CC BY
4
агротехнологий, ФГБНУ «Всероссийский НИИ агрохимии имени Д.Н. Прянишникова», 127434, Россия, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 31А Starostinael@list.ru Agrotechnologies, D. N. Pryanishnikov All-Russian Research Institute of Agricultural Chemistry, 127434, Russia, Moscow, Pryanishnikova Str., 31A Starostinael@list.ru
Заявленный вклад авторов Все авторы статьи принимали непосредственное участие в планировании, выполнении и поиске литературы. Authors'contribution All authors of this paper have directly participated in the study planning and execution, and literature survey.
Конфликт интересов Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов Conflict of interests The authors declare no conflict of interests
Все авторы настоящей статьи ознакомились и одобрили представленный окончательный вариант All authors have read and approved the final version of the paper submitted
Статья поступила в редакцию: 15.11.2023 Received: 15.11.2023
Одобрена после рецензирования: 04.12.2023 Approved after reviewing: 04.12.2023
Принята к публикации: 26.12.2023 Accepted for publication: 26.12.2023
Обзорная статья УДК 631/635
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ГЛУБИНЫ ЗАЛЕГАНИЯ И ВЕЛИЧИНЫ УПЛОТНЁННОГО СЛОЯ ПОЧВЫ
Антон Михайлович Захаров1, Евгений Александрович Мурзаев2н, Алексей Дмитриевич
Комоедов3, Даниил Юрьевич Иванов4
1,2,3,4Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия
1 zamsznii@yandex.ru ORCГО: 0000-0003-3501-0543
2murzaev.e.a@mail.ru ORCГО: 0000-0001-5143-7665
3komoedov.alexej@yandex.ru ORCГО: 0009-0008-7718-6436
4daniil.id29@yandex.ru ORCID: 0000-0003-1231-1220
Аннотация. Одной из глобальных экологических проблем является внутрипочвенное переуплотнение, образуемое вследствие возделывания сельскохозяйственных культур. Оно непосредственно влияет на физико-химические и физико-механические свойства почвы, что приводит к замедлению роста и развития растений, снижению впитывающей способности почвы,повышению рисков развития эрозионных процессов, а также к снижению внутрипочвенных реакций перехода питательных веществ в доступные для растений формы. Причины образования уплотненного слоя делятся на естественные, вызванные природными факторами, и на антропогенные, образуемые человеческой деятельностью при культивировании растений. Целью исследований был анализ определения теоретической глубины залегания и величины уплотнённого слоя почвы при производстве продукции растениеводства. Авторами выполнен аналитический обзор отечественных и зарубежных источников для выбора основных методов определения и прогнозирования почвенного уплотнения, на основании которого был проведен теоретический системный и функционально-структурный анализ. На основе результатов анализа была составлена схема формирования почвенного уплотнения и порядок расчёта определения глубины залегания и величины уплотненного слоя почвы при производстве продукции растениеводства. Разработанный порядок расчёта позволяет теоретически рассчитать глубину залегания и величину почвенного уплотнения в зависимости от применяемых технологий и технических средств, а также оценить воздействие движителей на почву через максимальное нормальное давление, возникающее под воздействием колес энергетических средств и сельскохозяйственных машин. Прогнозирование представленных факторов позволяет уточнить методику выбора технологий и технических средств при возделывании сельскохозяйственных культур.
Ключевые слова: производство сельскохозяйственной продукции, антропогенное воздействие, уплотнение почвы, порядок расчёта.
Для цитирования: Захаров А.М., Мурзаев Е.А., Комоедов А.Д., Иванов Д.Ю. Теоретические предпосылки к определению глубины залегания и величины уплотнённого слоя почвы// АгроЭкоИнженерия. 2023. № 4(117). С. 14-32 https://doi.org/
Review article
Universal Decimal Code 631/635
THEORETICAL BACKGROUND FOR DETERMINING THE OCCURRENCE DEPTH AND SIZE OF COMPACTED SOIL LAYER
Anton M. Zakharov1, Evgeniy A. Murzaev 2н, Alexey D. Komoedov3, Daniil Yu. Ivanov4
1,2,3,4Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) -branch of FSAC VIM, Saint Petersburg, Russia
1 zamsznii@yandex.ru ORCID: 0000-0003-3501-0543
2murzaev.e.a@mail.ru ORCID: 0000-0001-5143-7665
3komoedov.alexej@yandex.ru ORCID: 0009-0008-7718-6436
4daniil.id29@yandex.ru ORCID: 0000-0003-1231-1220
Abstract. Soil compaction of is one of the global environmental problems. It generates during the crop cultivation and has a direct effect on physicochemical and physical-mechanical soil properties. This leads to slower growth and development of plants, reduced absorption capacity of soil, higher risks of erosion processes, as well as a decline in the internal soil reactions of nutrients conversion into forms available for plants. The compacted layer may form under both natural factors and anthropogenic factors generated from farming activities. The study purpose was to analyze the available methods for determining the theoretical occurrence depth and size of a compacted soil layer in crop production. The national and foreign literature sources were reviewed to choose the main methods for detecting and forecasting the soil compaction. The review formed a basis for a theoretical system and functional-structural analysis resulting in creation the pattern of soil compaction formation and calculation procedure for determining the occurrence depth and size of a compacted soil layer in crop production. The developed procedure may be used in theoretical calculation of the depth and size of soil compaction for different technologies and machines employed. It also allows estimating the impact of propulsion systems on soil through the maximum normal pressure that generates by the wheels of energy vehicles and agricultural machines. Forecasting the above factors is a tool for refining the methods for choosing suitable technologies, machines and equipment for crops cultivation.
Key word: agricultural production, anthropogenic impact, soil compaction, calculation procedure.
For citation: Zakharov A.M., Murzaev E.A., Komoedov A.D., Ivanov D.Y. Theoretical background for determining the occurrence depth and size of compacted soil layer. AgroEcoEngineering. 2023; 4(117): 14-32 (In Russ.) https://doi.org/
Введение. В настоящее время почвенное уплотнение является одной из глобальных экологических проблем во всём мире [1]. При возделывании продукции растениеводства,
интенсификация уплотнения почвы происходит за счёт применения все более энергонасыщенной тяжелой техники, пренебрежения проведением различных мелиоративных работ, неправильного применения почвообрабатывающих машин и т.д.
