CC BY
0
РАЗДЕЛ 1. ОРГАНИЧЕСКОЕ СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
Научная статья УДК 631.31
О ТРАНСФОРМАЦИИ И ИНТЕГРАЦИИ В ПРИРОДНЫЙ РЕСУРСООБОРОТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ОРГАНИЧЕСКОЙ ПРОДУКЦИИ
Вячеслав Филиппович Федоренко Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, Москва, Россия
[email protected]; [email protected]; https://orciid.org/0000-0001-6395-4463
Аннотация. Анализ особенностей и тенденций развития органического сельского хозяйства с учётом современных представлений о физиологии растений, плодородии сельскохозяйственных земель и продукционных процессах в растениеводстве, свидетельствует об острой необходимости и адекватной трансформации технологий и технических систем обработки почвы. Именно они определяют формирование оптимальных и эффективных природоподобных условий симбиоза и жизнедеятельности растений с почвенными микроорганизмами и мезофауной. Физиологическая значимость и экологическая эффективность этих процессов обусловлена созданием на поверхностях, в тканях, клетках корневой системы растений специализированных ниш, которые в совокупности с микроорганизмами почвы образуют сложные сообщества и являются для растений донорами адаптивно значимых функций: питания, защиты от стрессов, сорняков, возбудителей болезней и пр. В статье представлены основные результаты исследований, обоснования и разработки технологических процессов и технических систем оптимальной интеграции в природную среду и естественный природный ресурсооборот импульсов сжатого воздуха посредством подачи через вертикально погружаемые в корнеобитаемые слои почвы пневмогидробуры. Они осуществляют рыхление, аэрирование, формируют в корнеобитаемых горизонтах полости, поры и микропустоты, в которые затем под давлением подаются водные растворы удобрений, микробных биопрепаратов, гидрогеля, вследствие этого обеспечивается орошение и удобрение непосредственно корневой системы растений.
Ключевые слова: земледелие, фотосинтез, почва, плодородие, трансформация, интеграция, природоподобный, технологический процесс, техническая система, энтропия.
Для цитирования: Федоренко В.Ф. О трансформации и интеграции в природный ресурсооборот технологических процессов и технических систем обработки почвы при производстве органической продукции // АгроЭкоИнженерия. 2024. № 3 (120). С. 4-19 https://doi.org/
Research article
Universal Decimal Code 631.31
ON TRANSFORMATION AND INTEGRATION OF TECHNOLOGICAL PROCESSES AND TECHNICAL SYSTEMS OF SOIL CULTIVATION INTO THE NATURAL RESOURCE CYCLE IN ORGANIC PRODUCTION
Viacheslav F. Fedorenko Federal Scientific Agroengineering Center VIM, Moscow, Russia
[email protected]; [email protected]; https://orciid.org/0000-0001-6395-4463
Abstract. The analysis of characteristics and trends in the development of organic agriculture taking into account the modern concepts of plant physiology, fertility of agricultural land and crop production processes, indicates the urgent need and adequate transformation of technologies and technical systems of soil cultivation. They influence the formation of optimal and effective nature-like conditions of symbiosis and life activity of plants with soil microorganisms and mesofauna. Physiological significance and ecological efficiency of these processes relies on creation of specialised niches on surfaces, in tissues, in cells of the plant root system. These niches together with the result of the life activity of soil microorganisms form complex communities and contribute to adaptively significant functions of plants: nutrition, stress, weed, and pathogen control, etc. This article presents the main results of research, substantiation and development of technological processes and technical systems for the optimal integration of compressed air pulses into the natural environment and natural resource turnover by pneumohydro drills vertically immersed in the root-inhabited soil layers. The drills loosen and aerate the soil, creating cavities, pores and micro-voids in the root horizons into which water solutions of fertiliser, microbial biopreparations and hydrogel are injected under pressure, ensuring direct irrigation and fertilisation of the plant root system.
Key words: arable farming, photosynthesis, soil, fertility, transformation, integration, nature-like, technological process, technical system, entropy.
For citation: Fedorenko V.F. On transformation and integration of technological processes and technical systems of soil cultivation into the natural resource cycle in organic production. AgroEcoEngineering. 2024; 3(120): 4-19 (In Russ.) https://doi.org/
Введение. Методология обоснования и разработки технологических процессов и технических систем обработки почвы для производства органической продукции должна опираться на сформулированные и установленные наукой и практикой закономерности взаимодействия факторов жизни растений, их симбиоза с почвенными микроорганизмами с целью обеспечения оптимальных условий максимально возможной реализации созданного генетического потенциала продуктивности выведенных и культивируемых сортов растений1. До настоящего времени основополагающие представления земледельческой механики базируются на том, что главным агротехническим приёмом земледелия является вспашка с оборотом и крошением почвенного пласта отвальными плугами различной модификации.
