CC BY
0
РАЗДЕЛ 1. ЭКОЛОГИЯ И ТЕХНОЛОГИИ В РАСТЕНИЕВОДСТВЕ
Научная статья
УДК 631.816.34:624.844:004.896
О КОНЦЕПТУАЛЬНЫХ ПРИНЦИПАХ РАЗВИТИЯ ПРИРОДОПОДОБНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ДЕГРАДАЦИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ И ПОВЫШЕНИЯ ПЛОДОРОДИЯ ПОЧВ
Вячеслав Филиппович Федоренко Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, Москва, Россия vim@vim.ru, f@maro.pro
Аннотация. В последние годы вследствие роста воздействия антропогенных факторов обостряется ситуация с сохранением биоразнообразия, усиливаются негативные экологические и климатические нагрузки на биосферу Земли и, как следствие, усугубляются проблемы деградации и плодородия сельскохозяйственных земель. Анализ исследований и производственного опыта свидетельствует, что основными, наиболее распространенными агротехническими приемами и средствами регулирования режимов интенсивности биологических процессов и фитосанитарного состояния сельскохозяйственных земель является механическая обработка. Согласно ГОСТ 16265-89 существует более 60 видов приемов механического воздействия на почву машинами и орудиями (вспашка, дискование, культивирование, боронование и пр.). Некоторые из них имеют противоположный физический эффект, например, рыхление, измельчение и прикатывание, уплотнение. В результате формируются негативные последствия: нарушение динамического равновесия в системе «почва - растение - окружающая среда»; активизация жизнедеятельности почвенной микрофлоры, приводящая к ускорению минерализации гумуса и увеличению непроизводительных его потерь. Разрушение дернины и распыление верхнего слоя в районах риска ветровой эрозии создает предпосылки разрушения почвы, активизирует развитие процессов деградации земель и оказывает наиболее значимое негативное влияние на плодородие почв. Многократные проходы сельскохозяйственной техники приводят к сильному переуплотнению почвенных горизонтов, что ухудшает их плодородие, интенсифицируя сток воды и снос почвы. Обработка почвы - энергозатратный процесс, требующий до 10-15 тыс. МДж энергии на 1 га, что зачастую не окупается урожаем. Результаты длительных исследований свидетельствуют, что высокий уровень интенсификации земледелия за счет использования удобрений, гербицидов, мелиорантов, орошение и др., изменяет функции обработки, снижает ее влияние на формирование урожая до 8-12%. Особенно это характерно для почв с высоким потенциальным уровнем плодородия и благоприятными агрофизическими свойствами. В этих условиях избыточное воздействие нецелесообразно, а роль обработки можно свести к технологическим функциям: внутрипочвенное внесение удобрений, гербицидов, мелиорантов, семян и т.д. Одной из основных задач обработки почвы становятся предотвращение деградации, воспроизводство плодородия, регулирование водного режима и защита от эрозии. В этой связи исследования по обоснованию природоподобных технологий, разработке технических систем и средств, предотвращающих деградацию сельскохозяйственных земель и повышающих плодородие
почв, необходимо и целесообразно осуществлять с учетом современных представлений о продукционных процессах в растениеводстве. Они в настоящее время базируются на концепции симбиоза растений и микроорганизмов почвы, создании оптимальных условий сохранения и развития биоценозов, сформировавшихся в корнеобитаемых горизонтах почв без их оборота и разрушения за счет внутрипочвенной обработки, рыхления и аэрации импульсами сжатого воздуха посредством погружения в почву пневмогидробуров, последующего внесения удобрений и гидрогеля.
Ключевые слова: деградация, эрозия, корнеобитаемые слои, почва, рыхление, аэрация, орошение, удобрение, симбиоз.