В связи с тем, что в Российской Федерации в настоящее время преобладает экстенсивный способ увеличения производства продукции растениеводства, увеличиваются площади переуплотнённых почв.
Уплотнение почвы - это физическая форма деградации почвы, которая изменяет её структуру и влияет на её продуктивность. Термин «уплотнение
почвы» отсутствует в отечественном стандарте ГОСТ №27593-882 Однако определение понятия уплотнения почвы, как технологической операции описано в ГОСТ № 16265-89 «Земледелие. Термины и определения»3 - это технологическая операция, обеспечивающая изменение взаимного расположения почвенных отдельностей с целью создания более однородного обрабатываемого слоя почвы.
Согласно документу «Glossary of Soil Terms»4, разработанному Европейским центром почвенных данных (ECDAC) и утверждённому Европейской комиссией, термин «уплотнение почвы»
характеризуется как процесс изменения характера почвы таким образом, что
2ГОСТ №27593-88 «Почвы. Термины и определения». М.: Стандартинформ, 2006. 11 с.
3ГОСТ № 16265-89 «Земледелие. Термины и определения». М.Госстандарт СССР, 1989. 23 с.
4Glossary
происходит уменьшение объёма пустот между частицами почвы или заполнителями. Это проявляется в увеличении насыпной плотности, и сильно уплотнённый грунт может стать эффективно непроницаемым.
Авторами источника [2] описаны основные последствия уплотнения почвы:
- при воздействии энергетических средств и сельскохозяйственных машин, содержание влаги в почве, текстура и структура почвы, а также органическое вещество почвы являются тремя основными факторами, которые определяют степень уплотнения конкретной почвы;
- почвенное уплотнение напрямую влияет на физические свойства почвы, такие как объёмная плотность, прочность и пористость (эти параметры используются для количественной оценки плотности почвы);
- изменение физических свойств почвы из-за её уплотнения может изменить подвижность элементов и циклы азота и углерода в пользу увеличения выбросов парниковых газов во влажных условиях;
- переуплотнение почвы вызывает деформацию корней, замедление роста и развития растений, позднее прорастание, низкую скорость прорастания и высокую степень деградации культурных растений;
- почвенное уплотнение снижает биоразнообразие почвы за счёт уменьшения микробной биомассы, ферментативной активности, почвенной фауны и наземной флоры;
Некоторые почвы уплотнены естественным образом, например, почвы с очень тяжёлой текстурой
(мелкозернистые). В свою очередь искусственное (или антропогенное) уплотнение вызвано проездом тяжёлой
техники и интенсивной эксплуатацией почвы [3].
В связи с вышесказанным в мировой практике причины уплотнения почвы подразделяют на два основных класса: это уплотнение почвы под естественными (природными факторами), то есть не контролируемыми человеком, и антропогенными факторами, напрямую связанными с хозяйственной
деятельностью человека. Для снижения влияния антропогенных факторов на формирование почвенного уплотнения необходимо разработать алгоритм расчёта, который позволит теоретически предположить глубину залегания и величину формируемого
внутрипочвенного уплотнения в зависимости от применяемых технологий и технических средств при производстве продукции растениеводства.
Целью представленных
исследований является анализ определения теоретической глубины залегания и величины уплотнённого слоя почвы при производстве продукции растениеводства.
Материалы и методы. Для проведения исследований использовался метод теоретического системного и функционально-структурного анализа.
Как было сказано ранее, некоторые почвы уплотнены естественным образом. На естественное уплотнение почвы в первую очередь влияет её влажность.
Согласно зарубежным источникам [4-6] количество влаги на уплотнение почвы влияет следующим образом:
- увеличение количества влаги способствует уменьшению суммарной силы притяжения между частицами, влага замещает воздух в пустом поровом пространстве;
- илистые частицы почвы легко скользят друг по другу, так как влага повышает смазывающие способности,
способствуя уплотнению почвенных частиц.
Плотность, до которой почва способна уплотняться под влиянием климатических условий и собственной силы тяжести, называется равновесной. Её значения колеблются в пределах 1,25-1,45 г/см3.
Благоприятные условия для жизнедеятельности микроорганизмов и роста растений обеспечивает оптимальная плотность почвы 1,0-1,25 г/см [7].
При возделывании
сельскохозяйственных культур
применяются различные технологические приёмы, направленные на создание оптимальных параметров почвенного состояния для получения высокой
урожайности растений с заданными параметрами качества. Применяемые технологии включают технологические операции, выполнение которых требует большого числа проходов
энергонасыщенной техники по
поверхности поля. Движители МТА, и в некоторых случаях рабочие органы сельскохозяйственных машин, воздействуя на почву, подвергают её уплотнению.
За последние десятилетия средний вес машин увеличился, что привело к повышению нагрузки на ось и колеса (рис. 1). Для противодействия негативному воздействию на структуру почвы были разработаны широкие шины,
обеспечивающие низкое давление накачки [8].
Рис. 1. Распространение зоны уплотнения от ходовой системы энергетического средства Fig. 1. Expansion of the compaction zone generated by the running system of the power source
Внедрение новых технологий производства сельскохозяйственных шин позволило среднему давлению контакта с землёй оставаться примерно постоянным при увеличении массы техники и уменьшило нагрузку на верхний слой почвы. Однако анализ зарубежных литературных источников показал, что подпочвенное напряжение больше зависит от нагрузки на ось, чем от контактного давления. Это доказано в исследованиях [9] и измерениях [10]. Несколько
исследований подтвердили, что тяжёлая техника может привести к уплотнению почвы на глубину не менее 50 см [11, 12]. Негативное воздействие колёс с высокой нагрузкой на ось может длиться годами [13]. Однако во многих исследованиях условия движения колёс отличались от фактического движения по полю в нескольких отношениях. Тип машины, шины, количество и скорость проходов не соответствовали характеристикам
обычных полевых работ.
