Технологические и экономические аспекты рекультивирования вторично уплотненных почв на мелиорируемых землях Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

Технологии и средства механизации

УДК 502/504 : 631.311 : 631.4

З. М. МАММАЕВ, О. Ф. ПЕРШИНА

Государственное научное учреждение

Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации имени А. Н. Костикова

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РЕКУЛЬТИВИРОВАНИЯ ВТОРИЧНО УПЛОТНЕННЫХ ПОЧВ НА МЕЛИОРИРУЕМЫХ ЗЕМЛЯХ

Представлена информация о мелиоративном состоянии минеральных земель в Нечерноземной зоне Российской Федерации, о динамике процессов их эксплуатации и о методах предотвращения и устранения таких негативных явлений, как переуплотнение и вторичное уплотнение подпочвенных слоев. Приведены характеристики рыхлителей, обоснованные технологические и экономические показатели процессов рыхления.

Плотность почв, переуплотнение, вторичное уплотнение, тяговое усилие, машиноемкость культур, эффективность рыхления.

There is given information on the meliorated state of mineral lands in the Non-chernozem (Non-black soil) area of the Russian Federation, on the dynamics of processes of their exploitation and methods of prevention and elimination of such negative phenomena as overcompaction of subsoil layers. There are given characteristics of rippers, substantiated technological and economic indicators of loosening processes.

Density of soils, overcompaction, second compaction, drag force, machine capacity of crops, effectiveness of loosening.

Меры по оструктуриванию тяжелых рыхление), составляет около 1,5 млн га [1]. почв как агромелиоративное мероприятие По проведению агромелиоративных

занимают существенное место при осуше- мероприятий в Российской Федерации и

нии и освоении земель. В комплексе европейских странах накоплен достаточ-

таких мер глубокое рыхление имеет перво- но богатый опыт в области технологий и

степенное значение, так как оно способ- технических средств. Однако в последние

ствует улучшению водно-воздушного и десятилетия в процессе многолетней экс-

температурного режимов тяжелых почв плуатации осушаемых земель возникла

и усилению действия закрытого дренажа, новая проблема переуплотнения и по-

особенно в весенне-осенний период пере- вторного уплотнения почв под воздей-

увлажнения земель. ствием техногенных нагрузок, которые

В регионах России, где земли ин- резко ухудшают мелиоративное состоя-

тенсивно используются в растениеводстве ние земель.

(Нечерноземная зона России), тяжелые По данным Белорусского института

почвы занимают до 40 %. Фонд земель с мелиорации и луговодства (1989) и Всерос-

тяжелыми почвами, на которых требуется сийского научно-исследовательского инсти-

проведение соответствующих агромелио- тута гидротехники и мелиорации имени

ративных мероприятий (в первую очередь А. Н. Костякова, за сельскохозяйственный

сезон мелиоративные, сельскохозяйственные, транспортные машины проходят по одному и тому же следу от 8 до 15 раз, подвергая почву массированному воздействию вертикальных нагрузок и вызывая их переуплотнение и вторичное уплотнение на глубину от 20 до 50...60 см, что ведет к разрушению структуры пахотного и подпахотного горизонтов. В этих условиях плотность почвы выступает как фактор плодородия. Мероприятия по борьбе с переуплотнением почв позволяют привести их обработку к минимальному значению по глубине.

И. С. Рабочев, академик ВАСХНИЛ, утверждает, что оптимальная плотность почвы должна находиться в пределах 1,1.1,3 г/см3. При плотности почвы, большей или меньшей на 0,1.0,2 г/см3 по сравнению с названными цифрами, урожай культур снижается. Если уплотнение почвы больше, урожай резко падает. Обусловленное этими факторами снижение урожайности некоторых культур доходит до 50 %.

Для борьбы с генетической плотностью так называемых тяжелых (глинистых, тяжелых, среднесуглинистых), переуплотненных и вторично уплотненных (в том числе легких суглинков) почв разработаны технологии их оструктуривания и комплекс средств механизации для мелиоративного

глубокого и среднеглубокого рыхления.

