ВВЕДЕНИЕ
Охрана и рациональное использование почвы, воды, воздуха, флоры и фауны — важнейшие составляющие стратегии сбалансированного развития агропромышленного комплекса страны. Если учесть, что земля (почва) является кормилицей и, что равнинных полей практически нет, то невольно приходится задумываться над сохранением и повышением плодородия почв на всей территории России. Известно, что почвы склонов, сформированные в условиях пересеченного рельефа и подверженные воздействию водной эрозии, характеризуются, как правило, пониженным плодородием и нередко неблагоприятными агроэкологическими условиями для выращивания сельскохозяйственных культур.
По расчетам ВНИИЗ и ЗПЭ с полей ежегодно смывается 1,5-1,8 млрд. т плодородного слоя. Даже на небольших склонах (1-3°) эрозия уносит 30-50% минеральных удобрений, вносимых поверхностным способом. Только за счет водной эрозии около 10% почв пашни России потеряли 30-60% плодородия, а 25% почв - 10-30%. В результате на эродированных почвах, в зависимости от степени смытости, урожаи сельскохозяйственных культур уменьшились от 10 до 70%, а общий недобор сельскохозяйственной продукции составил около 20-30%.
Приостановить разрушительное действие эрозии и вернуть утраченное плодородие почв - одна из главнейших задач аграрной науки и практики.
В последнее десятилетие решающее значение придается разработке и внедрению в хозяйствах новых противоэрозионных технологий и машин. Производственные сельскохозяйственные машины, разработанные без учета требований почвозащитного земледелия, обладают не только неудовлетворительной почвозащитной эффективностью, но и не обеспечивают качественного выполнения работ при эксплуатации на склонах даже небольшой крутизны. Для выполнения ряда приемов по защите почв от эрозии вообще нет средств механизации. Для их создания требуется проведение специальных исследований по отработке технологий и обоснова-
6
нию параметров рабочих органов.
Важнейшим звеном в системе склонового земледелия и в комплексе мероприятий по повышению плодородия почвы является ее обработка. Однако технологии основной и предпосевной обработок, применяемые во многих зонах страны, не всегда учитывают требования почвозащитного земледелия и не в полной мере отвечают требованиям получения высоких и устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур.
К негативным моментам существующих технологий можно отнести уплотнение и распыление верхнего слоя почвы. Они вызваны несоответствием и несовершенством многих рабочих органов и их сочетанием, необоснованностью ширины захвата сельскохозяйственной машины, применением энергетического средства и его ходовой системы [1,2].
Общие теоретические и практические основы проектирования противоэрозийных технологий на эрозионно опасных землях изложены в работах Бараева А.И., Госсена Э.Ф., Докучаева В.В., Заславского М.Н., Каштанова А.Н., Краснощекова Н.В., Картамышева Н.И., Милащенко Н.З., Нарциссова В.А., Сдобникова С.С, Скачкова И.А., Соболева С.С., Спирина А.П., Трегубова ПС, и многих других.
Теоретическое и экспериментальное изучение почвозащитных технологий и соответственно средств механизации изложено в работах Г.Н. Синеокова, И.М. Панова, Л.В. Гячева, А.Б. Лурье, Г.Е. Листопад, А.И. Любимова, П.Н. Бурченко, Х.А. Хачатрян, И.И. Гуреева, В.В. Кацыгина, А.С. Кушнарева, А.Д. Кормщикова, В.И. Медведева, А.П. Грибановского, М.Д. Подскребко, В.В. Бледных, Р.С. Рахимова, А.А. Князева, А.П. Иофинова, Ю.А. Ветрова, Р.Л. Турецкоко, И.Г. Шульгина, И.Т. Коврикова, А.К. Кострицина, Н.В. Грищенко, М.С. Хоменко, А.П. Спирина, Д.Д. Прокопенко, В.В. Юдкина, А.А. Шишкина и других.