Авторами [14] проведены исследования влияния выбора технологии обработки почвы на количество проходов почвообрабатывающей техники по возделываемым землям. Для мониторинга интенсивности движения при различных технологиях обработки почвы каждая машина была оснащена приёмником сигнала DGPS перед въездом на поле при обычной, минимальной и нулевой технологии обработки. Данные о
местоположении автоматически
регистрировались каждые 2 с, а размеры шин (в основном ширина) и расстояние между колёсами были отмечены для каждой машины. На рисунке 2 показаны траектории движения
сельскохозяйственной техники и следы колёс на площади 1 га для различных технологий, оцениваемых в течение одного вегетационного периода.
А) Обычная технология обработки почвы
A) Ordinary tillage
Б) Минимальная обработка почвы
B) Minimal tillage
В) Технология нулевой обработки почвы
C) Zero tillage
Рис. 2. Графическое представление проходов техники на 1 га при различных технологиях
обработки почвы
Fig. 2. Graphical representation of machinery passes per one hectare under various tillage
technologies
Результаты показывают, что до 95,3% общей площади поля было обработано машиной, по крайней мере, один раз в год при использовании обычной обработки почвы. При использовании минимальной обработки почвы и прямого посева было обработано до 72,8% или 55,7% от общей площади поля, соответственно. Было подсчитано, что 145,6% покрытой площади может быть повторно обработано при обычной обработке почвы, 44,8% - при минимальной обработке и 18,4% - только при прямом посеве.
В исследованиях [15] на всех участках ежегодно выполнялась традиционная вспашка на 20-30 см кроме одного участка, участка А (сплошная черная линия), на котором было проведено глубокое рыхление на 40 см. На рисунке 3 представлены значения твёрдости почвы по глубине (цифровые значения по изменению в различных слоях присутствуют в источнике).
Рис. 3. Значения твёрдости почвы по глубине Fig. 3. Soil hardness by depth
Данный график характеризует образование уплотнения в слоях почвы ниже 20 см в зависимости от способа основной обработки почвы.
В исследованиях [16] установлено, что добавление навоза в почву значительно уменьшило насыпную плотность почвы. Самая высокая норма внесения навоза привела к значительному снижению насыпной плотности почвы по сравнению с контролем. Изменения насыпной плотности из-за уплотнения уменьшались по мере увеличения количества навоза, добавляемого в почву. Аналогичные результаты были получены другими исследователями [17].
Добавление навоза в почву также полезно для всходов семян, поскольку оно снижает сопротивление поверхности почвы появлению всходов. Авторы [17] в своих исследованиях отмечали более высокую эластичность и разбавляющий эффект навоза в качестве причины снижения уплотнения почвы. Эластичность навоза предотвращает передачу напряжений в подпочву на более низких глубинах [16].
Стратегии и рекомендации по предотвращению уплотнения почвы часто основаны на имитационных моделях (моделях уплотнения почвы). Такие модели способны рассчитать
распространение напряжений и
разрушение почвы в профиле почвы при определённых механических нагрузках (сельскохозяйственная техника) и условиях состояния почвы (например, влажность почвы) и могут помочь фермерам и консультантам в планировании и принятии решений о конкретных ситуациях на местах.
В основном разработка модели уплотнения включает в себя два этапа:
- моделирование распространения сил нагрузки в почве, возникающих в результате усилий, прикладываемых к поверхности почвы сельскохозяйственными транспортными средствами;
- моделирование напряжённо-деформированного состояния почвы.
Авторы [18] разделили модели уплотнения почвы на две категории:
- аналитические модели;
- модели, основанные на методе конечных элементов (МКЭ).
Они же предложили разделить структуру моделей уплотнения на две части. Первая часть определяет распространение нагрузки через почву, возникающей в результате усилий, оказываемых МТА, в зоне контакта колеса с почвой (подмодель распространения). Напряжения на границе раздела колесо-грунт описываются площадью контакта и напряжениями над ней (подмодель приложенной к поверхности силы). Вторая часть определяет поведение напряжённо-деформированного состояния, то есть взаимосвязи между изменениями объёма грунта и приложенными напряжениями (подмодель поведения напряжённо-деформированного состояния). Основное различие между существующими моделями заключается в процедуре, используемой для расчёта
распространения напряжений нагрузки через грунт (табл. 1): псевдоаналитическая
процедура или численное исчисление, основанное на методе конечных элементов
(МКЭ)
Таблица 1. Классификация моделей механического уплотнения Table 1. Classification of mechanical compaction models
Модель Псевдоаналитический метод Метод конечных элементов
Подмодель распространения Псевдоаналитическое исчисление распределения напряжений Численное исчисление распределения смещений
Подмодель приложенной к поверхности силы Неоднородное распределение напряжений по эллиптической площади контакта Равномерное распределение напряжений по площади контакта
Модель поведения при напряжении и деформации Эмпирические модели Псевдоупругие модели (модели типа СатС1ау, связанные модели)
Например, авторами [19, 20] представлены исследования о влиянии давления в шинах движителя на распределение напряжений вблизи границ раздела грунт-шина и сравнении полученных полевых результатов с прогнозом, построенным в модели FRIDA. Исследователи утверждают, что распределение вертикальных напряжений в почве непосредственно под нагруженной шиной неравномерно. Распределение
напряжений, а также размер и форма границы раздела шина-почва имеет решающее значение для распространения напряжений в профиле почвы. В результатах исследований представлены несколько поверхностей отклика, характеризующих распределение
напряжений от движителей по данным, полученным в ходе экспериментальных исследований, а также при помощи предложенной модели FRIDA (рис.4).