Однако обширная практика, результаты многочисленных исследований прежде
1 Федеральный закон № 280-ФЗ «Об органической продукции и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» от 03.08.2018 [Электронный ресурс]. https://fzrf.zu/zakon/2018-08-03-n-280-fz/ (дата обращения 20.06.2024).
5
всего в сфере физиологии продукционных процессов растениеводства, нарастающие экологические вызовы и риски свидетельствуют, что именно такие агротехнические приёмы и технические системы являются первопричиной наиболее значимого негативного влияния на сельскохозяйственные земли и земледелие в целом. Именно они формируют и развивают процессы деградации сельскохозяйственных земель; отрицательно воздействуют на круговорот воды вследствии роста интенсивности испарения, уменьшения запасов почвенной влаги, увеличения склоновых стоков; ускоряют ветровую эрозию почвы; активизируют негативное влияние фотохимического воздействия световой энергии солнца на агрохимические показатели почвы, на жизнедеятельность агроценозов, которые обеспечивают формирование плодородия почвы, накопление в ней гумуса и пр. [1, 2].
В этой связи наиболее перспективным и целесообразным является переход к агротехнологиям, техническим системам и средствам, интегрированным в природный ресурсооборот и формирующим оптимальные условия для максимальной реализации создаваемого генетического потенциала продуктивности растений, наиболее эффективного использования имеющихся в распоряжении сельскохозяйственных товаропроизводителей природно-биологических ресурсов (плодородия почв, почвенной воды, биоценозов, агроландшафтов и пр.). С целью получения максимально возможного и рационального синергетического эффекта при производстве органической продукции также необходимо создание гармоничного взаимодействия почв, сельскохозяйственных культур, технических систем и сохранения динамического равновесия экологической системы (почва - растение - атмосфера) [3 - 5].
Технологические процессы и технические системы обработки почвы эволюционировали исходя из потребностей людей, существовавших почвенно-климатических условий, особенностей вегетации возделываемых культур. Однако эти условия и особенности зачастую были недостаточно хорошо изучены и проверены, а иногда по эгоистично-экономическим или политическим причинам игнорировались; задачи гармоничного взаимодействия между технической системой, возделываемой культурой и почвой, особенно процессами жизнедеятельности почвенных микроорганизмов и мезофауны и их симбиоза с растениями, не ставились; пути оптимального решения не обосновывались [6].
В результате было неизбежным появление технологических процессов и техническим систем, сориентированных на технократическое решение, которое наиболее точно характеризуется постулатом классика экологии Б. Коммонера: «Современная техника отличается тем, что она решает проблемы до того, как становятся ясны пути их решения» [7].
Вследствие этого в земледелии особенно остро стоит проблема поиска и разработки новых, эффективных технологических принципов и технических систем природопользования для нивелирования растущих вызовов экологической и энергетической безопасности. В настоящее время состояние большинства почвенных ресурсов оценивается как посредственное, плохое или очень плохое и прогнозы указывают на дальнейшее ухудшение ситуации. Такое положение во многом обусловлено тем, что в земледелии продолжается широкое применение агротехнических приёмов и технических средств, основанных на механическом воздействии на почвенные горизонты сельскохозяйственных земель, таких как
отвальная вспашка, дискование, культивация, боронование и пр. «Главнейшая задача современной агротехники - крошение пласта различной толщины в различных условиях посредством клиньев всевозможной формы» (В.П. Горячкин) [8].
Отвальная вспашка плугом - чрезвычайно энергозатратный процесс, базирующийся на срезании, крошении и обороте пласта земли, состоящего из разнородных слоёв почвы, каждый из которых населён огромным количеством различных микроорганизмов, грибов, бактерий и пр. При обороте пласта аэробные агроценозы, адаптировавшие к жизни в верхних слоях почвы, оказываются внизу и в большинстве гибнут, а анаэробные агроценозы, существующие в глубине пласта, попадают наверх и тоже гибнут. Принципиально важно отметить, что упомянутые агроценозы своей жизнедеятельностью обеспечивают формирование плодородия почвы, накопление в ней гумуса [9].
Ежегодное интенсивное рыхление почвы нарушает динамическое равновесие экологической системы «почва - растение - атмосфера», усиливает аэрацию и активизирует процессы разложения гумуса, разрушает структуру и увеличивает непроизводительные потери плодородия почв. Например, непроизводительные потери органического углерода при формировании урожая достигают 50% [10].
Особенно значимо в этом процессе негативное влияние фотохимического воздействия световой энергии Солнца на изменения агрохимических показателей почвы [11].
