Исследование путей и возможностей регулирования плотности почвы

Традиционными путями «борьбы» с переуплотнением являются: предотвращение уплотнения с помощью широкозахватных и комбинированных орудий; маршрутизация движения техники по полю. Применение «почвощадящих» (агрофильных) ходовых систем тракторов (вплоть до запрета, по ГОСТу 26955-86 – Техника сельскохозяйственная мобильная, использования на весенне-полевых работах тракторов с удельным давлением на почву более 100 - 120 кПа). И, наконец, борьба с уплотнением путём разуплотнения почвы с помощью дополнительного глубокого рыхления.

Вопрос предотвращения уплотнения за счёт совмещения предпосевной обработки и посева уже затрагивался. Дополнительно можно отметить, что с помощью комбинированных орудий можно сократить сроки выполнения операций, но повлиять на плотность почвы в подсеменном слое они в принципе не могут. Кроме того, с увеличением ширины захвата орудия очень быстро нарастает потребность в мощности трактора-буксировщика. Например, трёхкорпусный плуг (ПЛН-3-35) шириной захвата 1,05 метра агрегатируется в регионе с трактором класса 1,4 (МТЗ-80), а пятикорпусный плуг (ПЛН-5-35) шириной захвата 1,75метра  агрегатируется уже с трактором класса 3 (Т-150). Поэтому возможность снижения уплотнения почвы за счёт увеличения ширины захвата агрегата представляется нам спорным. Особенно если вспомнить, что трактор с мощностью двигателя около 300 лошадиных сил, необходимый для агрегатирования с посевным комплексом шириной захвата около шести метров, уже на одинарных шинах «перекрывает» своим негативным воздействием на урожайность полосу шириной 6-7метров. А  при установке сдвоенных шин (так же активно рекламируемом для применения с посевными комплексами) негативное влияние трактора распространится уже на 7,5-8,5метров!

Маршрутизация движения техники применима при уходе за посевами (движение по постоянной колее) или при уборке урожая, но на этапе обработки почвы и посева она технически не возможна.

Оценка уплотнения почвы ходовыми системами агрегатов по величине «среднего давления движителей», кроме отсутствия её функциональной связи с урожайностью возделываемых культур [76] в ряде случаев даёт значительно искажённые результаты.

Например, анализируя результаты сравнительных испытаний гусеничного (масса 14863 кг, среднее давление 64 кПа) и колёсного (масса 7627кг, давление 238 кПа) тракторов, американские исследователи [183] установили, что, не смотря на большее в 3,7 раза среднее давление у колёсного трактора, уплотнение в следах обоих тракторов было одинаковое. Так как кроме давления на уплотнение почвы влияют размеры и форма опорной поверхности, распределение давления по опорным элементам, вибрация опорных поверхностей.

Или  удовлетворение  требований по среднему давлению у трактора ДТ-175С путём уширения гусениц приводит к увеличению массы трактора примерно на 200кг и годовому перерасходу топлива почти на 100кг. При этом уплотняющее воздействие трактора возрастает на 13% [75].

Наконец при установке на трактор Т-150К сдвоенных шин, ширина следа возрастает в 2,12 раза, среднее давление снижается со 155 до 108кПа. Однако площадь уплотнения почвы (в верхнем корнеобитаемом слое) возрастает, что приводит к снижению урожайности ячменя [76]. Так как даже при значительно более меньшем давлении на почву, чем это устанавливает ГОСТ 26955-86, происходит её уплотнение при различных размерах опорной поверхности (табл. 15).

15. Изменение плотности почвы с влажностью 0,7НВ при различной площади опорной плоскости [129]

Площадь опорной плоскости, см3	Давление на почву, кПа	Плотность (г/см3) по слоям, см
		0-10	10-20	20-30
Чернозёмная почва
Без уплотнения	---	0,91	1,05	1,14
156	50	1,13	1,19	1,21
306	44	1,08	1,18	1,22
702	57	1,12	1,21	1,27
Дерново-подзолистая почва
Без уплотнения	---	1,14	1,19	1,26
663	50	1,23	1,30	1,48

 

Поэтому эффект от сдваивания колёс сводится к повышению тягово-сцепных характеристик трактора, снижению глубины колеи и повышению агротехнической проходимости трактора [162]. Например, плотность торфяно-болотной почвы после прохода кормоуборочного комбайна КСК-100 посредине колеи составляет 0,277т/м³, а этого же комбайна на сдвоенных шинах – 0,292т/м³. При этом глубина колеи у комбайна с одинарными колёсами составляла 120мм, а со сдвоенными – 70-90мм [143].