Рис. 4. Примеры измеренного (вверху) и подобранного по модели (внизу) распределения напряжений по площади контакта при трех давлениях накачки (а: 50 кПа; Ь: 100 кПа; с: 240
кПа) для шины 650/65R30.5 21
Fig. 4. Examples of measured (top) and model-fitted (bottom) stress distributions over the contact area at three inflation pressures (a: 50 kPa; b: 100 kPa; c: 240 kPa) for a 650/65R30.5 tire
Предложенная модель FRIDA дала хорошее описание измеренных данных: следы шин были хорошо описаны суперэллипсом, а распределение вертикального напряжения -
комбинированной экспоненциальной
(перпендикулярно направлению движения) и степенной (вдоль направления движения) функцией. Площадь контакта удвоилась при снижении давления накачки с 240 до 50 кПа, в то время как рекомендуемое давление накачки в 100 кПа показало промежуточное значение. Измеренное пиковое напряжение и установленное моделью максимальное напряжение значительно увеличивались с
увеличением давления в шинах и, как правило, были примерно на 90 и 50 кПа выше, чем давление в шинах, соответственно.
В настоящее время, формируются электронные инструменты определения величины уплотнения почвы в зависимости от применяемых технических средств и технологических приёмов. Примером такой платформы является онлайн сервис Теггатто, направленный на анализ воздействий от технических средств на почвенное уплотнение на землях Швейцарии и Швеции [21]. Интерфейс платформы представлен на рисунке 5.
Welcome to Terranimo5
Terranimo® is a model for prediction of the risk of soil compaction due to agricultural field traffic.
Switzerland Sweden
Рис. 5. Интерфейс программы Terranimo Fig. 5. Terranimo program interface
Теггатто - это веб-инструмент для моделирования дорожного движения на сельскохозяйственных полях, расчёта распространения напряжений под каждым колесом техники и оценки риска уплотнения почвы из-за движения. Контактные напряжения рассчитываются с учётом конструкции оборудования, характеристик шин и состояния верхнего слоя почвы. Распространение напряжений в почве рассчитывается аналитически в зависимости от характеристик почвы и с
использованием контактных напряжений в качестве верхнего граничного условия. Риски уплотнения почвы оцениваются путём сравнения нагрузки на почву и прочности почвы, оценённых по консервативным параметрам почвы и потенциалу почвенной влаги [22].
Результаты и обсуждение. По результатам анализа представленных материалов разработана схема
формирования почвенного уплотнения, показанная на рисунке 6.
Рис. 6. Схема формирования почвенного уплотнения Fig. 6. Scheme of soil compaction formation
В Российской Федерации определение воздействия движителей на почву нормируется тремя
государственными стандартами: ГОСТ 26954-20195; ГОСТ Р 58655-20196; ГОСТ Р 58656-20197.
Ключевым показателем метода определения воздействия движителей на почву является максимальное нормальное давление, которое определяется по формуле:
V- г..
(1)
пк _ К2Gk Чтах ~
«iFk
ТОСТ 26954-2019 «Техника
сельскохозяйственная мобильная. Метод определения максимального нормального напряжения в почве». М.: Стандартинформ. 2019. 8 с. URL:
https://files.stroyinf.rU/Data2/1/4293726/4293726306.p df
6ГОСТ Р 58655-2019 «Техника сельскохозяйственная мобильная. Нормы воздействия движителей на почву». М.: Стандартинформ. 2019. 8 с. URL: https://files.stroyinf.ru/Data/722/72298.pdf
ГОСТ
Р
сельскохозяйственная
58656-2019 мобильная.
«Техника Методы
определения воздействия движителей на почву». М.: Стандартинформ. 2019. 24 с. URL: https://files.stroyinf.rU/Data2/1/4293725/4293725776.p df
где: К2 - коэффициент продольной неравномерности распределения давления (К2=1,5);
Ок - статическая вертикальная нагрузка на опорное основание от единичного колёсного движителя, кН;
К1 - коэффициент, зависящий от наружного диаметра шины колеса;
Бк - контурная площадь пятна контакта протектора шины, м2.
Вышеперечисленные аргументы формулы определяются согласно ГОСТ Р 58656-2019 «Техника
сельскохозяйственная мобильная. Методы определения воздействия движителей на почву».
Другим показателем при оценке воздействия движителей на почву является максимальное нормальное напряжение, возникающее в почве, определяемое по ГОСТ 26954-2019 «Техника
сельскохозяйственная мобильная. Метод определения максимального нормального напряжения в почве» и имеющее вид:
оп = 0,63 7ц (агсЬд
аЪ
ПаЪ{а2+Ъ2+2П2) П^а2+Ъ2+П2 ' {а2+Ъ2){Ъ2+Ъ2)^а2+Ъ2+Ъ2
+
), (2)
где: ц - среднее нормальное давление колесного движителя на почву, кПа (определяется согласно ГОСТ Р 58656-20196).
а - У длины площади контакта движителя, м;
Ь - У ширины площади контакта движителя, м;
И - глубина опорного основания, по которому перемещается движитель, м.
Все вышеперечисленные аргументы формулы определяются согласно ГОСТ 26954-20194.
Авторы [23, 24] провели обширные теоретические и экспериментальные исследования и установили, что плотность почвы можно определить по уравнению:
Р = Рп( 1 + Кред - ^^-¡гт)
^пред
£7+£7п
(3)
где: рп - первоначальная плотность почвы, Па (табличное значение по Качинскому Н.А. [25]);
кв - коэффициент взаимосвязи параметров уплотнения, Н/м (кв=100 [26]);
к - коэффициент объёмного смятия почвы, Н/м3;
в - коэффициент распределения напряжений, м-1;
кпред - коэффициент
предельного увеличения плотности (кпред = 0,4 [27]);
о0 - структурная плотность
почвы, Па;
р0 - предел несущей способности почвы, Па.
Коэффициент распределения
напряжений определяется по формуле:
„ 2 , аЬ , НаЫа2+Ъ2+2Н2) .
7Г ¡гл/а2
(4)
Коэффициент объёмного смятия почвы определяется по формуле [28]:
к = —,
(5)
где: F - сопротивление вдавливанию штампа на глубину hp, Н (представленный показатель необходимо определять при помощи современных цифровых средств измерений [29]);
Б - площадь штампа, м2;
Ир - глубина вдавливания, м. Определив численные аргументы представленных выше формул, можно
теоретически предположить значения плотности почвы в зависимости от используемых энергетических средств.
