research is an experimental test of a theoretical model of technological soil degradation which enables to design promptly and in advance machine systems by assessment of ecological consequences of intensive agricultural technologies used in complex mechanization. The load on soil by machines used to cultivate crops is estimated by the intensity of mechanical influence. The research determines the index of the ratio of the amount of work done by machines to the cultivated area. A theoretical model which enables to see the technological soil degradation after mechanized agricultural work as harmful work which compacts and damages the soil structure was worked out. To check this theoretical model a harmful part of the intensity of mechanical influence on soil was formalized by experimental data. They are: the depth of soil flash under machines, maximum magnitude of soil resistance force to bearing strain in its vertical deformation and the volume of the damaged soil. The depth of the soil flash under machines was estimated between an energetic means and an agricultural machine very close to soil cultivating and other working parts. The soil resistance force to bearing strain was measured by Revyakin hardness testing instrument.. The volume of the damaged soil was measured with consideration of the depth of the soil flash and the area of the plunger of the hardness testing instrument. Twelve modifications of soil cultivating and sowing machines were tested. For each of them a harmful mechanical influence on soil got by a theoretical model and an experimental one were compared. It was determined that the mistake in the theoretical model is in the range of 1,7...12,3 %. It proves the appropriateness of its use for the estimation of the possible ecological consequences of the use of intensive agricultural technologies in complex mechanization.
Key words: soil degradation, long-term planning, agricultural technology, complex mechanization, harmful mechanical influence.
Введение. Интенсификации земледелия повсеместно сопутствует прогрессирующая тенденция увеличения веса сельскохозяйственных агрегатов и количества проходов их по полю [1]. Вес основного компонента агрегатов - трактора перешагнул планку в 3 тонны на одно колесо, а грузоподъёмность транспортных прицепов превысила 30 тонн. В результате механическая нагрузка на почву возросла до 13 эталонных гектаров различного вида работ в расчёте на 1 га пашни. Достижение более высоких рубежей в земледелии в ближайшие годы увеличит эту нагрузку ещё в 1,5 раза.
С увеличением механической нагрузки возрастает объёмная масса почвы и разрушается её структура [2, 3], уплотняющие воздействия распространяются на всё большую глубину [4]. В почве снижается содержание влаго- и воздухоподводящих пор, без которых не может реализоваться плодородие. Уже при плотности 1,35 г/см3 (верхний предел оптимума для вегетации растений) их количество снижается почти вдвое. По следам же тяжёлой техники часто наблюдается плотность 1,5...1,6 г/см3, когда поры отсутствуют вообще. Риски
переуплотнения почвы возрастают с повышением содержания в ней влаги [5].
Под действием механической нагрузки разрушаются макропоры почвы и понижается её водопроницаемость [6], а это значимая предпосылка к развитию водной эрозии, так как скорость впитывания влаги обратно пропорциональна плотности почвы. Не впитываемая влага осадков устремляется вниз по склонам, увлекая за собой частицы плодородного верхнего слоя и питательные вещества, загрязняя ими водоёмы. В ЦентральноЧернозёмном регионе РФ величина талого стока, т. е. безвозвратных потерь потенциально продуктивной влаги, достигает 300.. .650 м3 с каждого гектара пашни.
Затраты энергии на техногенную деградацию почвы приводят к повышению расхода моторного топлива и загрязнению окружающей среды выхлопными газами [7, 8]. Немаловажны и экономические издержки вследствие деградации почвы, сказывающиеся на снижении урожайности культур [9, 10] и росте себестоимости производимой продукции.
В этой связи эффективность комплексов машин для механизации агротехнологий должна определяться не только экономическими показателями, но и экологическими критериями по деградации почвы. Наиболее эффективен экологический мониторинг при перспективном планировании щадящей системы машин для комплексной механизации интенсивных агротехнологий.
Экологическая оценка сельскохозяйственной техники особенно актуальна в последнее время, когда возросла тенденция замещения импорта. Сравнение с лучшими зарубежными аналогами позволит получить объективную картину узких мест в отечественном сельхозмашиностроении и предоставит российским конструкторам поле для деятельности [11].