Технологии базируются на разрушении плотных и переуплотненных почв, особенно подпочвенных слоев, которые препятствуют миграции воздуха, влаги, питательных веществ и теплоты в нижележащие слои и замедляют почвообразовательные процессы. Разрушение достигается параллельными и взаимно перпендикулярными проходами стоечных навесных рыхлителей с подрезающими лемехами. Семейство таких рыхлителей создано во Всероссийском научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации имени А. Н. Костякова и в зависимости от тягового класса трактора имеет от 1 до 3 стоек (табл. 1). Рыхлители имеют оптимизированные с точки зрения тягового сопротивления геометрические формы и размеры рабочих органов и укомплектованы дополнительными средствами для кротования и щелевания [2].

Рыхлители прошли ведомственные приемочные испытания и рекомендованы к серийному производству и выпуску опытными партиями. Например, рыхлитель РС-0,8 выпущен общим количеством более 1200 экземпляров и успешно работал в России, Латвии, Литве, Эстонии, Украине, Белоруссии, в Азербайджане и т. д.

Таблица 1

Технические и эксплуатационно-технологические показатели рыхлителей

Показатель Рыхлитель

РС-0,8 РС-0,6 ЩРК-0,6

Базовый трактор Колесный Колесный Колесный

и гусеничный и гусеничный кл. 1, 4

кл. 5, 6, 10 кл. 3, 4

Тип агрегатирования Навесной Навесной Навесной

Число стоек 3 2 1

Расстояние между стойками, м 0,9 1,0 -

Глубина рыхления, м 0,8 0,6 0,6

Ширина рыхления, м 0,8 0,6 0,6

Дополнительное оборудование к рыхлителям Кротователь Кротователь Кротователь-щелерез

Ширина лемеха рыхлителя, см 20,00 20,00 15

Диаметр кротователя, см 8,00 6,00 6,00

Ширина щелевателя, см - - 3,00

Качество крошения почвы, % по

фракциям:

более 200 мм 15,80 11,40 12.21,00

100.200 мм 21,90 20,80 16,00

50.100 мм 23,80 25,70 17.25,00

менее 50 мм 38,50 42,10 35.55,00

Коэффициент полноты рыхления 0,67 0,63 0,62.0,68

Коэффициент разрыхления почвы 1,27 1,21 1,13.1,20

Производительность техническая,га/ч 0,80 0,65 0,47

Масса навесного оборудования, кг 1080,00 750,00 98,00

182-

№ 5' 2012

Рыхлители РС-0,6 и ЩРК-0,6 выпущены опытными партиями и хорошо зарекомендовали себя при реструктурива-нии вторично уплотненных почв как на осушаемых, так и на орошаемых землях.

Основной показатель мелиоративной техники - это производительность. Производительность рыхлителей базируется на исследованиях тягово-транспортных средств (тракторов), на анализе сил сопротивления рыхлению вторично уплотненных почв.

Тяговое усилие пассивных грунторе-жущих орудий определяется по формуле А. Н. Зеленина [3]:

) р„, а)

180°

F = 5000Сй1'3б(1 + 10в)(1 -

где F - тяговое сопротивление почв резанию (рыхлению), Н; С - число ударов динамического плотномера (ударника) ДорНИИ - показатель сопротивляемости грунтов разрушению; к - глубина резания, м; 5 - толщина режущего профиля, м; а -угол резания, град; Р0 - коэффициент, зависящий от угла Р заострения режущего профиля (при р = 180°; 120°; 90°; 60° Р0 = 1,0; 0,95; 0,91; 0,83 соответственно).

Формула А. Н. Зеленина применима в основном для однородных грунтов в почвенном разрезе и используется для оценки сил сопротивления резанию в строительных отраслях. В сельском хозяйстве мы имеем дело, как минимум, с двумя резко отличными по физико-механическим характеристикам слоями почвогрунтов: верхним рыхлым пахотным горизонтом и нижним плотным и вторично уплотненным горизонтом в пределах 40... 50 см от подошвы пахотного слоя. Двухслойность обрабатываемых горизонтов обусловлена технологией производства мелиоративных и агротехнических работ и возникающими при этом техногенными нагрузками. Регулярной ежегодной обработкой почвенный слой постоянно поддерживается в рыхлом состоянии, а нижний уплотненный слой подвергается рыхлению периодически, через 2-4 года (цель - реструктуривание, так как плотность его достигает 1,5.1,7 г/см3).