При производстве продукции растениеводства порядок расчета плотности почвы справедлив только при условии движения по полю МТА без почвообрабатывающих рабочих органов, например: транспортные работы, уборочные работы, опрыскивание и т.п.
При условии обработки почвы необходимо учитывать, что на настроечной глубине работы
почвообрабатывающего агрегата
формируется иное почвенное состояние, применения различных рабочих органов
плотность которого будет определяться (рис. 7 и рис. 8).
исходя из способа обработки почвы и
Рис. 7. Схема формирования почвенного уплотнения (вид сбоку) Fig. 7. Diagram of soil compaction formation (side view)
Рис. 8. Схема формирования почвенного уплотнения (вид сзади) Fig. 8. Diagram of soil compaction formation (back view)
В процессе обработки почвы почвообрабатывающие органы
сельскохозяйственных машин
ликвидируют почвенное уплотнение, созданное движителями энергетических средств на глубину равную настроечному значению глубины обработки I. Чаще всего I составляет при основной обработке почвы 25-27 см; при предпосевной обработке 5-15 см. Однако исключением является использование культиваторов-глубокорыхлителей для сплошной обработки почвы, глубина обработки которых может составлять до 60 см.
Таким образом, в почвенных горизонтах ниже значений настроечной глубины обработки возникает слой
почвенного уплотнения, толщина которого определяется как zi = И - I.
Согласно вышесказанному, при расчёте уравнений (2) и (4) глубину опорного основания, по которому перемещается движитель, необходимо определять исходя из применяемых технологий обработки почвы и их настроечных значений глубины обработки.
Выводы. В ходе анализа условий возникновения уплотнения почвы при производстве продукции растениеводства установлено, что на формирование почвенного уплотнения влияют два больших блока воздействий на почву: естественное (природное) и
антропогенное, возникающее в результате хозяйственной деятельности человека.
Анализ многочисленных научных исследований по оценке влияния на антропогенное почвенное уплотнение работ на полях энергетических средств и сельскохозяйственных машин, позволил разработать схему формирования почвенного уплотнения. Также
установлено, что за рубежом существует ряд математических моделей и программных платформ для расчета и моделирования процесса уплотнения почвы энергетическими средствами в зависимости от различных условий проведения сельскохозяйственных работ.
В России имеется ряд нормативных документов, регламентирующих порядок расчета максимального нормального напряжения от воздействия движителей энергетических средств на почву, которое является составляющим аргументом уравнения для определения плотности почвы по Орда А.Н. Однако, при условии обработки почвы необходимо учитывать, что на настроечной глубине работы почвообрабатывающего агрегата,
формируется иное почвенное состояние, плотность которого будет определяться исходя из способа обработки почвы и применения различных рабочих органов. Таким образом, в почвенных горизонтах ниже значений настроечной глубины
обработки возникает почвенное уплотнение, теоретические значения которого можно рассчитать по представленному порядку расчета.
В результате проведения поисковых исследований разработан порядок расчёта, включающий в себя ряд математических выражений, позволяющих теоретически рассчитать глубину залегания и величину уплотненного слоя почвы при производстве сельскохозяйственной
продукции. Проведенный имитационный расчёт показал, что при работе в полевых условиях МТА, включающего в себя трактор МТЗ 82.1 + плуг ПЛН-3-35 с настроечной глубиной вспашки 0,25 м создается среднее нормальное давление колесного движителя на почву 134 кПа. При этом плотность почвы, создаваемая на глубине 25 см, будет составлять порядка 1,3 г/см . Следует отметить, что при расчете не учитывалось формирование плужной подошвы, поскольку такие данные можно получить только экспериментальным путем.
Прогнозирование представленных факторов позволит уточнить методику выбора технологий и технических средств при возделывании сельскохозяйственных культур.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Beylich A., Oberholzer H.R., Schrader S., Hoper H., Wilke B.M. Evaluation of soil compaction effects on soil biota and soil biological processes in soils // Soil and Tillage Research. 2010. Vol. 109. P. 133-143 https://doi.org/10.1016/j.still.2010.05.010
2. Nawaz M.F., Bourrie G., Trolard F. Soil compaction impact and modelling. A review // Agronomy for Sustainable Development. 2013. Dev. 33. P. 291-309. https://doi.org/10.1007/s13593-011-0071-8.
3. Естественное уплотнение почвы [Электронный ресурс]. URL: https://esdac.jrc.ec.europa.eu/ESDB_Archive/Glossary/Glossary.pdf (дата обращения 02.12.2023).
rd
4. Venkatramaiah C. Geotechnical Engineering. 3 revised edition. New Delhi: NewAge International (P) Ltd Publishers. 2006. 947 p. https://books.google.ru/books?id=HkN_iRyHRiEC&printsec=frontcover#v=onepage&q&f=false
5. Ramamurthy T.N., Sitharam T.G., Chand S. Geotechnical Engineering (Soil Mechanics). 3rd revised edition. New Delhi: S. Chand&Company. 2010. 290 p. URL: https://books.google.ru/books?id=PezuwUn_tKoC&printsec=frontcover#v=onepage&q&f=false
6. Lambe T.W., Whitman R. V. Soil Mechanics. New York: John Wiley & Sons, 1991. 576 p. URL: https://books.google.ru/books/aboutZS oil_Mechanics.html?id=d-FzXyGhwcEC&redir_esc=y
7. Чигарев Ю.В., Синкевич П.Н. Математические основы механики почв: учеб. пособие. Мн.: УП "Технопринт", 2004. 164 с. URL: https://rep.bsatu.by/bitstream/doc/14978/1/matematicheskie-osnovy-mekhaniki-pochv.pdf
8. Guimaraes Junnyor W.D.S., Diserens E., De Maria I.C., Araujo-Junior C.F., Farhate C.V.V., de Souza Z.M. Prediction of soil stresses and compaction due to agricultural machines in sugarcane cultivation systems with and without crop rotation // The Science of the Total Environment. 2019. Vol.681. P. 424-434. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.05.009.