В этой связи разработаны технологические процессы и технические системы, которые базируются на принципиально отличных от подходов земледельческой механики физических принципах, физиологических представлениях о продукционных процессах в растениеводстве и направлены на обеспечение оптимальных условий сохранения и развития агробиоценозов, сформировавшихся при возделывании сельскохозяйственных культур в корнеобитаемых слоях почвы без их оборота и разрушения за счёт внутрипочвенной обработки, рыхления, аэрации, создания полостей, микропустот импульсами сжатого воздуха посредством погружения в почву пневмогидробуров, последующего орошения, внесения удобрений, пестицидов, гидрогеля.
Цель исследования - обоснование концептуальных принципов перехода земледелия на технологические процессы и технические системы, интегрированные в природный ресурсооборот, повышающие плодородие почв и предотвращающие деградацию сельскохозяйственных земель за счёт оптимизации условий симбиоза растений и почвенных микроорганизмов посредством внутрипочвенного рыхления, аэрации импульсами сжатого воздуха корнеобитаемых слоёв почвы и последующего их орошения, удобрения, внесения гидрогеля.
Материалы и методы. Исследования проводились на основе анализа теоретических и практических результатов изучения и оценки закономерностей и эмпирического понимания необходимости перехода земледелия к природоподобным технологическим процессам и техническим системам, интеграции их в естественный ресурсооборот, предотвращения формирования и развития деградации и эрозии сельскохозяйственных земель, на основании современных принципиальных представлений о физиологии растительных, почвенных организмов, базирующихся в настоящее время на концепции симбиоза растений и почвенных биоценозов и
разработки технологических параметров, технических характеристик, потребительских свойств, технических систем и средств для внутрипочвенной обработки, рыхления, аэрации, орошения, внесения удобрений и гидрогеля в корнеобитаемые слои почвы [12, 13].
Основные методы выполнения научно-исследовательских работ - это анализ, обобщение информационных, статистических и экспериментальных сведений, проведение лабораторных и полевых исследований. В процессе исследований разработаны и защищены патентами две конструкции пневмогидробуров.
Первый пневмогидробур обеспечивает возможность раздельной подачи под давлением воздуха, аэрозоля в виде смеси воздуха, растворов удобрений, микробных биопрепаратов при использовании комбинированных наконечников в требуемых пропорциях (рис. 1).
а) а) б) b)
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) Второй пневмогидробур с защитным устройством обеспечивает возможность установки и регулирования заданной глубины погружения в слои почвы и предотвращает обратный выброс воздуха или аэрозоля через щель между поверхностью почвы и стволом пневмогидробура (рис. 2).
Рис. 2. Пневмогидробур с замкнутым устройством: 1 - ствол с наконечником; 2 - рукоятка; 3 - штуцеры подведения; 4 - защитное устройство (Патент № 2802309 РФ, МПК, А01С 23/02) Fig. 2. Closed-circuit pneumatic hydrodrill:
1 - cylinder with a tip; 2 - handle; 3 - supply connections; 4 - protective device (Patent of RF 2802309)
Испытания и проверку результатов лабораторных исследований в хозяйственных условиях проводили с использованием изготовленных и смонтированных в кузове автомобиля и тракторного прицепа мобильных лабораторий, которые позволили провести в полевых условиях ряда регионов оценку эффективности внутрипочвенной подачи импульсов сжатого воздуха в корнеобитаемые горизонты почвы с последующим внесением водно-воздушных смесей и водных растворов удобрений, пестицида, гидрогеля через универсальные пневмогидробуры (рис. 3).
а) a)
б)Ъ)
Рис. 3. Мобильные лаборатории: а) - в агрегате с трактором; б) - смонтированный на платформе автомобиля: 1 - насосная станция с баком для воды; 2 - регулятор-распределитель;
3 - компрессор с ресивером; 4 - генератор Fig. 3. Mobile laboratories: а) a) - coupled with a tractor; б) b) - truck-mounted: 1 - pumping station with a water tank; 2 - distributor and controller;
3 - compressor with receiver; 4 - electric generator
Результаты исследований и обсуждения. Из анализа особенностей и требований к производству органической продукции с учётом тенденций трансформации технологических процессов и технических систем обработки почвы и современных вызовов и рисков следует главная, основополагающая задача земледелия - сохранение для будущих поколений окружающей природной среды и почв России
[13].
Результаты исследований свидетельствуют, что чем интенсивнее происходит поверхностная, механическая обработка и чем чаще она применяется, тем разрушительнее воздействие на структуру гумуса и плодородие почв [14].
Почва - накопитель и среда для циркуляции подземных почвенных вод, произрастания корней растений, обитания почвенных биоценозов и основа жизни для
9
всех организмов, обитающих на суше. Она - главнейший компонент экосистемы нашей планеты; была и остаётся основой преобладающего большинства типов и видов сельскохозяйственной деятельности человечества. Это сложная саморегулирующаяся поликомпонентная единая бионосная система, которая формировалась миллионы лет в результате взаимодействия отдельных минеральных частиц с органическим веществом, водой, газами посредством биотических и абиотических процессов. Это приводит к слипанию частиц и образованию агрегатов большего размера разных форм, разделённых порами или пустотами. Наличие почвенных агрегатов мелкокомковатой, зернистой структуры от 1 мм до 10 мм и более свидетельствует о полной развитости почты в качественном измерении [15].