Поскольку формула (1) справедлива только для однородных грунтов, то применение ее для расчета усилий в двухслойной среде недостаточно корректно и может привести к просчетам как в конструкторских, так и в технологических расчетах.

В качестве расширения предела применения формулы (1) в сельском хозяйстве

с распространением ее действия на двухслойные грунты предлагается следующий метод приведения двухслойного грунта к грунту однослойному. На рис. 1 представлена принципиальная схема сложения почвогрунта, где рыхлению подлежит суммарный слой на глубину к = к1 + й2, где к1 - верхний пахотный слой, который имеет показатель плотности С1 (по ДорНИИ), и й2 - нижний уплотненный горизонт с показателем прочности С2. Задача состоит в том, чтобы в расчетной схеме верхний пахотный слой к1 заменить равноценным ему расчетным слоем йр, имеющим характеристики слоя й2 (по общему сопротивлению резанию должен быть идентичен слою к1). Для выполнения такой замены составим следующее уравнение:

С1 Л11'35 = С2 йр1'35, (2)

откуда

кр = (С^Г741 Й1 , (3)

где йр - расчетная глубина слоя, соответствующая по трудности разработки слою й2 , м; й1 - заменяемый слой, м.

Пахотный горизонт С, = 1...4

Уплотненный подпахотный слой С, = 6...10

К

А,

Рис. 1. Поперечный разрез с уплотненным подпахотным слоем

Окончательный расчет тягового усилия, необходимого для производства рыхления почвы в двухслойной среде, может определяться с учетом (3) по следующей формуле:

90°" ) Во, (4)

F = 5000С2 ^р1-35(1 + 10^X1 -

180°

где Н = (С^)0,741 \ + к2;

(5)

Нр - полная расчетная глубина рыхления, м; п -число стоек.

Для дальнейшего раскрытия, детализации и конкретизации формулы (3) необходимо внести в нее элементы конструкции, присущие рабочим органам рыхлителей, и раскрыть содержание уже включенных в формулу геометрических характеристик.

С этой целью рассмотрим рис. 2.

/ 1 / о ...

о

а, / 1 «о

год после выполнения глубокого рыхления, р./га в год. Текущий прирост дохода АД можно выразить следующей зависимостью:

Д№ = АД,=1) / г , (7)

где а - обобщающий коэффициент, характеризующий интенсивность применяемой технологии, машиноемкость возделываемой культуры и почвенно-мелиоративные условия участка.

Для приближенных расчетов в условиях уплотненных почв показатель степени а принимается равным значениям, приведенным в табл. 2.

Таблица 2 Коэффициенты интенсивности применяемых технологий и машиноемкость возделываемых культур

Рис. 2. Принципиальная схема одностоечного рыхлителя

Расчетная формула тягового усилия для рыхлителя, состоящего из лемеха шириной м, длиной В1 м, с углом заострения в1 = 180° и углом резания а1 = 30°, ножа-стойки толщиной Б2 м с углом заострения в2 = 90° и углом установки (резания) а2 = 60°, после подстановки перечисленных значений параметров в формулы (4) и (5) примет следующий вид: F = 8,3510С2 [йр135 -- (Н - 0,5В1)1-35Р] +

+ 4,55.103С2(Др - 0,5В1)135. (6)

Из данного выражения можно более достоверно определить величину тягового сопротивления и другие конструктивные и технологические параметры.

Сроки повторного рыхления почв объективно связаны с тем, как организовано на них сельскохозяйственное производство. Установлено, что чем более интенсивные применяемые технологии и ма-шиноемкие выращиваемые культуры, тем скорее и глубже уплотнение распространяется в подпочвенные горизонты. Уплотнение почвы происходит под гусеницей или колесом сельскохозяйственной техники не только в процессе однократного движения по полю, оно не прекращается и при последующих проходах по тому же следу.