9. Söhne W. Druckverteilung im Boden und Bodenverformung unter Schlepperreifen // Grundlagen der Landtechnik. 1953. Vol. 5. P. 49-63.
10. Birger D. Changes in subsoil porosity caused by heavy vehicles // Soil and Tillage Research. 1994. Vol. 29. P. 135-144.
11. Etana A., Häkansson I. Swedish experiments on the persistence of subsoil compaction caused by vehicles with high axle load // Soil and Tillage Research. 1994. Vol. 29. P.167-172. https://doi .org/10.1016/0167-1987(94)90053-1
12. Arvidsson J. Influence of soil texture and organic matter content on bulk density, air content, compression index and crop yield in field and laboratory compression experiments // Soil and Tillage Research. 1998. Vol. 49. Р.159-170. https://doi.org/10.1016/S0167-1987(98)00164-0
13. Alakukku L., Elonen P. Long-term effects of a single compaction by heavy field traffic on yield and nitrogen uptake of annual crops // Soil and Tillage Research. 1995. Vol. 36 (3-4). P. 141-152. https://doi.org/10.1016/0167-1987(95)00503-X
14. Kroulik M., Kumhala F., Hula J., Honzik I. The evaluation of agricultural machines field trafficking intensity for different soil tillage technologies // Soil and Tillage Research 2009. Vol 105. P. 171-175. https://doi.org/10.1016/j.still.2009.07.004
15. Schäfer-Landefeld L., Brandhuber R., Fenner S., Koch H.-J, Stockfisch N. Effects of agricultural machinery with high axle load on soil properties of normally managed fields // Soil and Tillage Research. 2004. Vol. 75. P. 75-86. https://doi.org/10.1016/S0167-1987(03)00154-5.
16. Soane B.D. The role of organic matter in soil compactibility: A review of some practical aspects // Soil and Tillage Research. 1990. Vol.16 (1-2). Р. 179-201. https://doi.org/10.1016/0167-1987(90)90029-D
17. Ekwue E.I., Stone R.J. Density-moisture relation of some Trinidadian soils incorporated with sewage sludge // Transactions of the ASAE (American Society of Agricultural Engineers). 1997. Vol. 40 (2). Р. 317-323. https://doi.org/10.13031/2013.21276
18. Defossez P., Richard G. Models of soil compaction due to traffic and their evaluation // Soil and Tillage Research. 2002. Vol. 67 (1). Р. 41-64. https://doi.org/10.1016/S0167-1987(02)00030-2
19. Schj0nning P., Lamande M., T0gersen F., Arvidsson J., Keller T. Modelling effects of tyre inflation pressure on the stress distribution near the soil-tyre interface // Biosystems Engineering. 2008. Vol. 99 (1). P. 119-133. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2007.08.005.
20. Lamande M., Schj0nning P. Transmission of vertical stress in a real soil profile. Part I: Site description, evaluation of the Söhne model, and the effect of topsoil tillage // Soil & Tillage Research. 2011. Vol. 114. P. 57-70. https://doi.Org/10.1016/j.still.2011.05.004.
21. Terranimo - Terramechanical model [Электронный ресурс]. URL: https://ch.terranimo.world/light (дата обращения 16.02.2023).
22. Stettler M., Keller T., Schj0nning P., Lamande M., Lassen P., Pedersen J., Weisskopf P. Terranimo®-a web-based tool for assessment of the risk of soil compaction due to agricultural field traffic. In: Towards environmental technologies. Proc. Int. Conf. on Agr. Eng.-AgEng 2010 (6-8 September 2010). Clermont-Ferrand, France: Cemagref. 2010. P.384
23. Орда А.Н., Селеши А.Б. Уплотнение почвы под воздействием ходовых систем // Агро-панорама. 2007. С. 13-16. URL: https://rep.bsatu.by/bitstream/doc/11894/1/orda-a-n-uplotnenie-pochvy-pod-vozdejstviem-hodovyh-sistem.pdf
24. Орда А.Н. Эколого-энергетические основы формирования машинно-тракторных агрегатов: дис. ... д-р техн. наук. Минск: БАТУ. 1997. 269 с.
25. Качинский Н.А Физика почвы: монография. Ч. II. Водно-физические свойства и режимы почв. М.: Высш. школа, 1970. 363 с. URL: https://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=493874
26. Орда А.Н., Шкляревич В.А., Тарасевич И.А. Выбор компоновки ходовых систем почвообрабатывающих агрегатов при различных почвенных условиях эксплуатации // Научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве. Материалы Международной научно-технической конференции (16-17 октября 2013 г. Минск.). Минск: НПЦ НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства. 2014. Т. 1. С. 116-120.
27. Орда А.Н., Алешкевич С.В., Селеши А.Б., Бушик А.Г. Исследование процесса уплотнения почвы различными типами ходовых систем // Энергосберегающие технологии и технические средства в сельскохозяйственном производстве: доклады Международной научно-практической конференции (12-13 июня 2008 г. Минск). Минск: БГАТУ. 2008. Ч. 1. С. 338-344. URL: https://rep.bsatu.by/bitstream/doc/4864/1/issledovanie-processa-uplotneniya-pochvy-razlichnymi-tipami-hodovyh-sistem.pdf
28. Чеботарев В.П. и др. Машины и оборудование в растениеводстве. Практикум: учебно-методическое пособие: в 3 ч. Минск: БГАТУ, 2021. Ч. 1. 284 с.
29. Устроев А. А., Калинин А. Б., Мурзаев Е. А. Анализ цифровых измерительных систем для определения параметров почвенного состояния // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. № 97. С. 19-28. https://doi.org/10.24411/0131-5226-2018-10085.
REFERENCES
1. Beylich A., Oberholzer H.R., Schrader S., Höper H., Wilke B.M. Evaluation of soil compaction effects on soil biota and soil biological processes in soils. Soil and Tillage Research. 2010; 109: 133-143 (In Eng.) https://doi.org/10.1016/j.still.2010.05.010
2. Nawaz M.F., Bourrie G., Trolard F. Soil compaction impact and modelling. A review. Agronomy for Sustainable Development. 2013; 33: 291-309 (In Eng.) https://doi.org/10.1007/s13593-011-0071-8.