Для цитирования: Федоренко В.Ф. О концептуальных принципах развития природоподобных технологий, предотвращения деградации сельскохозяйственных земель и повышения плодородия почв // АгроЭкоИнженерия. 2024. № 2(119). С. 4-18 https://doi.org/
Research article
Universal Decimal Code 631.816.34:624.844:004.896
ON CONCEPTUAL PRINCIPLES OF DEVELOPING NATURE-LIKE TECHNOLOGIES, PREVENTING AGRICULTURAL LAND DEGRADATION AND
IMPROVING SOIL FERTILITY Viacheslav F. Fedorenko Federal Scientific Agroengineering Center VIM, Moscow, Russia
vim@vim.ru, f@maro.pro
Abstract. In recent years, the increasing impact of human activities has hampered efforts to conserve biodiversity. The Earth's biosphere is under increasing environmental and climatic pressure. This leads to more serious problems with cultivated land degradation and fertility. According to research and practical experience, mechanical tillage is the most important and widespread method of controlling the intensity of biological processes and the phytosanitary status of agricultural land. The state standard GOST 16265-89 lists over 60 types of mechanical soil treatment using various machines and tools. They are plowing, disking, cultivating, harrowing, and others. Some of these methods have opposite physical effects, e.g. loosening, crushing, compacting and rolling. The possible negative consequences of such practices may be a dynamic imbalance in the soil-plant-environment system and increased activity of the soil microflora, resulting in accelerated mineralization of humus and its greater loss. Root mat damage and topsoil scattering in areas at risk of wind erosion contribute to soil destruction, land degradation and have a major impact on soil fertility. Repeated passes by agricultural machinery cause severe soil compaction, which reduces soil fertility through increased water run-off and soil erosion. Soil cultivation is an energy-intensive process. It requires up to 10-15 thousand MJ of energy per hectare. Often the yield does not compensate for these energy costs. Long-term research shows that high levels of agricultural intensification through the use of fertilizers, herbicides, soil improvers and irrigation alter the function of soil tillage and reduce its effect on yield formation by 8-12%. This is particularly true for soils with high fertility potential and favourable agronomic and physical properties. Under these conditions, excessive tillage is inappropriate. Its role comes down to the subsoil application of fertilizers, herbicides, soil conditioners, seeds and others. The main
objectives of tillage are now shifting towards preventing soil degradation, restoring soil fertility, controlling the water regime and protecting against soil erosion. Research is therefore urgently needed to develop nature-like technologies, technical systems and methods. This research should be based on the current understanding of plant growth processes. This understanding is based on the concept of symbiosis between plants and soil micro-organisms and the need to create optimal conditions for the maintenance and development of biocenoses in root-inhabited soil horizons without disturbing or destroying them. This can be achieved by subsoil tillage, loosening and aeration with compressed air pulses from deep soil pneumatic hydraulic drills, followed by fertilizer and hydrogel application.
Key words: degradation, erosion, root layer, soil, loosening, aeration, irrigation, fertilizer, symbiosis.
For citation: Fedorenko V.F. On conceptual principles of developing nature-like technologies, preventing agricultural land degradation and improving soil fertility. AgroEcoEngineering. 2024; 2(119): 4-18 (In Russ.) https://doi.org/
Введение. Основные тенденции изменения почвенного покрова в последнее столетие обусловлены прямым воздействием на него различных видов деятельности человека и косвенным влиянием изменяющихся климатических, гидрогеологических и социально-экономических условий.
Ведение хозяйственной деятельности сопровождается преобразованием природной структуры комбинаций ареалов почв, которое приводит к формированию новых специфических видов организации почвенного покрова в зависимости от характера и интенсивности землепользования. Зачастую она усугубляет исходную природную неоднородность, либо наоборот, выравнивает ряд характеристик почв в пространстве. Специфика преобразования почвенного покрова может наблюдаться в нескольких направлениях, которые в каждом конкретном ландшафте накладываются друг на друга, вызывая совокупный эффект [1].
В первую очередь воздействию подвергаются отдельные ареалы почв. Результатом является изменение строения почвенного профиля, физических, химических, биологических свойств отдельных почвенных горизонтов, режимов функционирования почвы: теплового, водного, газового, питательного, окислительно-восстановительного, солевого и др. [2].
Особенно необходимо учитывать результаты исследований влияния фотохимического воздействия солнечной световой энергии на изменения агрохимических показателей почв, которые свидетельствуют, что чем интенсивнее происходит обработка почвы и чем чаще она применяется, тем масштабнее разрушительные воздействия фотохимических факторов на гумус [3].
Целенаправленные изменения потоков вещества и энергии в ландшафте в процессе производственной деятельности влияют на функционирование почв: орошение, сброс сточных вод, дренаж, изменение отражательной способности поверхности почвы, внесение удобрений, мелиорантов, пестицидов, поступление из атмосферы загрязняющих веществ.
В Российской Федерации под деградацией почв и земель понимают совокупность природных и антропогенных процессов, приводящих к изменению функций почв, количественному и качественному ухудшению их состава и свойств, снижению природно-хозяйственной значимости земель.
Согласно данным Федеральной службы государственной регистрации, кадастра и картографии, и результатов обследования в землях сельскохозяйственного назначения около 70 млн га подвержены эрозии и дефляции; более 1 млн га подвержены опустыниванию; 6,3 млн га - незакрепленные пески; около 40% площади пахотных почв и пастбищ переуплотнены [1, 2].
В настоящее время выделяют пять основных факторов, определяющих интенсивность деградации земель: климат, рельеф, растительность, геология и деятельность человека [4].