Есть, конечно, и противоположное мнение: «Флотационные шины могут снизить степень уплотнения поверхностного слоя почвы, однако подповерхностный слой не будет претерпевать никаких существенных изменений, т.к. его уплотнение зависит от общей нагрузки на ось трактора» [187].

Поэтому в последние годы для оценки влияния ходовых систем на верхние слои почвы (подвергающиеся наибольшему воздействию) предложено использовать величину действующих контактных напряжений. При этом величина деформации почвы будет зависеть от исходной плотности почвы и не зависеть от площади опоры [42, 43, 129].

В целом, однозначно можно констатировать, что вопрос, впервые обозначенный Генри Крафтоном  английским инженером-изобретателем в 1860 году является актуальным до настоящего времени: «Состояние почвы, необходимое для хорошего роста сельскохозяйственной культуры, не является хорошим для движения по ней сельскохозяйственной машины и наоборот».

«Подрядчики на строительстве дорог предпочитают тщательно взрыхлить почву, а затем уплотнить её, иногда с помощью пневматических шин. Многие наши системы выращивания сельскохозяйственных культур следуют этому способу» [187].

Наконец, разуплотнение нижних и подпахотных слоев почвы глубокими дополнительными предпосевными обработками. Относительно этого предложения можно высказать сомнения по следующим моментам:

- сплошное глубокое мелиоративное рыхление на глубину до 60 см не влияет на плотность почвы в слое 0 – 20см и уменьшает плотность в слое 20 - 60см, что в итоге увеличивает урожайность в пределах точности опыта [155]. В опытах НПО «Подмосковье» [136] установлено, что на глубокое рыхление не реагируют озимая рожь и овёс. Устойчивую прибавку урожая от рыхления можно получить при выращивании картофеля (до 40ц/га) и многолетних трав (3-4ц/га). При этом условно чистый доход за ротацию с гектара севооборотной площади возрастает на 3% в зернопаропропашном и на 1,7% в зернотравяном севообороте (что по своей величине находится в пределах точности наблюдений);

-  суммарные затраты топлива на основную обработку почвы при проведении осенью минимальной обработки, а весной дополнительного глубокого рыхления почвы чизельными рабочими органами, составляющие в зависимости от используемых агрегатов от 16 до 28 л/га, близки к затратам топлива на вспашку [50,52,145]. Поэтому теряет смысл первоначальная идея перехода на минимальную обработку для экономии энергоресурсов;

-  дополнительная обработка - это затягивание сроков проведения посевной. А ранее мы установили, что каждый день запаздывания с севом  приводит к снижению урожайности яровых зерновых;

- разуплотнённая почва по объёму поглощаемой воды только в первые сорок минут сопоставима с не уплотнённой. Затем в течение 2 – 5 часов водопроницаемость разуплотнённой почвы резко снижается, что при интенсивном выпадении осадков приводит к эрозионным процессам [96];

- разуплотнённая чизелями почва после первого же прохода трактора (например, при проведении посева), уплотняется до уровня превышающего её уплотнение тракторами до разуплотнения [129].

Поэтому, хотя нам и известны положительные результаты разуплотнения тяжёлосуглинистой почвы [115] и при дополнительном рыхлении разворотных полос [169] очевидно, что применение дополнительного рыхления пахотного и подпахотного слоев почвы не будет стимулировать внедрение минимизированной обработки почвы в производство.

Более того, с теоретической точки зрения, согласно постулату, введённому ещё в тридцатые годы прошлого столетия, академиком В.Р. Вильямсом «семена при посеве должны размещаться на плотном основании, исключающем его дальнейшую усадку» [18], разуплотнение подсеменного слоя вообще не допустимо.

Именно эта формулировка, предложенная академиком В.Р.Вильямсом, трансформированная последующими поколениями учёных и практиков в более упрощённую:  «семена при посеве должны лежать на твёрдом ложе». С одной стороны, порождает всеобщее стремление к созданию этого ложа, а с другой стороны превращает конструкцию пахотного слоя в большую, до сих пор не решённую проблему.