3. Natural Soil Compaction [online]. Available at: https://esdac.jrc.ec.europa.eu/ESDB_Archive/Glossary/Glossary.pdf (accessed 02.12.2023).
rd
4. Venkatramaiah C. Geotechnical Engineering. 3 revised edition. New Delhi: NewAge International (P) Ltd Publishers. 2006. 947 p. URL: https://books.google.ru/books?id=HkN_iRyHRiEC&printsec=frontcover#v=onepage&q&f=false
5. Ramamurthy T.N., Sitharam T.G., Chand S. Geotechnical Engineering (Soil Mechanics). 3rd revised edition. New Delhi: S. Chand&Company. 2010. 290 p. URL: https://books.google.ru/books?id=PezuwUn_tKoC&printsec=frontcover#v=onepage&q&f=false
6. Lambe T.W., Whitman R. V. Soil Mechanics. New York: John Wiley & Sons, 1991. 576 p. (In Eng.) URL: https://books.google.ru/books/about/Soil_Mechanics.html?id=d-FzXyGhwcEC&redir_esc=y
7. Chigarev Yu.V., Sinkevich P.N. Mathematical foundations of soil mechanics: textbook. Minsk: Technoprint Publ, 2004. 164 p. (In Russ.) URL: https://rep.bsatu.by/bitstream/doc/14978/1/matematicheskie-osnovy-mekhaniki-pochv.pdf
8. Guimaräes Junnyor W.D.S., Diserens E., De Maria I.C., Araujo-Junior C.F., Farhate C.V.V., de Souza Z.M. Prediction of soil stresses and compaction due to agricultural machines in sugarcane cultivation systems with and without crop rotation. The Science of the Total Environment. 2019; 681: 424-434 (In Eng.) https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.05.009.
9. Söhne W. Druckverteilung im Boden und Bodenverformung unter Schlepperreifen. Grundlagen der Landtechnik. 1953; 5: 49-63 (In Germ.)
10. Birger D. Changes in subsoil porosity caused by heavy vehicles. Soil and Tillage Research. 1994; 29: 135-144. (In Eng.)
11. Etana A., Häkansson I. Swedish experiments on the persistence of subsoil compaction caused by vehicles with high axle load. Soil and Tillage Research. 1994; 29: 167-172. (In Eng.) https://doi .org/10.1016/0167-1987(94)90053-1
12. Arvidsson J. Influence of soil texture and organic matter content on bulk density, air content, compression index and crop yield in field and laboratory compression experiments. Soil and Tillage Research. 1998; 49:159-170. (In Eng.) https://doi.org/10.1016/S0167-1987(98)00164-0
13. Alakukku L., Elonen P. Long-term effects of a single compaction by heavy field traffic on yield and nitrogen uptake of annual crops. Soil and Tillage Research. 1995; 36 (3-4): 141-152. (In Eng.) https://doi.org/10.1016/0167-1987(95)00503-X
14. Kroulik M., Kumhala F., Hula J., Honzik I. The evaluation of agricultural machines field trafficking intensity for different soil tillage technologies. Soil and Tillage Research 2009; 105: 171-175. (In Eng.) https://doi.org/10.1016/j.still.2009.07.004
15. Schäfer-Landefeld L., Brandhuber R., Fenner S., Koch H.-J, Stockfisch N. Effects of agricultural machinery with high axle load on soil properties of normally managed fields. Soil and Tillage Research. 2004; 75: 75-86. (In Eng.) https://doi.org/10.1016/S0167-1987(03)00154-5.
16. Soane B.D. The role of organic matter in soil compactibility: A review of some practical aspects. Soil and Tillage Research. 1990;16 (1-2): 179-201 (In Eng.) https://doi.org/10.1016/0167-1987(90)90029-D
17. Ekwue E.I., Stone R.J. Density-moisture relation of some Trinidadian soils incorporated with sewage sludge. Transactions of the ASAE. 1997; 40 (2): 317-323. (In Eng.) https://doi.org/10.13031/2013.21276
18. Defossez P., Richard G. Models of soil compaction due to traffic and their evaluation. Soil and Tillage Research. 2002; 67 (1): 41-64 (In Eng.) https://doi.org/10.1016/S0167-1987(02)00030-2
19. Schj0nning P., Lamande M., T0gersen F., Arvidsson J., Keller T. Modelling effects of tyre inflation pressure on the stress distribution near the soil-tyre interface. Biosystems Engineering. 2008; 99 (1): 119-133 (In Eng.) https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2007.08.005.
20. Lamande M., Schj0nning P. Transmission of vertical stress in a real soil profile. Part I: Site description, evaluation of the Söhne model, and the effect of topsoil tillage // Soil & Tillage Research. 2011. Vol. 114. P. 57-70. https://doi.org/10.1016/j.still.2011.05.004.
21. Terranimo - Terramechanical model [Электронный ресурс]. URL: https://ch.terranimo.world/light (дата обращения 16.02.2023).
22. Stettler M., Keller T., Schj0nning P., Lamande M., Lassen P., Pedersen J., Weisskopf P. Terranimo®-a web-based tool for assessment of the risk of soil compaction due to agricultural field traffic. In: Towards environmental technologies. Proc. Int. Conf. on Agr. Eng.-AgEng 2010 (6-8 September 2010). Clermont-Ferrand, France: Cemagref. 2010:384 (In Eng.)
23. Orda A.N., Seleshi A.B. Soil compaction under the influence of running systems. Agropanorama. 2007: 13-16. URL: https://rep.bsatu.by/bitstream/doc/11894/1/orda-a-n-uplotnenie-pochvy-pod-vozdejstviem-hodovyh-sistem.pdf
24. Orda A.N. Ecological and energy fundamentals of formation of machine and tractor units. Doct. Thesis. Minsk: Belarus Agrarian Technical University. 1997. 269 p. (In Russ.)