Как показывает анализ, ключевыми причинами и факторами деградации почв в сельском хозяйстве являются агротехнические приемы, базирующиеся на механической обработке почвы (вспашка, культивация, дискование, боронование и др.), разрушающие сформировавшиеся в процессе выращивания сельскохозяйственных культур корнеобитаемые горизонты почвы. Корни растений в процессе жизнедеятельности формируют органический каркас почвенной структуры, что обеспечивает биоту почвы органическим питанием и формирует гумусовый компонент сельскохозяйственных земель [4, 5, 6].
Наличие растительности значительно снижает, а зачастую предотвращает процессы развития эрозии, поскольку корневая система растений скрепляет частицы почвы. В результате даже проливные дожди или сильные ветра не способны создать поверхностный смыв или снос частиц почвы.
Практика показала, что наиболее высокую эффективность защиты от этих факторов обеспечивают многолетние и озимые культуры, сохранение корнеобитаемых слоев (стерни), мульчирование пожнивных остатков.
На территории России деградация почв и эрозия получила широкое распространение в конце XIX в., что обусловлено освоением новых целинных земель преобладающим применением отвальной вспашки и активным уничтожением растительного покрова земель.
В докладе ФАО «Состояние мировых земельных и водных ресурсов для производства продовольствия и ведения сельского хозяйства» внимание акцентируется на чрезвычайно сложном положении в мировом агропродовольственном комплексе в части критического состояния системно взаимосвязанных земельных, почвенных, водных, биологических ресурсов [2].
Отмечается, что в настоящее время наиболее острыми значительным вызовами и рисками в сельскохозяйственном производстве являются процессы деградации и эрозии верхнего плодородного слоя сельскохозяйственных земель. Поэтому если не будут пересмотрены подходы к обработке почвы, возникнут катастрофические проблемы с производством продовольствия [4].
Одним из наиболее эффективных путей достижения этой цели является переход к природоподобным технологиям почвозащитного, ресурсосберегающего земледелия, которые предотвращают формирование процессов деградации и эрозии сельскохозяйственных земель и повышают плодородие почвы [7].
В этой связи предлагаемые концептуальные основы развития технологий, воспроизводящих природоподобные процессы, предотвращающие деградацию сельскохозяйственных земель, в полной мере соответствуют и направлены на реализацию важнейшего приоритета, определенного Стратегией научно-технического развития Российской Федерации на ближайшие десять лет - переход к развитию природоподобных технологий, воспроизводящих системы и процессы живой природы в виде технологических
процессов, технических систем и средств, интегрированных в природную среду и естественный природный ресурсооборот.
Цель исследования: обоснование концептуальных принципов разработки природоподобных технологий, предотвращающих деградацию сельскохозяйственных земель и повышающих плодородие почв за счет оптимизации условий симбиоза растений и почвенных микроорганизмов посредством внутрипочвенного рыхления и аэрации импульсами сжатого воздуха корнеобитаемых горизонтов почвы и последующего их орошения, удобрения, внесение гидрогеля.
Материалы и методы исследования. Объектами исследования выбраны теоретические и практические результаты изучения и оценки процессов формирования и развития деградации и эрозии сельскохозяйственных земель, на основании современных принципиальных представлений о физиологии растительных и почвенных организмов, базирующихся в настоящее время на концепции симбиоза растений и почвенных биоценозов, технологические параметры, технические характеристики, потребительские свойства машин и оборудования для обработки, рыхления, аэрации, орошения, внесения удобрений и гидрогеля прежде всего в корнеобитаемые горизонты почвы [8].
Основные методы исследования: обобщение, информационный и статистический анализ нормативно-методических материалов, проведение лабораторных и полевых исследований. Для проведения лабораторных исследований разработан и изготовлен универсальный пневмогидробур (рис. 1) и лабораторный стенд (рис. 2), которые создавали возможность раздельной подачи под давлением воздуха, воды или аэрозоля в виде смеси воздуха, растворов удобрений и гидрогеля при использовании комбинированных наконечников в требуемых пропорциях [9].
а) б)
Рис. 1. Схема вертикального разреза корнеобитаемого горизонта почвы в процессе работы пневмогидробура: а) - при подаче импульса сжатого воздуха; б) - при подаче аэрозоля в виде смеси воздуха и растворов удобрений или гидрогеля: 1 -ствол; 2 - полая рукоятка; 3 - вентиль; 4 - шланг с водой или растворами под давлением; 5 -форсунка; 6 - вентиль; 7 - шланг сжатого воздуха; 8 - рычаг ручной подачи сжатого воздуха;
9 - смесительная камера; 10 - наконечник с перфорацией; 11, 12 - инжекторы; 13 -
скважины; 14 - каналы; 15 - воронка (Патент № 2740805 РФ, МПК, А01С23/02) Fig. 1. Schematic diagram of vertical section of the root-inhabited soil horizon under the operation
of a pneumatic hydrodrill: a) - when a compressed air pulse is supplied; b) - when aerosol as a mixture of air and solutions of fertilizers or hydrogel is supplied: 1 -cylinder; 2 - hollow handle; 3 - valve; 4 - hose with water or solutions under pressure; 5 - nozzle; 6 - valve; 7 - compressed air hose; 8 - lever of manual compressed air feeding; 9 - mixing chamber; 10 - perforated tip; 11, 12 - injectors; 13 - wells; 14 - canals; 15 - funnel
(Patent of RF 2740805)
Рис. 2. Стенд для отработки режимов работы универсального пневмогидробура Fig. 2. Bench for testing the operation modes of the universal pneumatic hydrodrill
Стенд состоит из пневмогидробура 1, сменными наконечниками с отверстиями 2, крестовины к которой с трех сторон монтируются шаровые краны 3 и бункер для сухих компонентов 4. К боковому входу присоединен трубопровод для подачи растворов А, а ко второму - шланг В для подачи импульсов сжатого воздуха.