Вводим обозначения параметров: t - текущее время, годы; - допол-

нительный доход, получаемый в первый

Условия возделывания культур

Интенсивность технологий низкая, машиноемкость

культур минимальная (характерно для содержания лугов и культурных пастбищ)

Интенсивность технологий высокая, машиноемкость

возделывания культур средняя (зерновые и зерно-бобовые культуры в крупных хозяйствах) Интенсивность технологий средняя, машиноемкость

возделывания культур высокая (овощи, картофель в фермерских и крестьянских хозяйствах) Интенсивность технологий высокая, машиноемкость

возделываемых культур высокая (овощи, картофель на полях крупных сельскохозяйственных производителей)

Значение коэффициента а

0,5

1,0

1,5

2,0

Для определения динамики получения дохода от рыхления плотных и вторично уплотненных почв предлагается следующее безразмерное аналитическое выражение:

т 1 1

АД+сР = 2 а/^ ).1 - сР/АДа=1) тр

(8)

Т -1

(84

где в качестве критерия оптимальности выбрана величина относительного среднегодового дохода АД+ср, получаемого за ряд лет Т.

Относительный среднегодовой доход определяется безразмерной величиной:

АД+ср = АДср/АД,=1). (9)

Расчеты, выполненные при выращивании различных монокультур, и условия хозяйствования при = Ср представ-

лены на рис. 3.

№ 5' 2012

0,5

а = 0,5

>13

0 и 2- « 5 §0,4 ё о и 4 Э'Э 0,3 а и и и

1 | 0,2 3 В

н о 7 а и

| ° о 1 и =

| 12 3 4 5 6 7 8 9 1011

Год после рыхления

Рис. 3. Динамика изменения среднегодового дополнительного дохода в зависимости от интенсивности применяемых технологий и машиноемкости возделываемых культур

Основной вывод, полученный в результате проведенных расчетов, состоит в следующем: существуют оптимальные решения для назначения сроков рыхления плотных и вторично уплотненных почв (см. рис. 3). Эти сроки при округлении их до одного года для условий, представленных в табл. 2, составляют: при коэффициенте а = 0,5 - 4 года; при а=1,0 - 2-3 года; при а = 1,5 - 2 года; при а = 2,0 - 1 год.

Соблюдение предлагаемой периодичности рыхления позволяет получать дополнительный доход 13.45 %, превышающий обычный текущий доход без проведения рыхления.

Практика рыхления тяжелых, в том числе и вторично уплотненных почв указывает на довольно высокую эффектив-

ность этого мероприятия. Многолетними исследованиями однозначно подтверждено положительное воздействие рыхления на физико-механические и водно-физические свойства почв в зоне рыхления, что в конечном итоге, без прочих дополнительных мероприятий, обеспечивает прирост урожайности от 10 до 40 %. Причем прирост урожайности наблюдается как в зоне осушения, так и в зоне орошения на всех типах уплотненных почв [4].

Эффективность рыхления определяется величиной среднегодового дохода:

дД(сР) = ДД(Ы) 2 а/*" )/Т- СP/Т,

Т -1

где ДД(ор) = ДД(ор) / Т - среднегодовой дополнительный доход за ряд лет Т после проведения рыхления.

Экспериментальные исследования показали, что на практике в большинстве случаев интенсивность процессов уплотнения подпочвенных слоев обратно пропорциональна времени, прошедшему после проведения рыхления, из чего следует, что оценить эффективность с достаточной точностью можно по следующей формуле:

ДД(ср) = ДД,=1)

2Т * -1

Т

С

Т

где Ср - полные затраты на рыхление почв, р./га.

Окончательно эффективность рыхления можно установить, приняв за оценочный срок период одной полной ротации культур (табл. 3).