В процессе развития с течением времени формируется почвенный профиль -специфический слой почвенного профиля, образовавшегося в результате воздействия почвообразовательных процессов при формировании почв и отличающегося от других по морфологическим признакам, составу и свойствам [16].
Эти базовые представления о процессах формирования почв являются основой адекватного обоснования физических принципов и агротехнических требований, на которые нужно опираться и соблюдать при разработке процессов и технических систем обработки почвы, интегрированных в природный ресурсооборот. Исторически основным фактором, стимулирующим развитие земледелия, был рост численности населения, которое требовало адекватного увеличения объёмов производства продовольствия. Наиболее быстро и эффективно это решалось увеличением площадей сельскохозяйственных угодий и повышением урожайности посевов, прежде всего за счёт более совершенных процессов обработки почвы (рис. 4).
Рис. 4. Схема эволюции технологических процессов и технических систем
обработки почвы в земледелии Fig. 4. Evolution scheme of technological processes and technical systems of soil tillage in
agriculture
Этим требованиям наиболее соответствовал отвальный плуг, который переворачивал верхнюю часть пахотного слоя в борозду, а на поверхности укладывал нижний, рыхлый плодородный слой. На первых порах отвальная вспашка
способствовала сохранению в почве влаги и полезных микроорганизмов, уничтожению сорняков и вредителей культурных растений.
Однако плужная обработка почвы требовала значительно более высоких энергетических затрат, чем предыдущие технологии земледелия. Поэтому начали использовать энергию тягловых животных, а затем тракторов. Повышение урожайности осталось важнейшим требованием и экстенсивный путь развития земледелия, основанный на типично технократических технологиях, казался единственно правильным. Работал принцип максимума производства энтропии, требующий использования в сельском хозяйстве все больших ресурсов -энергетических, почвенных, водных [17].
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 плодородия сельскохозяйственных земель и их деградация.
Анализ исследований и производственного опыта свидетельствует, что основным, наиболее распространенным агротехническим приёмом и средством регулирования режимов интенсивности биологических процессов и фитосанитарного состояния сельскохозяйственных земель является механическая обработка (вспашка, культивация, дискование, боронование и др.), разрушающая сформировавшиеся в процессе выращивания сельскохозяйственных культур корнеобитаемые горизонты почвы. Корни растений в процессе жизнедеятельности формируют органический каркас почвенной структуры, который обеспечивает биоту почвы органическим питанием и формирует гумусовый компонент сельскохозяйственных земель.
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.
В природной экосистеме корни предшествующих растений, представители мезофауны (почвенные животные и насекомые, дождевые черви и др.) образуют микропустоты, полости, которые способствуют сохранению естественной структуры, плотности, увеличению пористости и аэрации, развитию процессов инфильтрации, способности аккумулировать и удерживать внутрипочвенную воду.
Многочисленные исследования отечественных [6, 8, 10, 15] и зарубежных [7, 8, 16] учёных и обширная практика перехода земледелия с середины прошлого века на нетрадиционные технологии обработки почвы: адаптивные, почвозащитные, природоохранные, минимальные, нулевые, «green», свидетельствуют, что эти агротехнологии характеризуются более экономичными способами обработки почвы, частичным или полным отказом от отвальной вспашки, отсутствием вертикального перемешивания пахотного слоя. минимальным нарушением почвенного покрова сельскохозяйственными машинами и обязательным мульчированием почвы («no-till» или «mulch tillage») с целью сохранения почвенной влаги и уменьшения эрозии.
На основании анализа результатов моделирования природных процессов жизнедеятельности почвенных микроорганизмов и мезофауны, с учётом результатов экспериментальных исследований разработан процесс и изготовлены пневмогидробуры с возможностью внутрипочвенной раздельной подачи под давлением воздуха, воды или
аэрозоля в виде смеси воздуха, растворов удобрений и гидрогеля (при использовании комбинированных наконечников) в требуемых пропорциях (рис. 1, 2, 3).
Разработанные технологические процессы, технические системы и средства оптимальным образом интегрируются в природную среду и естественный природный ресурсооборот. Посредством подачи через вертикально погружаемые в корнеобитаемые слои почвы пневмогидробуры импульсов сжатого воздуха, которые способствуют рыхлению, аэрированию, насыщению корнеобитаемых слоёв почвы воздухом, формируются полости, поры и микропустоты. Затем подача импульсов сжатого воздуха прекращается и через пневмогидробур в образовавшиеся в почве полости под давлением подаются водные растворы микробных биопрепаратов или удобрений, гидрогеля, обеспечивая орошение и удобрение непосредственно корневой системы растений.