В трубопроводы вмонтированы датчики расхода жидкости 5 и воздуха 6 с цифровыми индикаторами расхода воздуха 7 и жидкости 8 с блоком питания 13.
Ствол пневмогидробура 1 встроен в накопительную емкость 9 с конусовидным днищем, шаровым краном, ротаметром поплавкового типа 10, пробоотборником 11 и лабораторными весами 12.
Испытания и проверку результатов лабораторных исследований в хозяйственных условиях проводили с использованием изготовленной и смонтированной на транспортном средстве мобильной лаборатории (рис. 3), которая позволила провести в полевых условиях ряда регионов оценку эффективности внутрипочвенной подачи импульсов сжатого воздуха в
9
корнеобитаемые горизонты почвы с последующим внесением воды, водно-воздушных смесей и водных растворов удобрений или гидрогеля через универсальные пневмогидробуры
1 - трехканальный пневмогидробур; 2 - бункер для порошковых компонентов; 3 - кран шаровой; 4 - клапан ручной; 5 - насос роликовый; 6 - регулятор расхода с манометром; 7 -
электродвигатель привода насоса; 8 - клиноременная передача привода; 9 - бак; 10 -компрессор с ресивером; 11 - генератор электрический 220 В; 12 - расходомер жидкостный; 13 - блок управления расходомером; 14 - расходомер воздушный; 15 - блок управления; 16 -
1 - three-channel pneumatic hydrodrill; 2 - hopper for powder components; 3 - ball valve; 4 -manual valve; 5 - roller pump; 6 - flow controller with pressure gauge; 7 - electric motor of the pump drive; 8 - V-belt drive transmission; 9 - tank; 10 - compressor with receiver; 11 - electric generator 220 V; 12 - liquid flow meter; 13 - flow meter control unit; 14 - air flow meter; 15 -
Результаты и обсуждение. Анализ факторов формирования и развития процессов деградации и эрозии сельскохозяйственных земель с учетом современных представлений о физиологии растительных организмов и продукционных процессах в растениеводстве, которые базируются на концепции симбиоза растений с микроорганизмами почвы, свидетельствует об острой необходимости адекватной трансформации соответствующих технологий, технических систем и средств [1-8].
Физиологическая значимость и экологическая эффективность этих процессов обусловлена созданием на поверхностях, в тканях, клетках растений специализированных ниш для жизнедеятельности микроорганизмов почвы, которые в совокупности образуют сложные сообщества. При этом микроорганизмы почвы являются для растений донорами
[10].
JyL
Рис. 3. Технологическая схема мобильной лаборатории:
источник постоянного тока 12 В Fig. 3. Technological scheme of the mobile laboratory:
control unit; 16 - constant current source 12 V
адаптивно значимых функций, связанных с питанием и защитой от стрессов [7, 8]. Они оптимальным образом интегрируются в природную среду и естественный природный ресурсооборот посредством подачи через вертикально погружаемые в корнеобитаемые горизонты почвы пневмогидробуры импульсов сжатого воздуха, которые осуществляют рыхление, аэрирование, насыщение почвы воздухом, формируют в корнеобитаемых горизонтах полости, поры и микропустоты. Затем подача импульсов сжатого воздуха прекращается и через пневмогидробур в образовавшиеся в почве полости под давлением подаются водные растворы удобрений, микробных биопрепаратов, гидрогеля и/или пестицидов, вследствие этого обеспечивается орошение и удобрение непосредственно корневой системы растений. Гидрогель, обладая высокими абсорбирующими свойствами, в сочетании с растворами микробных биопрепаратов и удобрений создает оптимальный режим увлажнения и питания корневой системы растений. При пересыхании почвы гидрогель отдает влагу, при переувлажнении - впитывает ее [9].