В решении задач дальнейшей интенсификации сельскохозяйственного производства важное значение имеет всестороннее изучение особенностей изменения плодородия почвы, уровня урожайности, сохранения и
7 улучшения почвенного покрова с учетом новых механизированных
технологий. Научные исследования будут результативными только тогда, когда они будут не только теоретически обоснованы, но и последовательно проверены соответствующими опытами, экспериментами. Проверку нужно многократно повторить с учетом изменения условий (фон, почва, крутизна склона, машина, рабочий орган, оператор и т.д.). Так как в поисках решения проблемы применения того или иного агроприема, механизма для почвозащитного эффекта и повышения урожая весьма важной является взаимосвязь, существующая между почвой, растениями и механизмами.
Наша многолетняя работа (1985-2005гг) и была направлена на разрешение этой очень важной и разносторонней проблемы, имеющей большое народнохозяйственное значение. Нами она сформулирована следующим образом: эффективное использование пахотных земель в условиях склонового земледелия на основе совершенствования технологических приемов и средств механизации для их выполнения.
Для решения этой проблемы нами была выдвинута гипотеза: повышение урожайности сельскохозяйственных культур в условиях склонового земледелия с обеспечением экологической безопасности за счет совершенствования технологии и технических средств. Она может быть реализована путем создания и решения модели экологически безопасной почвозащитной технологии обработки почвы, основанной на соблюдении уровня техногенных нагрузок, обеспечивающих самовосстановление оптимального состояния почвы на склонах.
Актуальность проблемы. Нерациональное использование богатейших природных ресурсов России приводит к необходимости завоза из-за рубежа более 60% продовольственной продукции. С целью обеспечения продовольственной безопасности страны необходимо производить на местах не менее 80-85% продуктов питания. Это в первую очередь требует сохранения и повышения плодородия почв не только равнинных территорий, но и склонов, на долю которых в России приходится более половины пашни.
8 Так как почвы склонов характеризуются пониженным плодородием и
неблагоприятными агроэкологическими условиями для выращивания сельскохозяйственных культур, добиться повышения урожая возможно только при внедрении новых научно-обоснованных механизированных технологий обработки почвы.
Эффективность применения почвозащитных технологий зависит от того, насколько каждая из них будет соответствовать местным условиям. Так как основной технологической операцией возделывания сельскохозяйственных культур, влияющей на баланс органического вещества и гумуса, устойчивость к эрозии, создание и сохранение в почве благоприятных для возделываемых культур режимов, нормальных фитосанитарных условий, является обработка почвы, этой технологической операции мы уделяем в работе основное внимание.
Предлагаемые производству почвозащитные технологии возделывания сельскохозяйственных культур не могут быть реализованы без соответствующих технических средств.
Сельскохозяйственные машины и орудия равнинного земледелия в абсолютном большинстве не обеспечивают качественного выполнения технологических операций на склонах, а многократное прохождение их по полю при выращивании сельскохозяйственных культур, включая уборочно-траспортный комплекс, приводит к переуплотнению почвы и резкому усилению эрозионных процессов.
Проблема обеспечения потребителей системой машин для осуществления почвозащитных технологий на эрозионно-опасных агроландшафтах может быть решена использованием существующих сельскохозяйственных машин общего назначения в определенном режиме работы, оптимизацией параметров и режимов работы их рабочих органов, оснащением машин эффективными стабилизирующими устройствами, созданием унифицированных блочно-модульных и трансадаптивных комбинированных почвообрабатывающих и уборочных машин.
9
Исследования, составившие основу научной работы, выполнены во
ВНИИЗиЗПЭ (1976-1989гг) и Курской ГСХА (1989-2005гг) по хоздоговорной тематике с ВИСХОМ и ПО «Одессапочвомаш» по тематическим планам НИР в соответствии с программами ГКНТ СССР и ведомственными программами 0.51.03.08.Н9 номер государственной регистрации 76003313, О.СХ. 109.04.04 номера государственной регистрации 0182.2037769 и по темам 01.9.20.006402 и 01.9.7000668 по внедрению прогрессивных технологий в Курской области. Результаты исследований включены в систему земледелия Курской области, комплексную программу развития производства и переработки сахарной свеклы и зерновых культур в Курской области, комплексную программу социально-экономического развития Курской области на 2002-2005 гг.
Научная проблема. Обоснование механизированной технологии обработки почвы на склонах, обеспечивающей полное предотвращение стока и смыва, повышение плодородия почвы и урожайности всех сельскохозяйственных культур.