Гидрогель, обладая высокими абсорбирующими свойствами, в сочетании с растворами микробных биопрепаратов и удобрений создаст оптимальный режим увлажнения и питания корневой системы растений. При пересыхании почвы гидрогель отдаёт влагу, при переувлажнении - впитывает её.
Варианты ручного применения пневмогидробуров с использованием мобильных установок (рис. 3) эффективны для личных и фермерских хозяйств, в которых небольшие объёмы обработки и желательны низкие затраты за счёт 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 трудоёмким процессом. Данные недостатки являются серьёзным 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.
Более рациональным и эффективным решением является разработанный и изготовленный на опытном производстве ФГБНУ ФНАЦ ВИМ роботизированный гидропневматический инъектор, предназначенный для внутрипочвенного полива и внесения питательных веществ на основе полимерных гидрогелей в корневую зону многолетних культур (плодовые, ягодные, виноградники, эфиромасличные, декоративные растения) (рис. 5, таблица).
а) а) б) Ь)
Рис. 5. Роботизированный гидропневматический инъектор: а) - общий вид роботизированной платформы с инъектором;
б) - общий вид инъектора (элементы и технические характеристики представлены в
таблице)
Fig. 5. Robotic hydropneumatic injector: a) - general view of the robotic platform with injector; b) - general view of the injector (elements and technical characteristics are presented in the
table)
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 подаёт 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.
Применение роботизированного инъектора позволяет осуществлять внутрипочвенную подкормку многолетних культур по электронной карте задания с автоматической регулировкой режимов внесения питательных веществ на глубину корнеобитаемого слоя до 60 см без непосредственного участия человека. Преимуществом является адресное внесение и экономия препаратов для подкормки многолетних насаждений на всех стадиях развития, а также работа в любое время суток, точное и аккуратное выполнение аэрации и внесения растворов гидрогеля или удобрений, снижение воздействия на почву и корни растений, сокращение времени выполнения операции и повышение производительности.
Таблица. Основные технические параметры Table. Basic technical parameters
Показатели Значение
1 Габаритные размеры (ДхШхВ), м 2,89x2,55x2,23
2 Глубина погружения, мм до 600
3 Давление рабочей жидкости при погружении, бар до 7
4 Давление при внесении минеральных удобрений и раствора гидрогеля, бар 4-5
5 Давление воздуха в системе, бар до 10
6 Угол введения гидробура в почву*, град. От 0 до 30° с шагом 5°
7 Объём бака для рабочих жидкостей, л 120
8 Объём бака для воды при погружении лунок, л 120
9 Способ заглубления пневмогидробура Посредством пневмоцилиндра
* Бур направлен вертикально вниз - 0°.
На основании результатов экспериментальных исследований, полевых опытов, разработаны природоподобные технологические процессы и технические системы внутрипочвенной обработки, аэрации, орошения, удобрения корнеобитаемых слоёв
почвы с применением гидрогеля, которые интегрированы в природный ресурсооборот и защищены патентами на изобретение: «Пневмогидробур» (Патент № 2740805), «Пневмогидробур с защитным устройством» (Патент № 2802309), «Устройство для обработки корнеобитаемых горизонтов почв и способ обработки корнеобитаемых горизонтов почв таким устройством» (Патент № 2807736), «Способ и устройство определения границ распределения влаги в почве при внутрипочвенном точечном ее внесении» (Патент № 2812537).
Кроме этого, разработан технологический процесс, который осуществляется устройством, схема которого представлена на рис. 6 (Патент № 2807342 РФ, МПК А01В79/005).
1 2 3 5 4
Рис. 6. Устройство для внутрипочвенной обработки корнеобитаемых горизонтов почв
(Патент № 2807736 РФ, МПК А01В79/005) Fig. 6. Device for in-soil treatment of root-inhabited soil horizons (Patent of RF 2807736) На раме 1 с элементами навески установлены компрессор 2, ресивер 3, насос 4 и закрытые баки 5 с гидрогелем, растворами микробных биопрепаратов и/или удобрений. Снизу к раме шарнирно присоединены рамные элементы 6 с движителем 7, выполненным в виде замкнутой сплошной эластичной ленты 8, внутри которой установлены поддерживающие колеса 9 с натяжителем (не показан) ленты. Внутренняя поверхность ленты выполнена в виде гофрированных эластичных герметичных емкостей-распределителей сжатого воздуха 10 и растворов 11 (не показаны), между которыми размещены пазухи 12. Все герметичные емкости-распределители сжатого воздуха и растворов связаны между собой. По периметру в ленте равномерно выполнены отверстия 13, сопряжённые с пазухами, в которых установлены пневмогидробуры 14, соединённые с пневмоцилиндрами 15.