На основании результатов лабораторных и полевых опытов установлены зависимости расхода и давления воздуха, воды или растворов от диаметра отверстий в наконечниках пневмогидробура и давления в системе. Зависимости имеют экспоненциальный характер и аппроксимируются в уравнение
Мв = aеpd,
где Мв - расход воды, л/мин;
а и в - коэффициенты, определяемые экспериментально;
е - число Эйлера (2,718...);
ё - диаметр сопла, мм.
При обработке результатов экспериментальных исследований получены зависимости расхода воды от диаметра сопла при различном давлении:
0,5 бар - Мв = 0,31 е 0,79^ (а = 0,31, в = 0,79);
1 бар - Мв = 0,42 е 0,768^ (а = 0,42, в = 0,768);
1,5 бар - Мв = 0,567 е 0,707^ (а = 0,567, в = 0,707);
2 бар - Мв = 0,68 е 0,67^ (а = 0,68, в = 0,67).
В результате обработки данных расхода воздуха в зависимости от диаметра отверстия наконечника при различных величинах давления в системе получена следующая зависимость [10]:
Мв = ad2 - вd + у,
где Мв - расход воздуха, л/мин;
а, в и у - постоянные коэффициенты.
Для давления 1 бар формула имеет вид: Мв = 4,86ё2 - 11,06 ё + 8;
2 бар - Мв = 7,21ё2 - 16,01ё + 10,6;
3 бар - Мв = 9,64ё2 - 21,24ё + 13,4;
4 бар - Мв = 11,93ё2 - 25,93ё + 16,8.
Экспериментами в полевых условиях с применением универсальных пневмогидробуров при выращивании подвоев яблони и на виноградниках установлено, что наиболее эффективным режимом для внутрипочвенной конденсации является введение в корнеобитаемые слои почвы смеси воздуха и воды. Через двое суток влажность почвы на глубине 0,2 м увеличилась на 13,1%; на глубине 0,4 м - на 16,6; на глубине 0,6 м - на 17,3%. Первоначальная подача сжатого воздуха обеспечила улучшение структуры почвы, расширение каналов и значительно увеличила коэффициент аэрации, а введение воды
привело к увлажнению стенок каналов и пор, понижению температуры и увеличению влагосодержания почвы за счет конденсации [8].
Варианты ручного применения пневмогидробуров (рис. 1) в виде мобильной установки (рис. 3) эффективны для личных и фермерских хозяйств, в которых небольшие объемы обработки и желательны низкие затраты за счет ручного использования с подключением насоса и компрессора от электросети или автономных электрогенераторов. Недостатками являются низкая проходимость, ограниченный объем баков с рабочей жидкостью, необходимость перемещения устройства по обрабатываемому участку, что является физически трудоемким процессом. Данные недостатки являются серьезным ограничением для крупных хозяйств. Более рационально автономное размещение и производительное решение комплекта оборудования на тракторной тележке или в кузове автомобиля с механизированным заглублением пневмогидробура в почву [10].
Более рациональным решением является разработанный роботизированный модуль-пневмогидробур, который может быть настроен на внутрипочвенное рыхление, аэрацию с последующим орошением, внесением удобрений и гидрогеля для различных культур на больших площадях.
Рис. 4. 3D-модель роботизированного модуля - пневмогидробура (работа модуля в
прикорневой зоне плодового дерева): Fig. 4. 3D model of robotic pneumatic hydrodrill module (operation in the root zone of a fruit-tree)
При включении компрессора воздух под давлением из ресивера, посредством пневматических рукавов поступает в одну из рабочих полостей пневмоцилиндра, происходит заглубление пневмогидробура. Затем гидравлический насос по шлангам высокого давления подает рабочую жидкость в почву. Происходит процесс прикорневого полива или подкормки. Управление включением и отключением компрессора, а также включением и отключением электродвигателя насоса осуществляется электронным блоком управления посредством датчиков.
Роботизированный модуль может работать в любое время суток, точно и аккуратно выполняет аэрацию, вносит растворы гидрогеля и/или удобрений, снижает воздействие на почву и корни растений, сокращает время выполнения операции и повышает производительность [11].
В соответствии с этими положениями на основании экспериментальных исследований и проведения полевых опытов разработаны и предлагаются природоподобные технологии, технические системы и средства обработки корнеобитаемых горизонтов почв (патент № 2807736 РФ, МПК А01В79/005). Они оптимальным образом интегрируются в природную среду и естественный природный ресурсооборот, посредством подачи через почву и корни
12
растении, позволяют сократить время выполнения операции и повысить производительность [12]. Разработанный природоподобный технологический процесс осуществляется устройством, схема которого представлена на рисунке 5.