Цель и задачи исследований. Научно обосновать эффективные механизированные технологии обработки почвы в условиях склонового земледелия Центрального Черноземья, обеспечивающие сохранение и повышение плодородия, урожайности и качества продукции при минимальных затратах труда.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
1. Сформулировать и реализовать основные положения экологически оправданной механизированной технологии почвообработки в условиях склонового земледелия.
2. Выявить важнейшие механико-технологические факторы, влияющие на качество выполнения технологических операций при работе МТА на склонах.
3. Изучить и обосновать параметры и режимы работы рабочих органов комбинированных почвообрабатывающих агрегатов применительно к требованиям почвозащитных технологий.
10
4. Оценить, обосновать и реализовать предложение по обеспечению
устойчивого движения широкозахватных шарнирно-сочлененных агрегатов на склонах.
5. Разработать и экспериментально проверить конструкции рабочих органов, приемов и средств стабилизации прямолинейного движения агрегата для ухода за посевами пропашных культур с целью повышения качества их работы на склонах.
Объекты исследований. Почвозащитные механизированные технологии обработки почвы на склонах, колесные и гусеничные тракторы, почвообрабатывающая техника.
Предмет исследований. Установление закономерностей при работе машин и механизмов в условиях склонового земледелия и их влияние на сток, смыв и урожайность сельскохозяйственных культур.
Научная новизна. Разработана общая модель экологически безопасной почвозащитной технологии обработки почвы, как сложной системы, рассчитаны математические модели ее подсистем в виде взаимосвязанных компонентов, а также математические модели технических элементов отдельных машин.
Обоснованы предложения по обеспечению устойчивого движения рабочих органов широкозахватных шарнирно-сочлененных почвообрабатывающих агрегатов.
Выявлены особенности изменения агрофизических характеристик почвы на склонах под воздействием ходовых систем тракторов.
Получены экспериментальные показатели и установлены теоретические зависимости влияния склона на устойчивость движения МТА, устойчивость хода их движителей и рабочих органов.
Обоснована необходимость разработки ресурсосберегающих почвозащитных технологий и совершенствования технических средств для склонового земледелия.
Определены закономерности изменения качественных и динамических
11
показателей работы сельскохозяйственных машин для возделывания пропашных и зерновых культур при подготовке почвы и уходе за посевами на территориях со сложным рельефом.
Предложены способы и устройства для стабилизации движения сельскохозяйственных агрегатов на склонах, защищенные авторскими свидетельствами №812199, 1060127, 1355152.
Положения выносимые на защиту. В результате исследований разработаны и выносятся на защиту следующие основные положения:
1. Разработанная нами энерго-влагосберегающая система обработки почвы представляет собой агроэкологически обоснованную совокупность взаимосвязанных почвозащитных приемов и средств возделывания пропашных и зерновых культур на эрозионно-опасной территории Центрального Черноземья.
2. Основой качества выполнения технологических операций в условиях склонового земледелия являются научно обоснованные механизированные технологии.
3. Высокое качество работы широкозахватных шарнирно-сочлененных почвообрабатывающих агрегатов на склонах достигается за счет стабилизации глубины хода рабочих органов.
4. Прямолинейность движения и качество работы МТА на склонах любой крутизны обеспечивается стабилизирующими устройствами.
5. Устойчивость движения МТА определяется влиянием склона и субъективных факторов водителя.
6. Влияние уплотняющего воздействия ходовых систем МТА на склонах определяется оценкой агрофизических характеристик почвы.
Практическая значимость исследований. В результате выполненной работы в четырех областях внедрены почвозащитные механизированные технологии возделывания зерновых культур и сахарной свеклы, обоснованы технические решения, изготовлены и испытаны машины для выполнения предложенных технологий.
12 По данным производственной проверки, применение почвозащитных
технологий сокращает сток талых вод на 18-23%, уменьшает смыв почвы в 2-4 раза и повышает урожайность зерновых на 25-32%, сахарной свеклы - 19-23%.
Применение почвообрабатывающих комбинированных агрегатов и машин с динамически уравновешенными шарнирно-сочлененными рамами позволило уменьшить затраты труда на 23%, расход ГСМ на 27%, а улучшение агротехнических показателей способствовало увеличению урожайности на 11-21%.