В земледелии проблеме техногенной деградации почвы уделялось и уделяется достаточно большое внимание. По ГОСТ 26953-26955 принято механическое воздействие на почву определять локально - на обработанных участках полей, по следам ходовых систем агрегатов и др. [12]. Однако методологии оценки общей механической нагрузки на почву после проведения цикла агроприёмов по производству культур не существует, что затрудняет оценку экологической состоятельности используемых комплексов машин.
Наиболее приемлемо техногенную нагрузку на почву за цикл приёмов по производству культуры определять интенсивностью механического воздействия. Определяют данный показатель отношением суммы работы, совершённой агрегатами при выполнении приёмов, к площади поля [13]. Объективную экологическую оценку сельскохозяйственной техники получают с учётом доли вредной работы в общем потоке расходуемой энергии. Чем она меньше, тем техническое средство предпочтительнее.
Целью данных исследований является экспериментальная проверка адекватности теоретической модели техногенной деградации почвы, позволяющей заблаговременно и оперативно проектировать щадящие системы машин путём оценки экологических последствий комплексной механизации интенсивных агротехнологий.
Условия, материалы и методы исследований. Исходя из анализа потоков энергии, расходуемой на выполнение п агроприёмов по производству какой-то культуры, для определения общей интенсивности механического воздействия на почву 1-го сельскохозяйственного агрегата известна теоретическая модель [13]:
¿¿=1 Ч - -5,02.1=1
МДж/га;
где е - коэффициент загрузки двигателя агрегата;
Ыд/ - мощность двигателя агрегата, кВт;
V - рабочая скорость агрегата, м/с;
Лт, Лф1 - к.п.д. трансмиссии движителей и механической передачи к почвообрабатывающей фрезе от двигателя;
Р, - тяговое сопротивление сельскохозяйственной машины, кН;
д, - коэффициент буксования движителей;
/и, /я - коэффициент качения движителей и сопротивления сельскохозяйственной машины протаскиванию;
Сц , 021 - вес энергосредства (трактора) и сельскохозяйственной машины, кН;
- крутящий момент на вале отбора мощности привода почвообрабатывающей фрезы, кН-м;
- угловая скорость вала отбора мощности, с-1;
Ым/ - мощность привода механизмов не сопряжённых с воздействием на почву (высевающих аппаратов сеялок, устройств разбрасывающих удобрение, насосов опрыскивателей, срезающих и молотильно-сепарирующих устройств комбайнов и др.), кВт;
- основная производительность выполнения /-го агроприёма, га/ч.
Общая интенсивность механического воздействия на почву включает в себя полезную и вред-
ную ^вг составляющие:
2Г=1 Л = 2Г=1+ ^"=1МДж/га-
Технологически полезное воздействие направлено на рыхление почвы и выполнение других видов работ предписанных агротехнологией:
2Г=11ш = 3,62Г= ДС. -/2£С2;) + МДж/га.
Вредное воздействие непременно в различной степени сопутствует полезному. Сущность его состоит в том, что при перемещении агрегата по полю его движители смятием деформируют и переуплотняют почву. Кроме того, пробуксовывающие движители в сторону вращения сдвигают с различной скоростью слои почвы в горизонтальной плоскости. Максимальная скорость смещения поверхностных слоёв, затухающая у слоёв расположенных глубже. Следствием относительного смещения слоёв является экологический ущерб, заключающийся в истирании и разрушении структуры почвы.
Вредное воздействие на почву можно представить разностью:
2Г=1^ =2?=1 Ь-ЬиЪ- мД^га. (1)
Результаты и их обсуждение. С целью экспериментальной проверки адекватности теоретической модели (1), вредную составляющую интенсивности механического воздействия на почву формализовали по экспериментальным данным в соответствии с выражением:
2?=1/зн! = 3,6X7.! , МДж/га; (2)
где Т/ - горизонтальное сопротивление почвы движителям энергосредства, кН.
