сотрудник
Уфа, Республика Башкортостан, Россия
сотрудник
сотрудник
ГРНТИ 55.57 Тракторное и сельскохозяйственное машиностроение
Работа посвящена математическому описанию процесса возникновения и протекания механической эрозии почвы на склоновых полях и пути её снижения. Приведены зависимости механической эрозии от крутизны склона, типа и параметров рабочего органа, направления движения агрегата относительно горизонтали поля. Полученные математические зависимости позволяют вычислять смещение почвы вниз по склону в зависимости от типа и параметров рабочего органа и от используемой технологии обработки почвы. Цель исследования: снижение механической эрозии почвы на склоновых полях путем совершенствования технологий и конструктивно-технологических параметров почвообрабатывающих и посевных машин. Расчеты показали, что при движении агрегата под углом θ = 45 ÷ 70° к горизонтали поля происходит максимальное смещение почвы нижним крылом рабочего органа (Δ1). Минимальная механическая эрозия почвы обеспечивается для стрельчатых рабочих органов при движении агрегата относительно горизонтали поля под углом 90±35°, для односторонних рабочих органов – 120±40°. Желательно избегать направлений движения агрегата θ ≈ 0…70°, когда наблюдается максимальная механическая эрозия при обработке односторонними рабочими органами (корпусами плугов), превышающая механическую эрозию при движении по горизонталям поля в 1,5 раза.
крутизна склона, механическая эрозия, стрельчатая лапа, односторонний рабочий орган.
При возделывании сельскохозяйственных культур на полях с холмистым рельефом сток по полю талых или дождевых вод приводит к смыву верхнего плодородного слоя почвы. Ежегодная потеря слоя почвы при водной эрозии в среднем составляет 1 мм. Но такие потери гумуса перекрываются за счет разложения пожнивных остатков и корневой системы растений, т.к. при этом образуется до 18-21 т гумуса на 1 га ежегодно [1]. Однако на склоновых полях, кроме водной эрозии, дополнительно возникает такой вид деградации почвы как механическая эрозия [2].
Механическая эрозия почвы – это смещение почвы вниз по склону рабочими органами почвообрабатывающих и посевных машин. Механическая эрозия оголяет верхнюю часть склонов от плодородной почвы и намного усиливает водную эрозию.
Освещению данной проблемы посвящена работа Шведас А.И. [1], где показано, что заметные потери почвы от механической эрозии совпадают по времени с началом использования отвального плуга для обработки склонов. Приведен большой объем экспериментальных данных по механической эрозии.
Теоретическая и экспериментальная работа по изучению механической эрозии почвы на склоновых полях при вспашке отвальными плугами проведена Макаровой М.С. и Зацаринным В.А. [3,4], где рассмотрено изменение углов постановки лезвия лемеха к стенке и дну борозды в зависимости от крутизны склона и от направления движения агрегата. Показано, что смещение почвы вниз зависит и от дальности полета почвы после схода с отвала.
D.A. Lobb [5] отмечает, что многие технологические операции приводят к перемещению почвы. При этом обработка почвы является наиболее распространенной из этих видов деятельности.
W.Van Muysen, G.Govers [6] показали, что эрозия почв происходит не только при основной обработке почвы, но и дополнительные обработки вносят значительный вклад в перемещение почвы и эрозию почвы.
В статье W Van Muysen, G Govers, K Van Oost [7] отмечается, что среднее расстояние перемещения почвы зависит не только от крутизны склона, но и зависит от скорости обработки, глубины обработки и направления обработки почвы.
В работе C Kosmas, St Gerontidis, M Marathianou, B Detsis, Th Zafiriou, W Nan Muysen, G Govers, T Quine, K Vanoost [8] указывается, что при обработке почвы полей с холмистым рельефом происходит транспортирование большого количества почвы из выпуклых склонов (верхней части склонов). Применение полученных эмпирических функций показало, что при существующих климатических условиях и методах обработки почвы площадь убыточных производственных площадей увеличится с 4,1 до 6,8% в течение 7 лет.
В работе G. Heckrath, U. Halekoh, J. Djurhuus, G. Govers [9] сообщается, что наименее эрозионным направлением обработки почвы является движение агрегата под углом 45 °.
В работах Бледных В.В. и Рахимова З.С. [10] было представлено теоретическое описание механической эрозии, где рассматривался процесс возникновения механической эрозии при работе стрельчатых лап поперек склона.
Рассмотренные труды показывают, что для описания процессов механической эрозии проводятся в основном экспериментальные работы. Имеющиеся теоретические работы посвящены в основном смещению почвы несимметричными рабочими органами – плужными корпусами отвальных плугов. Для обоснования процессов перемещения почвы рабочими органами в виде трехгранных клиньев, предпочтительных направлений движений агрегатов на склоновых полях, конструктивно-технологических параметров рабочих органов необходимо провести математическое описание процесса возникновения и протекания механической эрозии.
Математическая модель механической эрозии, приведенная в данной статье, обеспечивает определение смещения почвы рабочими органами в виде трехгранного клина в зависимости от их параметров, крутизны склона и направления движения машин относительно горизонтали поля. Это позволяет уже в стадии проектирования теоретически определить механическую эрозию почвы в зависимости от технологии возделывания культур и параметров рабочих органов, что даст возможность принять оптимальные технологии возделывания культур и параметры используемых рабочих органов.