25. Kachinsky N.A. Soil Physics Part 2: Water-physical properties and soil regimes. Part 2. Moscow: Higher School Publ. 1970. 363 p. (In Russ.) URL: https://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=493874
26. Orda A.N., Shklyarevich V.A., Tarasevich I.A. Selection of the layout of running systems of tillage units under different soil operating conditions. In: Scientific and technical progress in agricultural production. Proc. Int. Sci. Tech. Conf. (16-17 October 2013, Minsk). Minsk: Institute of Agricultural Mechanization of the National Academy of Sciences of Belarus. 2014;1: 116-120 (In Russ.)
27. Orda A.N., Aleshkevich S.V., Seleshi A.B., Bushik A.G. Study of the process of soil compaction by various types of running systems. In: Energy-saving technologies and technical means in agricultural production. Proc. Int. Sci. Prac. Conf. (Minsk, June 12-13, 2008). Minsk: BGATU, 2008;1: 338-344. (In Russ.) URL: https://rep.bsatu.by/bitstream/doc/4864/1/issledovanie-processa-uplotneniya-pochvy-razlichnymi-tipami-hodovyh-sistem.pdf
28. Chebotarev V.P. et al. Machinery and equipment in crop production. Workshop: educational and methodological manual. Minsk: BGATU, 2021; 1. 284 p. (In Russ.)
29. Ustroev A. A., Kalinin A. B., Murzaev E. A. Analysis of digital measurement systems to determine the soil state parameters. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva = Technologies, machines and equipment for mechanised crop and livestock production. 2018; 97: 19-28. (In Russ.) https://doi.org/10.24411/0131-5226-2018-10085
Об авторах About the authors
Захаров Антон Михайлович, канд. техн. наук; ведущий научный сотрудник отдела агроэкологии в растениеводстве, Институт агроинженерных и экологических проблем Zakharov Anton Mikhailovich, Cand. Sc. (Engineering), Leading Researcher, Department of Agroecology in Plant Production, Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production - branch of
сельскохозяйственного производства -филиал ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (196634, Россия, г. Санкт-Петербург, п. Тярлево, Фильтровское ш., д. 3). zamsznii@yandex.ru ОЯСГО: 0000-0003-3501-0543. Federal Scientific Agroengineering Center VIM; 3, Filtrovskoje Shosse, Tiarlevo, Saint Petersburg, 196634, Russia zamsznii@yandex .ru ORCID: 0000-0003-3501-0543.
Мурзаев Евгений Александрович, научный сотрудник отдела агроэкологии в растениеводстве, Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства - филиал ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (196634, Россия, г. Санкт-Петербург, п. Тярлево, Фильтровское ш., д. 3) murzaev.e.a@mail.ru, ОЯСГО: 0000-0001-5143-7665. Murzaev Evgeniy Aleksandrovich, researcher, Department of Agroecology in Plant Production, Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production - branch of Federal Scientific Agroengineering Center VIM; 3, Filtrovskoje Shosse, Tiarlevo, Saint Petersburg, 196634, Russia murzaev.e.a@mail.ru, ORCID: 0000-0001-5143-7665.
Комоедов Алексей Дмитриевич, младший научный сотрудник отдела агроэкологии в растениеводстве, Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства -филиал ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (196634, Россия, г. Санкт-Петербург, п. Тярлево, Фильтровское ш., д. 3) komoedov.alexej@yandex.ru ОЯСГО: 0009-0008-7718-6436 Komoedov Alexey Dmitrievich, junior researcher, Department of Agroecology in Plant Production, Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production - branch of Federal Scientific Agroengineering Center VIM; 3, Filtrovskoje Shosse, Tiarlevo, Saint Petersburg, 196634, Russia komoedov.alexej@yandex.ru ORCID: 0009-0008-7718-6436
Иванов Даниил Юрьевич, младший научный сотрудник отдела агроэкологии в растениеводстве, Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства - филиал ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (196634, Россия, г. Санкт-Петербург, п. Тярлево, Фильтровское ш., д. 3) daniil.id29@yandex.ru Ivanov Daniil Yurievich, junior researcher, Department of Agroecology in Plant Production, Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production - branch of Federal Scientific Agroengineering Center VIM; 3, Filtrovskoje Shosse, Tiarlevo, Saint Petersburg, 196634, Russia daniil.id29@yandex.ru ORCID: 0000-0003-1231-1220.
ОЯСГО: 0000-0003-1231-1220.
Заявленный вклад авторов Authors'contribution
Все авторы настоящего исследования All authors of this study were directly involved
принимали непосредственное участие в in its design, execution, and analytical work.
планировании, выполнении и анализе
данного исследования.
Конфликт интересов Conflict of interests
Авторы заявляют об отсутствии The authors declare no conflict of interest.
конфликта интересов
Авторы прочитали и одобрили The authors have read and approved the final
окончательный вариант рукописи к version of the manuscript for publication.
публикации
Статья поступила в редакцию: Received: 29.11.2023
29.11.2023
Одобрена после Approved after reviewing: 21.12.2023
рецензирования: 21.12.2023
Принята к публикации: 26.12.2023 Accepted for publication: 26.12.2023
Научная статья УДК 634.11:631.11
ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ДОЗ ВНЕСЕНИЯ АЗОТНЫХ УДОБРЕНИЙ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА УРОЖАЙНОСТЬ И РАЗВИТИЕ ЯБЛОНИ СОРТА АНТОНОВКА
1 2 Безух Евгений Петрович , Зыков Андрей Владимирович н
1 2
' Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия
11пГо@ре1го8аё.гц https://orcid.org/0000-0002-3444-0632 2тГо@ре№о8аё.ги https://orcid.org/0000-0002-3435-7468
Аннотация. В статье представлены результаты исследований влияния различных доз азотных удобрении и системы содержания почвы в междурядьях посадок на урожайность яблоневого сада. Почва сада - дерново-карбонатная супесчаная, подстилаемая карбонатным суглинком с высоким содержанием подвижных форм фосфора и калия. Согласно методике исследований, весной в почву при паровой и дерново-перегнойной системах содержания