Расчетные данные эффективности рыхления почв в полевом севообороте культур (в ценах 2000 года)

Таблица 3

Год Год после рыхления Затраты на рыхление, р./га Культуры Дополнительный доход, р./га Примечание

1 Первый 791 Одно- и многолетние травы 450 Расчетный дополнительный доход за первый год выращивания трав

2 Второй Многолетние травы 1-го года 318 ДД(4=2) = 0,71ДД(%1) Дополнительный доход за второй год выращивания трав

3 Третий Многолетние травы 2-го года 260 ДД(4=3) = °,58ДД(%1) Дополнительный доход за третий год выращивания трав

4 Четвертый Озимые 130 ДД(4=4) = 0,33ДД(4=Ц Три года выращивания трав приравнены к двум годам предыдущего возделывания зерновых культур

5 Первый 791 Картофель 5000 Расчетный дополнительный доход за первый год

6 Второй - Яровые зерновые 200 ДД ,=2) = 0,50ДДа=Ц Дополнительный доход от овощей после первого года выращивания картофеля

Итого 1582 6358

Выводы

Приведенный расчет и практические наблюдения показывают, что оструктури-вание плотных и вторично уплотненных почв путем рыхления является весьма важным и вместе с тем дешевым с экономической и технологической точек зрения агромелиоративным мероприятием.

Рыхление эффективно не только на мелиорируемых, но и на богарных землях, так как последние также интенсивно подвергаются техногенному воздействию.

1. Маммаев В. М., Першина О. Ф., Пу-нинский В. С. Первоочередные задачи в области технологии и механизации куль-туртехнических работ на современном этапе: Методы и технологии комплексной мелиорации и экосистемного водопользования: труды ВНИИГиМ. - М.: ВНИИГиМ, 2006. - С. 484-506.

2. Кизяев Б. М., Маммаев З. М. Куль-туртехнические мелиорации: технологии и машины. - М.: Ассоциация Экост, 2003. - 399 с.

3. Зеленин А. Н. Основы разрушения грунтов механическими способами. - М.: Машиностроение, 1968. - 375 с.

4. Хамза А. М. Технология рыхления вторично уплотненных почв мобильным агрегатом: дис. . канд. техн. наук. - М.: ВНИИГиМ, 2001. - 121 с.

Материал поступил в редакцию 25.06.12. Маммаев Загиди Маммаевич, доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией Тел. 8 (499) 976-02-68

Першина Ольга Федоровна, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник

Тел. 8 (499) 153-41-53, 8-916-479-56-78

УДК 502/504 : 631.311.5 Н. Н. ЕГОРОВА

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение дополнительного профессионального образования «Коломенский институт переподготовки и повышения квалификации руководящих кадров и специалистов»

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДВУХКОНСОЛЬНЫХ ДОЖДЕВАЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ

Приведен обзор и сравнительный анализ технико-экономических показателей дождевальных машин, осуществляющих полив из открытых оросителей. Дана оценка эффективности работы двухконсольных дождевальных агрегатов.

Двухконсольные дождевальные агрегаты, шланговые дождеватели, дальнеструйные агрегаты, открытые оросители, показатели качества дождя.

The survey and comparative analysis of technical and economic indices of the double-cantilever sprinklers producing watering from open irrigation systems are given in the article. There is given an efficiency assessment of double-cantilever sprinklers.

Double-cantilever sprinklers, hose irrigators, irrigation guns, open irrigators, indicators of sprinkling water.

Для полива сельскохозяйственных риалоемкости оборудования.

культур, в первую очередь овощных, Во многих странах в орошаемом

используют шланговые дождеватели, овощеводстве распространение получа-

двухконсольные и дальнеструйные агре- ют полосовые шланговые дождеватели,

гаты. Применение переносных коротко- обладающие рядом достоинств (рис. 1, 2).

и среднеструйных установок (типа КИ- Это высокая степень автоматизации

5, КИ-50, УДС-25, КДУ-55) на поливе процесса полива, простота работы

овощей затруднено из-за трудоемкости и настройки, хорошая адаптация к

их эксплуатации и значительной мате- параметрам и конфигурации орошаемой