Запатентованный противоэрозионный способ обработки почвы и устройство для его осуществления позволили проводить уход за посевами пропашных культур на склонах до 7°.
Расчеты показывают, что применение методики разработки почвозащитных технологий позволяет сформировать технологии, применение которых сокращают затраты материальных средств на 23-27%.
Реализация результатов исследований. По разработанным технологиям были изданы:
- почвозащитные системы обработки почвы и индустриальные технологии возделывания сельскохозяйственных культур, одобренные и рекомендованные к внедрению ВАСХНИЛ и изданные массовым тиражом;
- рекомендации по эффективному использованию технических средств для почвозащитных технологий в зонах проявления эрозий почв, одобренные ВАСХНИЛ и утвержденные министерством тракторного и сельскохозяйственного машиностроения;
- методика полевых испытаний машин и орудий для защиты почв от эрозии, одобренная и рекомендованная к внедрению МСХ СССР;
- рекомендации режимов работы и схем движения МТА на неровном рельефе;
- личное участие автора в разработке агротехнических требований и конструктивно-технологических схем, в проведении лабораторно-полевых исследований и приемочных испытаний комбинированных почвообраба-
13 тывающих агрегатов АПК-2,7 и АПК-5, освоенных в производстве в ПО
«Одессапочвомаш» (СССР) и агрегатов АПК-3 и АПК-6, изготавливаемых ЗАО «Курский станкостроительный завод» (РФ);
- рекомендации Государственного агропромышленного комитета СССР по особенностям почвозащитных технологий возделывания зерновых культур на склоновых землях;
- рекомендации Государственного агропромышленного комитета СССР по применению чизельной обработки почвы;
- результаты исследований включены в систему земледелия Курской области, комплексную программу социально-экономического развития Курской области на 2002-2005гг. и внедрены в хозяйствах Курской, Московской, Воронежской и Орловской областей.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на научных конференциях Красноярского сельскохозяйственного института (Красноярск, 1974-1976гг.), ХИМЭСХ (Харьков, 1977-1979гг.), Курской ГСХА (Курск, 1989-2005гг.); международной научно-производственной конференции (Белгород, 1997, 2001гг.); заседаниях научно-технических советов ЦНИПТИМЭЖ(Запорожье, 1978г), ВО УНИИМЭСХ (Харьков, 1978г), МСХ РСФСР(Мсква 1980, 1982, 1985гг.), НПО ФКТИ кормаш (Бишкек, 1991г), на ученых советах ВНИИЗиЗПЭ (Курск, 1977-1989гг.).
Личный вклад автора. Лично автором разработана гипотеза, программа и методика исследований, проведены полевые эксперименты, предложены конструктивные изменения технических средств. Все это позволило решить важную народнохозяйственную проблему: разработать экологически обоснованную ресурсо-влагосберегающую технологию обработки почвы при производстве сахарной свеклы и зерновых культур, усовершенствовать технические средства, позволяющие возделывать их с почвозащитным эффектом в условиях склонового земледелия.
Публикации. По материалам диссертации автором опубликовано 50 научных работ общим объемом 69,3 печатных листа, в том числе 2
14 монографии (25,1 п.л.), учебно-методические работы, получено 4 патента на
изобретения.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, предложений производству, списка литературы и приложения. Она изложена на 400 страницах компьютерного текста, включает 91 таблицу и 131 рисунок. Список литературы включает 341 наименование.
15 1. Состояние проблемы исследований
1.1. Методологические основы механизированных технологий в условиях
склонового земледелия.
Земледелие - часть общественного процесса, в котором участвуют человек, земля, растения, машина и многие экологические факторы производства. В результате деятельности человека изменяются элементы природной основы земли (почвы) как качественно, так и количественно: сокращается запас гумуса, на грани исчезновения оказались некоторые виды растений и животных; распаханность отдельных территорий достигла более 90%; меньше стало естественных лесов (около 10%), болот; мелеют крупные и исчезают малые реки.
Под действием земледельческого труда природа преобразуется, и не всегда в лучшую сторону. В результате изменяются ее целые участки, сельскохозяйственные угодья, лесные массивы и лесополосы, реки.