Для определения величины Т, известна формула [14]:
Т( = кН:
где - суммарная ширина правого и левого движителей энергосредства, ^=2Ь/, м;
дг - коэффициент объёмного смятия почвы, кН/м3;
И, - глубина проседания почвы под движителями, м;
/и - коэффициент сопротивления перемещению пневматических шин: для свежевспаханного поля 0,75.0,79, для стерни 0,65.0,68, для луга 0,58.0,62, для укатанной грунтовой дороги 0,60...0,65.
Значение коэффициента qi в выше приведенной формуле вытекает из соотношения:
Ъ = — • кН/м3:
где Я, - максимальное значение силы сопротивления почвы смятию при вертикальной деформации её на глубину к, , кН;
Qi - объём смятой (вытесненной) почвы, м3.
Усилие Я, замеряли твердомером Ревякина, который на миллиметровой бумаге фиксировал диаграмму 2==2{ (к). На оси абсцисс диаграммы в точке к, определяли ординату (м) и далее рассчитывали величину Я, по формуле:
Яг = к, кН; где к - жёсткость пружины твердомера, Н/м.
Выражение для объёма смятой почвы имеет вид:
= к, Б, м3;
где Б - площадь плунжера твердомера, м2.
В случае использования пружины жёсткостью к=13,5 кН/м и плунжера площадью Б=2-10"4 м2:
Фиксировали глубину проседания для левого и правого движителей энергосредства. Вычисляли среднее значение к, на длине гона в промежутке между разворотами агрегата, как показано на рисунке 1.
Рисунок 1 - Проседание в почву движителя энергосредства
Для почвообрабатывающих и посевных агрегатов величину к, замеряли также на участке по длине гона. Но после того, как перемещающийся на рабочей скорости агрегат останавливался. Замеры производили в пространстве между энергосредством и сельскохозяйственной машиной в непосредственной близости от почвообрабатывающих и иных рабочих органов.
Ошибку теоретической модели для каждого ,-го аг-роприёма определяли статистическим сравнением расчётных данных по формуле (1) с величиной интенсивности механического воздействия на почву, полученной экспериментально по формуле (2):
Сравнительные испытания провели для двенадцати различных модификаций почвообрабатывающих и посевных агрегатов, представленных в таблицах 1 и 2.
Таблица 1 - Исходные данные для экспериментальной оценки интенсивности вредного механического воздействия
Состав сельскохозяйственного агрегата Глубина проседания в почву движителей трактора, к1 , м Абсцисса диаграммы твердомера на глубине проседания в почву движителей трактора, , м Коэффициент сопротивления перемещению пневматических шин,
Трактор Сельхозмашина
МТЗ-82 Опрыскиватель ОП-2000 0,021 0,063 0,66
Зерновая сеялка «Ритм» 0,033 0,07 0,75
Дискатор шириной захвата 2,0 м 0,042 0,095 0,68
Зерновая сеялка СЗ-3,6 (посев озимых зерновых) 0,032 0,005 0,75
Каток 7КВГ-2,0 0,026 0,008 0,75
Зерновая сеялка СЗ-3,6 (посев яровых зерновых) 0,026 0,003 0,75
МТЗ-1221 Плуг ПО-3-45 (залежь) 0,05 0,053 0,75
Плуг ПО-3-45 (почвенный канал) 0,057 0,006 0,62
Культиватор КПС-4 0,012 0,017 0,65
Зерновая сеялка СЗ-5,4 (посев озимых зерновых) 0,058 0,004 0,75
Т-150К Культиватор 2КПС-4 0,047 0,005 0,65
К-701 Глубокорыхлитель ГЩ-4М 0,064 0,005 0,68
Таблица 2 - Теоретические и экспериментальные значения интенсивности вредного механического воздействия
Состав сельскохозяйственного агрегата Вредная составляющая интенсивности механического воздействия на почву, МДж/га Ошибка теоретической модели, Д, %