Способ и устройство для обработки корнеобитаемых горизонтов почв базируются на принципах биоземледелия, формирования факторов повышения продуктивности почв и растений, устойчивости агроценозов. Плодородие почв определяется как создание, сохранение и повышение продуктивности почв в любых агроэкологических условиях; оно осуществляется путем поддержания корнеоборота растений в тесном взаимодействии с другими компонентами биоты (бактерии, грибы, водоросли, почвенные животные), воздуха и водообмена (водооборота) между живой и косной материей экосистемы [8].
Рис. 5. Устройство для внутрипочвенной обработки корнеобитаемых горизонтов почв
(Патент № 2807736 РФ, МПК А01В79/005) Fig. 5. Device for in-soil treatment of root-inhabited soil horizons (Patent of RF 2807736)
На раме с элементами навески установлены ресивер сжатого воздуха, насос и бак с растворами гидрогеля, микробных биопрепаратов и/или удобрений (не показаны). Снизу к раме с элементами навески шарнирно присоединены установленные с возможностью подъема рамные элементы 1 пассивный движитель 2, выполненный в виде замкнутой сплошной эластичной ленты 3, внутри которой на рамных элементах, шарнирно связанных с элементами навески, установлены поддерживающие колеса 4 с натяжителем ленты. По периметру ленты равномерно выполнены отверстия 5, в которых на внутренней поверхности ленты на шарнирах 6 установлены пневмогидробуры 7.
В центре движителя на рамных элементах 1 с возможностью синхронного вращения с лентой 3 установлен распределитель 8, в который поступает из ресивера сжатый воздух, а из
баков под давлением растворы гидрогеля, микробных биопрепаратов и/или удобрений. Распределитель направляет к пневмогидробурам по шлангам 9 сжатый воздух, а по шлангам 10 растворы препаратов через основной 11 и дополнительный 12 электропневмоклапаны, установленные на внутреннем конце всех пневмогидробуров. Каждый пневмогидробур 7 оснащен рычагом 13, который взаимодействует с роликовым оборачивателем 14, установленным на рамном элементе 1 в передней по ходу движения части ленты, который ориентирует соответствующий пневмогидробур 7 в положение для наиболее эффективного погружения в корнеобитаемые горизонты почв.
Ограничитель 15 нагрузки на ленту, размещенный в нижней части рамного элемента 1, прижимает шарниры 6 и ленту 3 к поверхности почвы, обеспечивая более плотный контакт и уменьшая напряжение. Лента предотвращает выход из почвы воздуха и раствора, обеспечивая равномерное рыхление и распределение раствора в почве. В случае проявления на поверхности почвы или в почве твердых включений лента или пневмогидробур воздействует на ограничитель, который передает нагрузку на рамные элементы и приподнимает движитель. Шарнирное крепление пневмогидробуров к ленте обеспечивает разворот их под безопасным углом, исключающим повреждение.
Длину движителя и глубину проникновения пневмогидробуров в почву регулируют в зависимости от толщины корнеобитаемых горизонтов и характеристики почв. Трактор с поднятым пассивным движителем подъезжает к полю, опускает движитель и начинает движение. Сначала один и последовательно остальные пневмогидробуры 7 касаются почвы и погружаются в нее на оптимальную глубину в зависимости от толщины корнеобитаемых горизонтов и характеристики почв. Импульсы сжатого воздуха проходят через пневмогидробуры, рыхлят и насыщают воздухом корнеобитаемые горизонты почв, формируя полости и микропустоты (см. рис. 1а). В момент открытия электропневмоклапана через пневмогидробур по шлангам в полости и микропустоты подаются растворы гидрогеля, микробных препаратов и/или удобрений, которые равномерно распределяются в почве (см. рис. 1б). Это обеспечивает формирование оптимальных условий для жизнедеятельности агроценозов, грибов и позволяет проводить обработки всех видов почв без оборота корнеобитаемых почвенных горизонтов, повысить продуктивность почвы, максимально сохранить биологические и экологические параметры почвы при высоком качестве, мобильности и энергоэффективности процессов обработки.
Когда лента достигает точки ее подъема и начинается последовательное извлечение из почвы пневмогидробуров, подача препаратов и импульсов сжатого воздуха прекращается. Благодаря прижимным стабилизаторам 16 пневмогидробуры занимают устойчивое положение, перпендикулярное поверхности ленты.
При этом корнеобитаемые горизонты почвы не подвергаются механическому воздействию традиционных технических систем, средств, рабочих органов: плугов, культиваторов, дискаторов, борон, и не разрушаются, а сохраняются. Формируется оптимальный воздушно-водный режим, что в полной мере соответствует естественному природному ресурсообороту растительно-почвенных микробных взаимодействий и обеспечивает реализацию системы экологически устойчивого растениеводства [13].
Предлагаемая природоподобная технология предотвращает формирование и развитие факторов и процессов деградации и эрозии сельскохозяйственных земель и обеспечивает повышение продуктивности корнеобитаемых горизонтов почвы, максимальную сохранность
биологических и экологических параметров почвы при высоком качестве, мобильности и энергоэффективности процессов обработки.