В центре движителя установлены регулятор-стабилизатор давления 16, который связывает шлангами 17 и электропневмоклапаном 18 ресивер 3 с
емкостью-распределителем сжатого воздуха и закрытые баки 5 шлангами 19 и электропневмоклапаном 20 - с емкостями-распределителями растворов. Каждый пневмогидробур связан шлангами 21 и электропневмоклапаном 22 с емкостью-распределителем сжатого воздуха, а шлангами 23 и дополнительным электропневмоклапанами 24 - с емкостями-распределителями растворов 11. Каждый пневмоцилиндр связан шлангом 25 и электропневмоклапаном 26 с емкостью-распределителем сжатого воздуха и оснащен выключателем 27 (не показан) электропневмоклапана и роликом 28, взаимодействующим с жестко закрепленным в нижней части рамного элемента ограничителем нагрузки 29 на ленту. В начале, конце и в средней части ограничителя нагрузки установлены переключатели 30.
На краю поля движитель опускают на поверхность почвы, включают подачу электроэнергии и электропневмоклапаны 26, открывают подачу сжатого воздуха по шлангам 25 из емкости-распределителя. Пневмоцилиндры погружают пневмогидробуры, находящиеся в нижней рабочей зоне ленты, вертикально в почву. При движении ленты очередной пневмоцилиндр достигает переключателя и цикл повторяется, погружая следующий пневмогидробур в почву.
При достижении нижней точки открывается электропневмоклапан 22 и по шлангам 21 через погруженные в почву пневмогидробуры подают в импульсном режиме сжатый воздух, что способствует аэрации корнеобитаемых слоёв почвы, формированию почвенных пор, полостей и микропустот.
Когда пневмоцилиндр достигает средней части ограничителя нагрузки, очередной переключатель воздействует на выключатель, который открывает электромагнитный клапан 24 и по шлангам 23 через пневмогидробуры подаёт в образовавшиеся почвенные поры, полости и микропустоты растворы гидрогеля, микробных биопрепаратов и/или удобрений.
Когда лента, двигаясь, достигает точки подъёма, выключатель очередного пневмоцилиндра взаимодействует с переключателем, подача сжатого воздуха и растворов прекращается, пневмогидробуры поднимают, извлекают из почвы и размещают в пазухах.
В процессе обработки давление сжатого воздуха и растворов в емкостях-распределителях падает. При достижении критического уровня открывается электроклапан, из ресивера по шлангам 17 регулятор-стабилизатор подаёт сжатый воздух в емкость-распределитель до достижения соответствующего давления. В емкостях-распределителях раствора открываются электропневмоклапаны 20, из закрытых баков по шлангам 19 через регулятор-стабилизатор подаются под давлением растворы до достижения соответствующего давления.
Длину пассивного движителя, глубину погружения пневмогидробуров в корнеобитаемые слои почвы, давление в емкостях-распределителях регулируют и устанавливают в зависимости от характеристики почвы и вида растений (толщины корнеобитаемого слоя). При работе с плотными почвами целесообразно использовать составной пневмогидробур со сменными стволами разного диаметра, а подачу воды, растворов (удобрений и средств защиты растений) и сжатого воздуха производить как раздельно, так и одновременно. Биопрепараты могут вноситься в почву поярусно (на разную глубину).
Предлагаемая природоподобная технология формирует оптимальные условия
жизнедеятельности агроценозов (корнеобитаемые слои почвы не подвергаются механическому воздействию традиционных технических систем и средств), позволяет повысить продуктивность почвы, максимально сохранить её биологические и экологические параметры.
При переходе на подобные технологические процессы и технические системы почва не утрачивает свои продукционные функции, а по характеру обмена веществ и энергии, водно-тепловому режиму и содержанию основных почвообразовательных процессов адаптируется и интегрируется в процессы природного ресурсооборота, при которых невозможны эрозия, другие деградационные процессы. Формируются бездефицитные балансы биофильных элементов. Создаётся эффективный тип устойчивого землепользования, обеспечивающий гармоничное соотношение между антропогенной нагрузкой и природным потенциалом почвы для восстановления полноценного продукционного и органического земледелия.
Таким образом, анализ процессов производства органической продукции, формирования почвы, эволюции земледелия, развития принципиальных представлений о физиологии и симбиозе растительных, почвенных агроценозов, их отношений с окружающей средой с учетом результатов проведенных экспериментальных, лабораторных исследований в хозяйственных условиях, оценки тенденций развития антропогенных факторов биосферы земли, природных процессов жизнедеятельности почвенной мезофауны, и фундаментального принципа производства энтропии позволяет сделать следующие выводы.