Зачем нужно твёрдое ложе в современной трактовке вопроса понять просто – механизм крепления  дисковых и анкерных сошников сеялок (то есть  большинства  используемых  в  настоящее  время  сеялок)  рассчитан  на заглубление сошников в почву до  твёрдого основания. При отсутствии этого

основания, добиться равномерной глубины заделки семян (а значит и качественных всходов) невозможно, даже при использовании различных технических следящих систем. Это положение хорошо иллюстрирует схема из проспектов фирмы Lemken (рис. 5) [186].

Осадка основания невозможна, когда почва находится в состоянии равновесия или более плотном. То есть почва ниже глубины заделки семян должна иметь минимум равновесную плотность. И если величина равновесной плотности чернозёмов близка к оптимальной для растений плотности, то равновесная плотность почвы в Нечернозёмной зоне, составляющая в регионе 1,35-1,45г/см³, значительно превосходит оптимальную.

Рис. 5 Схема оптимальной, для посева конструкции пахотного слоя [186]

К чему это приведёт? Исследования показывают, что на выращивание зерновых при повышенной плотности подсеменного слоя, растения реагируют сначала замедлением темпа роста корневой системы (рис. 6),  а затем  (по мере роста степени уплотнения) – всё большим снижением величины получаемых урожаев [76, 120, 129, 130 и т.д.].

Более того, В.Ф. Трушин [159] ещё в шестидесятые годы прошлого столетия в своих исследованиях на оподзоленном чернозёме пришёл к выводу, что «на гомогенно рыхлых, плотных и оптимальной плотности почвенных слоях высокий урожай не осуществим». И предложил создавать дифференцированное по плотности строение пахотного слоя.

Рис.6  Динамика изменения объёма корней ячменя за вегетационный период

Выводы В.Ф. Трушина подтверждаются и современными исследованиями сибирских учёных, которые предлагают аналогичное строение пахотного слоя (рисунок 7) [172]. То есть в обеих работах предлагается в рыхлый пахотный слой встроить уплотнённую прослойку для улучшения условий заделки и прорастания семян и одновременно устраняющую избыточную плотность почвы, препятствующую развитию корневой системы растений.

Создавать эту прослойку рекомендуется с помощью набора известных почвообрабатывающих орудий [172]. То есть каток, в результате своего перемещения по равномерно взрыхлённой почве, должен уплотнять некоторый промежуточный слой почвы больше чем нижезалегающий (рис.7).

Рис. 7 Схема строения пахотного слоя с дифференциацией плотности почвы по слоям  [172]

Где: 1- рыхлый надсеменной слой плотностью 0,8- 0,95г/см³; 2- плотное семенное ложе (1,23 – 1,35г/см³); 3- умеренно рыхлый слой почвы (1,10 – 1,2г/см³);  4- подпахотный слой с естественным сложением

Сразу следует отметить, что указанная схема не может  быть реализована при применении поверхностной (минимальной) обработки. Так как при поверхностной обработке рыхлого подсеменного пространства просто нет или оно минимальных размеров. Следовательно «регулировка» плотности подсеменного слоя в этом случае невозможна, при этом почва остаётся при плотности близкой к  равновесной.

Реализация предложения В.Ф. Трушина и его последователей возможна при использовании глубокой основной обработки. При этом описание изменений, происходящих в разрыхленном слое при его уплотнении, сводится к решению задачи о воздействии сосредоточенной или распределенной нагрузки на уплотняемый слой, лежащий на твердом (недеформированном) основании (рис. 8).

Данная задача многократно рассмотрена в строительной механике [80,164]. Применительно к сельскохозяйственному производству, она рассматривалась для торфяно – болотной почвы Белорусскими учёными [144], для минеральной почвы -  Д.И. Золотаревской [42,43].

Установлено, что плотность почвы в некотором элементарном объеме (рис.8), расположенном в пределах разрыхленного слоя, изменяется как под воздействием «прямой волны» напряжений (сверху вниз). А при больших нагрузках, когда напряжения распространяются и на подпахотный слой, уплотнение происходит еще и за счет отраженной от плотного основания волны напряжений. При этом изменение объемной массы происходит как под воздействием нормальных, так и касательных напряжений.