Трактор Сельхозмашина по теоретической модели, 1в1 по экспериментальным данным, 1эе1
МТЗ-82 Опрыскиватель 0П-2000 7, 3 6,7 9,0
Зерновая сеялка «Ритм» 19,5 21,4 8,9
Дискатор шириной захвата 2,0 м 29,3 32,3 9,3
Зерновая сеялка СЗ-3,6 (посев озимых зерновых) 26,0 25,3 3,0
Каток 7КВГ-2,0 17,5 19,3 8,9
Зерновая сеялка СЗ-3,6 (посев яровых зерновых) 26,0 29,6 12,3
МТЗ-1221 Плуг ПО-3-45 (залежь) 105,6 98,9 6,7
Плуг ПО-3-45 (почвенный канал) 108,4 110,3 1,7
Культиватор КПС-4 28,0 26,9 3,9
Зерновая сеялка СЗ-5,4 (посев озимых зерновых) 26,8 27,6 3,1
Т-150К Культиватор 2КПС-4 20,9 19,7 6,3
К-701 | Глубокорыхлитель ГЩ-4М |
Установили, что, несмотря на значительную вариабельность физико-механических свойств почв, в условиях которых проводили испытания, ошибка теоретической модели находится в диапазоне 1,7...12,3 %. Это свидетельствует о её адекватности и возможности использования для сравнительного анализа экологических последствий применения в растениеводстве различных агрегатов.
Выводы:
Следствием интенсификации земледелия является уплотнение и разрушение структуры почвы ходовыми системами и рабочими органами сельскохозяйственных агрегатов. Предложена теоретическая модель, которая позволяет уровень техногенной деградации почвы после выполнения комплекса агроприёмов отождествлять
66,1 | 68,2 | 3,1
вредной работой, трансформируемой агрегатами на почву. Экспериментально установленная возможная ошибка свидетельствует о целесообразности использования теоретической модели для сравнительного анализа экологических последствий применения в растениеводстве различных сельскохозяйственных агрегатов.
Таким образом, получена адекватная модель техногенного воздействия на почву сельскохозяйственных агрегатов, которую целесообразно использовать для оперативной оценки экологических последствий комплексной механизации агротехнологий производства продукции растениеводства. Необходимость такой оценки наиболее актуальна при планировании щадящей системы машин для механизации интенсивных агро-технологий.
Литература
1. Bundesministeium für Verbraucherschutz, Ernährung und Landwirtschaft (Hrsg.) Gute fachliche Praxis zur Vorsorge gegen Bodenschadensverdichtungen und Bodenerosion. - Bonn, 2001, 105.
2. Kundler, P. Erhöhung der Bodenfruchtbarkeit / P. Kundler // VEB Deutsher Landwirtschaftsverlag Berlin, 1989, 452 s.
3. Volk, L. Weniger Schlupf und Spuren / L. Volk // DLG-Mitteilungen, 2007, 6, Р.54-55.
4. Boels, D. Soil degradation / D. Boels, D. Vavies, A. Johnston // Balkema, Rotterdam. - 1982.
5. Kreye, H. Pflanzenschutz im Weizen bei konservierender Bodenbearbeitung / H. Kreye, V. Garbe, G. Bartels, H. Hoppe // Getreide-Magazin, 5, 1999, Р. 180-183.
6. Gruber, W. Influence of different tillage systems on traffieability and soil compaction / W. Gruber, F. Tebrügge // Paper No. 91-1090, ASAE St. Joseph, Ml. pp. 15.
7. Фольк Л., Штефан Д. Резервы экономии топлива // Новое сельское хозяйство. - 2008. - № 3. - С.112-117.
8. Brunotte, J. Mulchsaat- ein wichtiger Bestandteil zukünftiger Landbewirtschaftung. Amazonenwerke / J. Brunotte, C. Sommer // Dreyer GmbH & Co. kG Hasbergen-Kaste. - 1998. - 61 s.
9. Hofmann, B. Anpassung pflanzenbaulicher Produktionstechnik an Trockenbedingungen / B. Hofmann, H.-G. Stock, W. Diepenbrock // Mitt. Gesellschaft Pflanzenbauwissenschaften, 1994. 4. S. 1-8.