Выводы. 1. Сформированные концептуальные подходы к обработке почвы при производстве органической продукции позволили разработать принципиально новые технологические процессы и технические системы, интегрированные в природный ресурсооборот и соответствующие современным представлениям о продукционных процессах в растениеводстве, концепции симбиоза растений и микроорганизмов почвы, с учётом процессов жизнедеятельности почвенной мезофауны, результатов анализа и оценки факторов, влияющих на процессы деградации и эрозии плодородных слоёв земли.
2. Основополагающие представления земледельческой механики, базирующиеся на постулате, что определяющим фактором обработки почвы является крошение почвенного пласта под воздействием механических рабочих органов и прежде всего отвального плуга, а главнейшая задача современной агротехники - крошение пласта различной толщины в разных условиях посредством клиньев всевозможной формы, в настоящее время не актуальны и не соответствуют требования органического сельского хозяйства.
3. Разработанные технологические процессы и технические системы базируются на принципиально отличных от подходов земледельческой механики физических принципах, физиологических представлениях о продукционных процессах в растениеводстве и направлены на обеспечение оптимальных условий сохранения, развития агробиоценозов, сформировавшихся при возделывании сельскохозяйственных культур в корнеобитаемых слоях почвы без их оборота и разрушения за счёт внутрипочвенной обработки, рыхления, аэрации, создания полостей, микропустот импульсами сжатого воздуха посредством погружения в почву пневмогидробуров,
последующего орошения, внесения удобрений, микробных биопрепаратов, гидрогеля, в полной мере соответствуют требованиям органического земледелия.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Концептуальные основы развития рынка органической продукции России: моногр. в 2 ч. / Под общ. ред. акад. РАН Н.К. Долгушкина и А.Г. Папцова. М.: РАН. 2018. Ч. 1. 172 с.
2. Федоренко В.Ф., Брюханов А.Ю., Захаров А.М., Мурзаев Е.А. Концептуальные основы развития органического производства сельскохозяйственной продукции // Техника и оборудование для села. 2024. № 1 (319). С. 2-7. https://doi.org/10.33267/2072-9642-2024-1-2-7
3. Максимов Д.А., Валкама Е., Минин В.Б., Ранта-Корхонен Т., Захаров А.М. Подходы к освоению органического земледелия // АгроЭкоИнженерия. 2020. № 4 (105). С. 101-113. https://doi.org/10.24411/0131-5226-2020-10270
4. Евдокимова Н.А., Захаров А.М., Максимов Д.А. и др. Технологии органического производства сельскохозяйственной продукции растениеводства в условиях Северо-Западного региона Российской Федерации // Материалы международного проекта EFSOA. «Экологически дружественное умное органическое сельское хозяйство». СПб.: ИАЭП-филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ. 2021. 140 с.
5. Органическое сельское хозяйство: инновационные технологии, опыт, перспективы: науч. аналит. обзор. М.: Росинформагротех. 2019. 92 с.
6. Бобровский М.В., Гин А. Земледелие в Европе. Хронология скартинками // ТРИЗ-профи: Эффективные решения в сельском хозяйстве. 2007. [Электронный ресурс] URL: https://trizway.com/content/007_ymy.pdf (дата обращения 20.06.2024)
7. Коммонер Б. Замыкающийся круг. Л.: Гидрометеоиздат. 1974. 274 с.
8. Бараев A.H и др. Почвозащитное земледелие. М.: Колос. 1995. 574 с.
9. Гумилев Л. Этногенез и биосфера Земли. М.: ТанаисДи-Дик, 1994. 640 с.
10. Овсинский И.Е. Новая система земледелия / Перепечатка публикации 1899 г. (Киев, тип. С.В. Кульженко). Новосибирск: АГРО-СИБИРЬ. 2004. 86 с.
11. 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
12. Проворов Н.А., Тиханович И.А. Генетические основы эволюции бактерии-симбионтов растений. СПб: Информ-Навигатор. 2016. 240 с.
13. Менделеев Д.И. С думою о благе российском: Избранные экономические произведения. Новосибирск: Наука, 1991. 231 с.
14. Новоселов С.И., Завалин А.А. Роль фотохимического фактора в деструкции гумусовых веществ почвы // Агрохимия. 2013. № 1. С. 50-55. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=18328428
15. Иванов Л.И. Терентий Мальцев - народный академик. М.: Советская Россия. 1977. 224 с.
16. Faulkner E.H. Plowman's Folly. Norman: University of Oklahoma Press. 2012. 174 p. URL: https://books.google.m/books?id=7uwVBgAAQBAJ&printsec=frontcover&source=gbs_Vie wAPI&hl=en&redir_esc=y#v=onepage&q=soil%20profile&f=false
17. Циглер Г. Экстремальные принципы термодинамики необратимых процессов и механика сплошной среды. М.: Мир, 1966. 136 с.