Рис. 8 Расчётная схема по определению возможности создания прогрессивного сложения пахотного слоя

Причем при воздействии, только нормальных нагрузок (применительно к каткам это достигается использованием катков с диаметром более 300мм – для исключения эффекта сгруживания почвы [144]), уплотнение распространяется на весь взрыхленный слой. Поэтому как автору, так и другим исследователям, занимавшихся изучением процесса воздействия на почву катков с диаметром больше критического, получить уплотненную прослойку в обработанном  слое, то есть добиться чтобы плотность в объеме V₂ была меньше чем в объеме V₁ (рис. 8) не удалось (табл. 16,17, а также материалы исследований Сидорова Л.П. (четыре типа катков) [141], Гайфуллина Г.З. (кольцевые катки) [24], Голубева В.В. (гладкий и трубчатый катки) [25] и т.д.).

16.Уплотнение почвы после прохода кольчато – шпорового катка на скорости 6 км/час

Влажность почвы, %	Горизонт, см	Нагрузка, кН/м захвата
		3,5	4	4,5
16	0…5 5…10 10…15	0,928 1,116 1,315	0,934 1,125 1,312	0,951 1,132 1,323
18	0…5 5…10 10…15	0,952 1,144 1,349	0,958 1,154 1,346	0,976 1,161 1,357
20	0…5 5…10 10…15	0,972 1,169 1,377	0,978 1,179 1,375	0,997 1,186 1,386
22	0…5 5…10 10…15	0,989 1,189 1,402	0,995 1,199 1,399	1,014 1,207 1,411

 

17. Уплотнение почвы после прохода кольчато – зубового катка (кг/см³)

Влажность почвы, %	Горизонт, см.	Скорость 6км/час			Скорость 12км/час
		Нагрузка на метр захвата катка, кН/метр
		5	5,5	6	5	5,5	6
16	0…5 5…10 10…15	0,962 1,106 1,163	1,050 1,167 1,204	1,087 1,212 1,245	1,027 1,099 1,104	1,124 1,165 1,157	1,171 1,217 1,211
18	0…5 5…10 10…15	0,986 1,135 1,193	1,077 1,196 1,235	1,115 1,244 1,277	1,053 1,127 1,132	1,153 1,195 1,187	1,201 1,248 1,242
20	0…5 5…10 10…15	1,007 1,159 1,218	1,100 1,222 1,261	1,139 1,270 1,304	1,075 1,152 1,157	1,178 1,221 1,212	1,227 1,275 1,268
22	0…5 5…10 10…15	1,025 1,179 1,240	1,119 1,244 1,283	1,159 1,292 1,327	1,094 1,172 1,177	1,198 1,242 1,234	1,248 1,297 1,291

 

Невозможность реализации этого предложения с помощью только катков можно проследить при анализе физической стороны вопроса.    Согласно  начальной  задачи  необходимо частицы почвы, расположенные на

определённой глубине, разрушить (измельчить), так как увеличение объёмной массы конкретной почвы возможно только за счёт уменьшения её пористости. Что в свою очередь требует уменьшения размера частиц, из которой она сложена. Решение этой задачи, не затрагивая частицы почвы, расположенные выше и ниже этого слоя, и воздействуя только с поверхности, с помощью катка выглядит парадоксально (смоделировать задачу можно, например, с помощью поролона, пытаясь сжать, некий его средний слой, не деформируя наружные слои).

То есть, получить строение пахотного слоя, представленное на рис.7 с помощью только катков  чисто технически невозможно, т.к. несущая способность «умеренно рыхлого слоя» (поз.3), всегда будет меньше требуемой для создания плотного подсеменного ложа (поз.2).

Решение этого вопроса было предложено Герхардом Круппом [73]. Он предложил оснастить каток, которым создаётся уплотнённая прослойка, шипами – выступами.  Эти шипы уплотняли рыхлый слой на всю толщину и тем самым создавали несущее основание для уплотнённой прослойки (рис.9).