Цель исследования. Снижение механической эрозии почвы на склоновых полях путем совершенствования технологий и конструктивно-технологических параметров почвообрабатывающих и посевных машин.
Условия, материалы и методы исследований. Рабочий орган, имеющий форму трехгранного клина (корпус плуга, стрельчатая лапа, диск и др.), смещает почву поперек направления движения машины. На равнине смещение почвы меняется только в зависимости от параметров рабочего органа – угла γ между лезвием лемеха и направлением движения и угла ε между поверхностью рабочего органа и плоскостью, параллельной поверхности поля и проходящей через лезвие лемеха. Так как перемещения почвы происходит симметрично относительно направления движения, то общего смещения почвы не происходит.
При работе на равнине почва по рабочему органу почвообрабатывающей или посевной машины перемещается под углом η между лезвием лемеха и направлением движения почвы по клину (рисунок 1), которая определяется по формуле Гячева Л.В.[ 11].
tgη = tg γ · cosε (1)
Определение перемещения почвы производится путем нахождения угла ηГ между проекцией траектории движения почвы на горизонтальную плоскость и направлением движения рабочего органа:
tgηг = tgγ – cosε – tgη/ 1+ cosε ·tgγ ·tgη. (2)
Величина смещения почвы Δ1 = ОЕ. Т.к. смещения почвы направо и налево будут одинаковые, то общего смещения почвы не произойдет. Смещение Δ1 влияет только на ширину развальной борозды. В связи с этим на равнинных полях механической эрозии почвы за счет рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин не возникает.
1. Шведас А.И. Закрепление почв на склонах. – Л., «Колос» (Ленингр. отделение), 1974. – 183с.
2. Бледных В.В. Механическая эрозия при обработке почвы на склонах / Бледных В.В., Рахимов З.С. // Динамика почвообрабатывающих агрегатов и рабочие органы для обработки почвы: Сб. науч. тр. ЧИМЭСХ - Челябинск, 1982, – С.24-29.
3. Макарова М.С. Параметры процесса обработки почвы склоновых полей лемешными плугами : автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.20.01. – Зерноград, 2010. – 19 с.
4. Макарова М.С. Рекомендации по вспашке почвы на склонах плугами общего назначения / Макарова М.С., Зацаринный В.А. //Вестник аграрной науки Дона.–2012.– № 4 (20).–С.22-29.
5. D.A. Lobb. Soil Movement by Tillage and Other Agricultural Activities Reference Module in Earth Systems and Environmental Sciences Encyclopedia of Ecology, 2008, Pages 3295–3303. Current as of 18 June 2012.
6. Antônio José Teixeira GUERRA, Michael Augustine FULLEN, Maria do Carmo Oliveira JORGE, José Fernando Rodrigues BEZERRA, Mohamed S.SHOKR. Slope Processes, Mass Movement and Soil Erosion: A Review. Pedosphere, Volume 27, Issue 1, February 2017, Pages 27-41.
7. W.Van Muysen, G.Govers. Soil displacement and tillage erosion during secondary tillage operations: the case of rotary harrow and seeding equipment.Soil and Tillage Research, Volume 65, Issue 2, May 2002, Pages 185-191.
8. W Van Muysen, G Govers, K Van Oost. Identification of important factors in the process of tillage erosion: the case of mouldboard tillage. Soil and Tillage Research, Volume 65, Issue 1, April 2002, Pages 77-93.
9. C Kosmas, St Gerontidis, M Marathianou, B Detsis, Th Zafiriou, W Nan Muysen, G Govers, T Quine, K Vanoost. The effects of tillage displaced soil on soil properties and wheat biomass. Soil and Tillage Research, Volume 58, Issues 1–2, February 2001, Pages 31-44.
10. G.Heckrath, U.Halekoh, J.Djurhuus, G.Govers. The effect of tillage direction on soil redistribution by mouldboard ploughing on complex slopes. Soil and Tillage Research, Volume 88, Issues 1–2, July 2006, Pages 225-241.
11. Бледных В.В. Сущность появления механической эрозии почв при обработке склонов / Бледных В.В., Рахимов З.С.// Сб. науч. тр. факультета механизации сельского хозяйства, посвященный 50-летию факультета – Уфа : БГАУ, 2001. – С. 80-87.
12. Гячев Л.В. Теория лемешно-отвальной поверхности / Тр.АЧИМСХ; Вып.13. – Зерноград, 1961. – 317с.
13. Рахимов З.С. Механическая эрозия почвы на склонах // Тракторы и сельскохозяйственные машины. – 2005. – №5. – С. 37-38.
14. Рахимов З.С. Влияние конструктивно-технологических параметров рабочего органа на смещение почвы и на механическую эрозию при работе на склонах // Известия Международной академии аграрного образования. – 2013. – Вып. 17. – С.108-112.
15. Рахимов З.С. Разработка противоэрозионных технологий и технических средств обработки почвы и посева на склоновых агроландшафтах: дис. … докт. техн. наук: 05.20.01. – Уфа, 2013. – 373 с.
16. Рахимов З.С. Прибор для определения траектории перемещения частиц почвы // Тракторы и сельскохозяйственные машины. – 2006. – № 2. – С. 24-25.