REFERENCES
1 Conceptual bases for the development of the organic products market in Russia: monograph, in two parts / Dolgushkin N.K., Paptsov A.G. (eds.). Moscow: Russian Academy of Sciences. 2018. Part 1. 172 p. (In Russ.)
2 Fedorenko V.F., Bryukhanov A.Yu., Zakharov A.M., Murzaev E.A. Conceptual basis for the development of organic agricultural production. Tekhnika i oborudovanie dlya sela = Machinery and Equipment for Rural Area. 2024;1 (319):2-7. (In Russ.) https://doi.org/10.33267/2072-9642-2024-1-2-7
3 Maksimov D.A., Valkama E., Minin V.B, Ranta-Korhonen T., Zakharov A.M. Approaches to harnessing organic agriculture. AgroEkolnzheneriya = AgroEcoEngineering. 2020; 4 (105):101-113 (In Russ.) https://doi.org/10.24411/0131-5226-2020-10270
4 Evdokimova N.A., Zakharov A.M., Maksimov D.A. et al. Technologies of organic production of agricultural crop production in the conditions of the North-West region of the Russian Federation. In: Environmentally friendly smart organic agriculture. Proc. Int. Project EFSOA. Saint Petersburg: IEEP-branch of FSAC VIM. 2021. 140 p. (In Russ.)
5 Organic agriculture: innovative technologies, experience, prospects: scientific analytical review. Moscow: Rosinformagrotekh. 2019. 92 p. (In Russ.)
6 Bobrovsky M.V., Gin A. Farming in Europe. Chronology with pictures. TRIZ Pro: Effective Solutions in Agriculture. 2007. [online] URL: https://trizway.com/content/007_ymy.pdf (accessed 20.06.2024). (In Russ.)
7 Commoner B. The Closing Circle: Nature, Man, and Technology. Random House Inc. 1971. 326 p. (In Eng.) (Russ. Ed: Kommoner B. The Closing Circle. Leningrad: Gidrometeoizdat. 1974. 274 p.)
8 Baraev A.I. et al. Soil-protective farming. Moscow: Kolos. 1995. 574 p. (In Russ.)
9 Gumilev L. Ethnogenesis and Biosphere of the Earth. Moscow: TanaisDee-Dick. 1994. 640 p. (In Russ.)
10 Ovsinsky I.E. New system of land husbandry / Reprint of the publication of 1899 (Kiev, S.V. Kulzhenko Printing House). Novosibirsk: AGRO-SIBERIA. 2004. 86 p. (In Russ.)
11 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
12 Provorov N.A., Tikhanovich I.A. Genetic bases of evolution of plant symbiont bacteria. Saint Petersburg: Inform Navigator. 2016. 240 p. (In Russ.)
13 Mendeleev D.I. Thinking about the Good of Russia: Selected Economic Papers. Novosibirsk: Nauka, 1991. 231 p. (In Russ.)
14 Novoselov S.I., Zavalin A.A. Role of photochemical factor in the destruction of soil humic substances. Agrokhimiya = Agricultural Chemistry. 2013; 1:50-55 (In Russ.) URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=18328428
15 Ivanov L.I. Terenty Maltsev is People's Academician. Moscow: Soviet Russia. 1977. 224 p. (In Russ.)
16 Faulkner E.H. Plowman's Folly. Norman: University of Oklahoma Press. 2012. 174 p. (In Eng.) URL:
https://books.google.ru/books?id=7uwVBgAAQBAJ&printsec=frontcover&source=gbs_Vie wAPI&hl=en&redir_esc=y#v=onepage&q=soil%20profile&f=false
17 Ziegler H. Some extremum principles in irreversible thermodynamics, with application to continuum mechanics. Progress in Solid Mechanics. 1963; 4:93-193 (In Eng.) (Russ. ed.: Tsigler G. Extreme principles of thermodynamics of irreversible processes and continuum mechanics. Moscow: Mir Publ. 1966. 136 p.)
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 [email protected], [email protected]; ResearcherID: А-9022-2018, ORCID: 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 [email protected], [email protected]; ResearcherlD: 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: 20.08.2024 Received: 20.08.2024
Одобрена после рецензирования: 8.10.2024 Approved after reviewing: 8.10.2024
Принята к публикации: 8.10.2024 Accepted for publication: 8.10.2024
Обзорная статья УДК 631.9
ОРГАНИЧЕСКОЕ СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО В РОССИИ: ВЫЗОВЫ И
ВОЗМОЖНОСТИ
Вячеслав Александрович Войтюк1, Ольга Вячеславовна Кондратьева2^,
Олеся Викторовна Слинько
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Российский научно-исследовательский институт информации и технико-экономических исследований по инженерно-техническому обеспечению агропромышленного комплекса» ФГБНУ «Росинформагротех» р.п. Правдинский, Московская обл., Россия
19