Рис.9 Конструкция пахотного слоя по Г. Круппу Где: 1- рыхлый надсеменной слой; 2- уплотнённая прослойка; 3- рыхлый слой; 4- уплотнённые зоны; 5- граница обработки;

При этом создание уплотнённых зон требовало использования давления на соответствующие участки почвы в диапазоне 1,5-2,5 кг/см³, т.е. эти зоны оказывались значительно переуплотнёнными. А сама технология – далёкой от идей ресурсосбережения, т.к. требовалось вначале весь пахотный слой качественно взрыхлить, затем укатать, формируя предлагаемую структуру, и, одновременно, ещё раз взрыхлить на глубину посева.

Кроме того, нужно было точно «угадать» какую нагрузку прикладывать к катку. При недостаточной нагрузке (когда каток не мог создать уплотнённые зоны), каток просто частично уплотнял взрыхлённый слой (перекатываясь на шипах), т.е. задуманное строение просто не реализовывалось. При избыточной нагрузке, уплотнённые зоны «уходили» в подпахотный горизонт, одновременно переуплотнялся весь пахотный, то есть требуемое строение опять не достигалось. А так как любое поле на своей площади имеет участки с неоднородной плотностью, то получение предлагаемого строения в итоге носило случайный характер.

Изменение объёмной массы почвы под воздействием внешней нагрузки описывается зависимостью имеющей вид [83,84]:

? ₌ ?_{0 +} b ln (? ₊ c?_max) ,

где: ?₀ – объёмная масса почвы до приложения нагрузки;

? – текущее значение объёмной массы;

? – среднее значение приложенных нормальных напряжений;

?_max – максимальное значение касательных напряжений;

b, c – эмпирические  коэффициенты, зависящие от типа почвы.

Используя эту зависимость в частности можно объяснить, почему колёсные трактора с равной массой и площадью опорной поверхности уплотняют почву в ряде случаев сильнее гусеничных тракторов. Дело в том, что у гусеничных тракторов предельное буксование не превышает 6-8%, а у колёсных тракторов буксование при номинальном тяговом усилии составляет 25-30% [84]. То есть касательное напряжение в почве при воздействии на нее колёсного движителя трактора значительно больше чем у гусеничного.

Именно касательные напряжения в некоторых случаях позволяют создать некоторую уплотнённую прослойку.

Например, при использовании катков небольшого диаметра или полозовидных (анкерных) сошников с тупым углом атаки (и те и другие в результате частичного сгруживания почвы приводят к возникновению касательных напряжений в её верхнем слое), возможно получение некоторого  уплотнения дна борозды. Например, Г.А. Василенко [15] установил, что при использовании катков диаметром от 100 до 250 мм уплотнение почвы распространяется на глубину до 120 мм. А при применении сошников с углом атаки 160⁰, Ваганин Ю.Т. [13] получил на легкосуглинистой почве приращение плотности дна борозды достигающее 0,3 г/см³.

В дальнейшем материалы исследований названных работ использовались при создании «катковых сеялок», получивших наибольшее распространение в Белоруссии.

Однако исследования А.В. Дружченко [33], сравнивавшего в модельных опытах эффективность выращивания зерновых при их высеве на тонкую уплотнённую прослойку (имитация катковой сеялки) и при высеве на плотное основание, ставят под сомнение эффективность этой прослойки. Получено, что урожайность при посеве на тонкую уплотненную прослойку, по сравнению с посевом на плотное основание снижается: ячменя и проса на 13 %, гороха на 8 %. И практически не отличается от посева в рыхлую почву (разница между вариантами математически не достоверная) [33].

Не пытаясь  в рамках данной работы, анализировать достоинства или недостатки представленной конструкции пахотного слоя, отметим, что в принципе она (как и все традиционные обработки) оставляет подсеменной слой пространственно однородным. То есть и в данном случае при выращивании зерновых максимальная их продуктивность будет обеспечиваться опять только при конкретном режиме увлажнения посевов.

Таким образом, на основании проведенного анализа, можно сделать общий вывод: как в производстве, так и в теоретических разработках, отсутствуют технологии обработки почвы, позволяющие направленно воздействовать на плотность подсеменного слоя почвы с целью получения максимальной урожайности зерновых при различных гидротермических условиях вегетационного периода. Отчасти существующее положение может быть объяснено тем, что подобная задача перед обработкой почвы ранее просто не ставилась.