«Парадоксально, что создавая наш высокий жизненный уровень, — отмечает О. С. Оуэн, - мы одновременно позволяли снизиться качеству окружающей нас среды». В разделе «Деградация земельной этики» своей монографии он обращается к словам выдающегося американского биолога Олдо Леопольда: «Мы злоупотребляем землей, потому, что считаем ее принадлежащим нам предметом потребления. Если же мы будем рассматривать ее как сообщество, к которому принадлежим и мы сами, мы, возможно, начнем пользоваться ею с любовью и уважением» [3].
Современное земледелие находится на стыке глобальных проблем человечества - продовольственной, энергетической и экологической, решение которых противоречиво [4,5].
Жизнь показала, что человек не осознал всей серьезности злоупотребления в пользовании природой, в результате которого при земледельческой деятельности изымаются из природы необходимые вещества с целью получения сырья для промышленности и продуктов питания: гумус почвы и вода, другие природные ресурсы. Одновременно
16
происходит загрязнение и засорение почвы (земли) как осадками, так и в результате применения земледельцем химических средств (удобрений, гербицидов и т. д.). Человек, перестраивая природу для своих нужд, и в первую очередь для производства продуктов питания, существенно ее изменяет, оставляя плоды своего труда в виде положительных и отрицательных воздействий.
В эпоху научно-технического прогресса воздействие человека на природу стало поистине всеобъемлющим, в результате чего проблема охраны природы становится глобальной.
Остро сегодня стоит она и в земледелии. Специалисты сельского хозяйства, познавая методологию охраны природы, должны стать проводниками научных основ экологии и воплощения их в жизнь.
Познание законов природы, управляющих естественными процессами и обществом в целом, взаимосвязью явлений, с тем, чтобы их использовать на благо человеческого общества - основа методологических принципов охраны природы.
Особое значение для теоретических основ охраны природы в земледелии имеет выявление закономерных связей между элементами природы, учение о природных комплексах, которое разработано впервые в конце XIX века В. В. Докучаевым в труде «Учение о законах природы». Он отмечал, что ранее изучались главным образом отдельные тела, явления и стихия (вода, земля, воздух, дождь, гроза и т. д.), но не их соотношения, не та генетическая, вековечная и всегда закономерная связь, какая существует между силами, телами и явлениями, между мертвой и живой природой, между растениями, животными и минеральными царствами, с одной стороны, человеком, его бытом и даже духовным миром с другой.
Идея В. В. Докучаева о необходимости изучения закономерностей жизни природных комплексов получила дальнейшее развитие в книге Г. Ф. Морозова «Учение о лесе», в учении В. Н. Сукачева о биоценозах и в работах современных экологов.
17
Фундаментальный вклад в теорию охраны природы внесен учением В.И. Вернадского о биосфере. Таким образом, для разработки теоретических основ земледелия как естественно-хозяйственного процесса решающее значение имеют познание законов природы и сельскохозяйственного производства, выявление связей между элементами природы и человеческим обществом, установление соотношения природного и экономического в нем.
Природная основа земледелия диктует необходимость его экологизации. Экологизация процесса воспроизводства плодородия почвы должна осуществляться поэтапно в двух направлениях, суть которых видится в следующем:
первое - формирование научной концепции и разработка программы ее материализации;
второе - реализация программы в производстве.
Естественно, что это условное деление сделано для обозначения сложности и важности задач. Через углубление знаний биологических, технологических и социальных функций земли можно ускорить процесс экологизации земледелия и рационализировать природопользование в сельском хозяйстве.
Экологическая обстановка в земледелии основных зон страны, в том числе и в Центрально-Черноземной, остается сложной и выражается в оскуднении почв в процессе сельскохозяйственного производства, развитии эрозии и дефляции, деградации почв.
Отсюда следует, что земледелие можно рассматривать как исследовательский комплекс, в рамках которого человечество всей планеты ставит грандиозный эксперимент. В ходе его определяются оптимальные параметры взаимодействия человека как особой части природы с остальной природой, а от успеха или неудачи этого постоянного эксперимента зависит жизнь всего живого на земле. Специфика земледелия (его определенная универсальность в сравнении с прочими видами материально-производственной деятельности) делает его наиболее подходящей для рельефного представления некоторых основных положений концепции
|