10. Bolling J., Sohne W. Der Bodendruck schwerer Ackerschlepper und Fahrzeuge // Landtechnik H. 2, 1982.
11. Черкасова, О.В. О сравнительных испытаниях сельскохозяйственной техники / Черкасова О.В. // Сахарная свёкла. - 2014. - № 10. - С. 12-14.
12. ГОСТ 26955-86, ГОСТ 26953-86, ГОСТ 26954-86. Техника сельскохозяйственная мобильная. Нормы воздействия движителей на почву Методы определения воздействия движителей на почву. Метод определения максимального нормального напряжения в почве. - М.: Изд-во стандартов, 1986. - 23 с.
13. Гуреев И.И. Экологические последствия применения комплексов машин для механизации обработки почвы // Достижения науки и техники АПК. - 2015. - Т.29. - № 8.
14. Клёнин Н.И., Сакун В.А.Сельскохозяйственные и мелиоративные машины: Элементы теории рабочих процессов, расчёт регулировочных параметров и режимов работы. - М., Колос, 1980. - 671 с.
References
1. Bundesministerium für Verbraucherschutz, Ernährung und Landwirtschaft (Hrsg.) Gute fachliche Praxis zu r Vorsorge gegen Bodenschadensver-dichtungen und Bodenerosion. - Bonn, 2001, 105.
2. Kundler, P. Erhöhung der Bodenfruchtbarkeit / P. Kundler // VEB Deutsher Landwirtschaftsverlag Berlin, 1989, 452 s.
3. Volk, L. Weniger Schlupf und Spuren // DLG-Mitteilungen, 2007, 6, s.54-55.
4. Boels, D. Soil degradation / D. Boels, D. Vavies, A. Johnston // Balkema, Rotterdam. - 1982.
5. Kreye, H. Pflanzenschutz im Weizen bei konservierender Bodenbearbeitung / H. Kreye, V. Garbe, G. Bartels, H. Hoppe // Getreide-Magazin, 5, 1999, s.180-183.
6. Gruber, W. Influence of different tillage systems on traffieability and soil compaction / W. Gruber, F. Tebrügge // Paper No. 91-1090, ASAE St. Jo-seph, Ml. pp. 15.
7. Folk and L. The reserves of fuel economy / L. Volk, Stefan D. // New Agriculture. - 2008. - № 3. - S. 112-117.
8. Brunotte, J. Mulchsaat- ein wichtiger Bestandteil zukünftiger Landbe-wirtschaftung. Amazonenwerke / J. Brunotte, C. Sommer // Dreyer GmbH & Co. kG Hasbergen-Kaste. - 1998. - 61 s.
9. Hofmann, B. Anpassung pflanzenbaulicher Produktionstechnik an Trocken-bedingungen / B. Hofmann, H.-G. Stock, W. Diepenbrock // Mitt. Gesell-schaft Pflanzenbauwissenschaften, 1994. 4. S.1-8.
10. Bolling, J. Der Bodendruck schwerer Ackerschlepper und Fahrzeuge / J. Bolling, W. Sohne // Landtechnik H. 2, 1982.
11. Cherkasov, OV Comparative tests of agricultural machinery / OV Cherkasova // Sugar beet. - 2014. - № 10. - Р.12-14.
12. GOST 26955-86, GOST 26953-86, GOST 26954-86. Technique agri-tural mobile. The exposure standard propellers on the ground. Me-ods determine the impact on the ground propulsion. Method-definition of the maximum normal stress in the soil. -M .: Publishing House of Standards, 1986. - 23 p.
13. Gureev, II Environmental effects of machine systems for mechanization of soil tillage / II Gureev // Scientific and technological agriculture. - 2015. T.29. Number 8.
14. Ktenin, NI Agricultural and reclamation machines: Elements of the theory of workflow, calculation of control parameters and operating modes / NI Ktenin, VA Sakun. - M., Kolos, 1980. - 671 p.