Выводы
1. Представленные концептуальные принципы создания и развития природоподобных технологий, предотвращающих формирование процессов деградации сельскохозяйственных земель, разработаны в соответствии с современными представлениями о продукционных процессах в растениеводстве и концепции симбиоза растений и микроорганизмов почвы с учетом результатов анализа и оценки факторов, влияющих на процессы деградации эрозии плодородных горизонтов земли.
2. В основополагающих представлениях земледельческой механики, основным определяющим фактором обработки почвы является крошение почвенного пласта, а главнейшей задачей современной агротехники считается характер крошения пласта различной толщины при различных условиях при посредстве клиньев всевозможной формы. При этом, как свидетельствует обширная практика и результаты анализа многочисленных исследований, именно такие приемы и средства обработки оказывают наиболее значительное негативное влияние на формирование и развитие процессов деградации и эрозии сельскохозяйственных земель и плодородие почв.
3. Разработанные технологические приемы, технические системы и средства базируются на принципиально отличных от подходов земледельческой механики физических принципах и физиологических представлениях о продукции опытных процессах в растениеводстве и направлены на повышение плодородия почв за счет обеспечения оптимальных условий сохранения и развития биоценозов, сформировавшихся при возделывании сельскохозяйственных культур в корнеобитаемых горизонтах почвы без их оборота и разрушения посредством внутрипочвенной обработки, рыхлении, аэрации, орошение, создания полостей, микропустот импульсами сжатого воздуха за счет погружения в почву пневмогидробуров и последующего орошения, внесения удобрений, пестицидов, гидрогеля.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Доклад о состоянии и использовании земель сельскохозяйственного назначения Российской Федерации в 2022 году. М.: Росинформагротех, 2023. 372 с.
2. Национальный доклад «Глобальный климат и почвенный покров России: оценка рисков и эколого-экономических последствий деградации земель. Адаптивные системы и технологии рационального природопользования (сельское и лесное хозяйство)» / Под ред. А.И. Бедрицкого. М.: Почвенный ин-т им. В.В. Докучаева, ГЕОС, 2018. 286 с.
3. Новоселов С.И. Влияние фотохимического воздействия света на подвижность гумусовых веществ и свойств почвы // Агрохимия. 2021. № 12. С. 37-41. https://doi.org/10.31857/S0002188121120097
4. Романенко Г. А., Иванов А. Л., Ушачев И. Г. и др. Проблемы деградации и восстановления продуктивности земель сельскохозяйственного назначения в России / под ред. А. В. Гордеева. М.: Росинформагротех. 2008. 67 с.
5. Методические рекомендации по выявлению деградированных и загрязненных земель (Текст по состоянию на июль 2011 г.). М.: Роскомзем, 2011.
6. Методика определения размеров ущерба от деградации почв и земель. Письмо Роскомзема от 29.07.1994. № 3-14-2/1139.
7. Тихонович И.А., Проворов Н.А. Симбиозы растений и микроорганизмов: молекулярная генетика агросистем будущего. СПб: СПбГАУ, 2009. 209 с.
8. Проворов Н.А., Тихонович И.А. Генетические основы эволюции бактерии-симбионтов растений. СПб: Информ-Навигатор. 2016. 240 с.
9. Федоренко В.Ф., Аристов Э.Г., Краховецкий Н.Н., Селиванов В.Г. Пневмогидробур. Патент РФ №2740805. Заявл. 04.04.2019. Опубл. 21.01.2021 Бюл. № 24. URL: https://www.fips.ru/registers-web/action?acName=clickRegister®Name=RUPAT
10. Мишуров Н.П., Федоренко В.Ф., Аристов Э.Г., Краховецкий Н.Н., Давыдов А.А., Золотилов В.А., Золотилова О.М., Скипор Н.В. Результаты исследований подпочвенного орошения многолетних эфиромасличных культур с использованием гидрогеля // Техника и оборудование для села. 2022. № 11. С. 11-15. https://doi.org/10.33267/2072-9642-2022-11-11-15
11. Федоренко В.Ф., Харитонов М.П., Смирнов И.Г., Аристов Э.Г. Перспективы роботизации процессов внутрипочвенного полива и подкормки растений // Агроинженерия. 2024. № 26 (1). С. 11-17. https://doi.org/10.26897/2687-1149-2024-1-11-17
12. Федоренко В.Ф. и др. Устройство для обработки корнеобитаемых горизонтов почв и способ обработки корнеобитаемых горизонтов почв таким устройством. Патент № 2807736 РФ. Заяв. 24.04.2023; опубл. 21.11.2023; бюл. № 33.
13. Мишуров Н.П., Федоренко В.Ф. и др. Инновационные технологии и технические средства для подпочвенного полива многолетних насаждений. М.: Росинформагротех, 2022. 156 с.
REFERENCES
1. Report on the state and use of agricultural land of the Russian Federation in 2022. Moscow: Rosinformagrotech. 2023. 372 p. (In Russ.)
2. Bedritsky A.I. (ed.). National report "Global climate and soil cover of Russia: assessment of risks and ecological and economic consequences of land degradation. Adaptive systems and technologies of rational nature management (agriculture and forestry)" Moscow: V.V. Dokuchaev Soil Science Institute. GEOS. 2018. 286 p. (In Russ.)
3. Novoselov S.I. Effect of photochemical exposure light on the mobility of humus substances and soil properties. Agrokhimiya = Agricultural Chemistry. 2021; 12: 37-41 (In Russ.) https://doi.org/10.31857/S0002188121120097
4. Romanenko G. A., Ivanov A. L., Ushachev I. G. et al. Problems of degradation and restoration of productivity of agricultural land in Russia. (Gordeev A. V. (ed.). Moscow: Rosinformagroteh. 2008. 67 p. (In Russ.)
5. Methodological recommendations on identification of degraded and polluted lands (Text as of July 2011). Moscow: Roskomzem, 2011. (In Russ.)
6. Methodology for determining the amount of damage from soil and land degradation. Letter of Roskomzem from 29.07.1994. № 3-14-2/1139 (In Russ.)
7. Tikhonovich I.A., Provorov N.A. Symbioses of plants and microorganisms: molecular genetics of agrosystems of the future. Saint Petersburg: SPbSAU. 2009. 209 p. (In Russ.)
8. Provorov N.A., Tikhonovich I.A. Genetic bases of evolution of plant symbiont bacteria. Saint Petersburrg: Inform Navigator. 2016. 240 p. (In Russ.)
9. Fedorenko V.F., Aristov E.G., Krakhovetsky N.N., Selivanov V.G. Pneumatic hydrodrill. Patent No. 2740805 RF. Appl. 04.04.2019. Publ. 21.01.2021 Bulletin No. 24. URL: https://www.fips.ru/registers-web/action?acName=clickRegister®Name=RUPAT
10. Mishurov N.P., Fedorenko V.F., Aristov E.G., Krakhovetskiy N.N., Davydov A.A., Zolotilov V.A., Zolotilova O.M., Skipor N.V. Results of studies of subsoil irrigation of perennial essential oil crops using hydrogel. Tekhnika i oborudovanie dlya sela = Machinery and Equipment for Rural Area. 2022;11: 11-15 (In Russ.) https://doi.org: 10.33267/2072-9642-2022-11-11-15
11. Fedorenko V.F., Kharitonov M.P., Smirnov I.G., Aristov E.G. Robotization prospects for subsurface irrigation and fertilization of plants. Agroinzheneriya = Agricultural Engineering. 2024; 26 (1):11-17 (In Russ.) https://doi.org/10.26897/2687-1149-2024-1-11-17
12. Fedorenko V.F. et al. Device for treatment of root-inhabited soil horizons and method of treatment of root-inhabited soil horizons by such a device. Patent No. 2807736 RF. Appl. 24.04.2023; publ. 21.11.2023; Bulletin No. 33.
13. Mishurov N.P., Fedorenko V.F. et al. Innovative technologies and technical means for subsurface irrigation of perennial plantations. Moscow: Rosinformagroteh, 2022. 156 p. (In Russ.)
Об авторах About the authors
Федоренко Вячеслав Филиппович академик РАН, д-р техн. наук, главный научный сотрудник, Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, 109428, РФ, г. Москва, 1 -й Институтский проезд, дом 5 vim@vim.ru, f@maro.pro; ResearcherID: A-9022-2018, ORCГО: https://orcid.org/0000-0001-6398-4463 Viacheslav F. Fedorenko Full Member of the Russian Academy of Sciences, DSc (Engineering), chief researcher, Federal Scientific Agroengineering Center VIM, 109428, Russia, Moscow, 1st Institutsky proezd, 5 vim@vim.ru, f@maro.pro; ResearcherID: A-9022-2018, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6398-4463
Заявленный вклад автора Автор выполнил все функции проекта Author'contribution Single author article - the author fulfilled all the functions in the project
Конфликт интересов Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов и несет ответственность за плагиат Conflict of interests The author declares no conflict of interests and bears responsibility for plagiarism
Автор прочитал и одобрил окончательный вариант рукописи к публикации The author has read and agreed to the published version of the manuscript.
Статья поступила в редакцию: 23.05.2024 Received: 23.05.2024
Одобрена после рецензирования: 25.06.2024 Approved after reviewing: 25.06.2024
Принята к публикации: 25.06.2024 Accepted for publication: 25.06.2024
