OPTIMIZATION OF MACHINES FOR FERTILIZER ACCORDING BIOLOGICAL AND TECHNOLOGICAL CROPS PARAMETERS

Full Text

В настоящее время большее число применяемых удобрений в мире и Российской Федерации вносится разбросным способом из-за высокой производительности агрегатов и малых затрат на внесение удобрений. Однако в засушливые годы и особенно при внесении азотных удобрений этот способ малоэффективен. Более совершенен внутрипочвенный способ внесения удобрений. Исследования проведены с почвообрабатывающе-удобрительным агрегатом «Пегасус» (фирма Амазоне - Веерке - Германия, Самара), модернизированным установленными дополнительно глубокорыхлителями для обработки почвы и внесения удобрений на глубину 12 и 30 см. Прибавка урожайности составила: подсолнечник - около 16%, зеленая масса кукурузы - до 10%. Поочередное размещение рабочих органов по высоте или глубине обработки почвы (первый ярус - стрельчатые лапы, второй ярус - рыхлительные лапы) в соответствии с биологией развития корней позволяет поярусно вносить минеральные удобрения и обеспечивать дополнительным «питанием» корневую систему возделываемых культур на протяжении всего периода вегетации, тем самым прогрессивно влияя на увеличение биологической массы и урожайности. Рациональной расстановкой рабочих органов рыхлителей-удобрителей в поперечной плоскости в зоне максимального расположения корней (40-90 см) в соответствии с биологией их развития, корням обеспечиваются условия максимального использования внесенных внутрипочвенно удобрений. Многочисленными научными исследованиями доказана эффективность внутрипочвенного внесения удобрений. Ряд исследователей [1-7] проводят большую опытную работу по совершенствованию технологий и конструкций сельскохозяйственных машин для улучшения качества и равномерности внесения удобрений в почву. В работе представлено аналитическое обоснование рациональной расстановки рабочих органов машин в поперечной плоскости для равномерного внесения различного вида удобрений с учетом биологического развития корневой системы, технологий возделывания сельскохозяйственных культур и результатов полевых опытов, подтвердивших теоретические исследования. Цель работы: повышение равномерности внутрипочвенного внесения различных видов удобрений в корнеобитаемую зону возделываемых культур с получением максимальной урожайности. Задачи исследований: 1) систематизация и моделирование размеров корневой системы различных сельскохозяйственных культур; 2) исследование обеспечения наиболее благоприятного размещения удобрений для корневых систем возделываемых культур; 3) разработка рекомендаций для новых конструкций с оценкой существующих конструкций отечественных и зарубежных машин по обеспечению равномерности внесения удобрений в почву; 4) проведение полевых исследований влияния расстановки рабочих органов почвоудобрительных агрегатов на урожайность сельскохозяйственных культур. Методика исследований. Исследования равномерности объемного (в 2-х горизонтах) внутрипочвенного внесения удобрений опытным комбинированным почвообрабатывающе-удобрительным агрегатом «Пегасус» с использованием плоскорежущих и рыхлительных рабочих органов с тукопроводящей пневмотранспортной системой проводились на полях учебного хозяйства ФГБОУ ВПО Самарская ГСХА по ГОСТу Р 53054-2008. Машинные технологии производства продукции растениеводства. Методы экологической оценки. Дополнительно к ГОСТу Р 53054-2008 для визуальной оценки качества объемного внутрипочвенного распределений удобрений по горизонтам проведены опыты по специально разработанной методике, главным в которой является замена удобрений (растворимых во влажной почве) на белые полиэтиленовые шарики диаметром 2-4 мм, что аналогично по форме и размеру фосфорному удобрению «Суперфосфат». Полиэтиленовые шарики, являясь заменителями удобрений, заделывались в почву комбинированным агрегатом «Пегасус» в двухъярусном исполнении и после 20-30 дней естественной усадки почвы с помощью поперечных шурфов фиксировалось на координатной сетке местоположение этих шариков (контрастных по цвету с почвой). Результаты исследований качественной оценки размещения удобрений при их внутрипочвенном двухъярусном внесении плоскорежущими и рыхлительными рабочими органами показаны на рисунке 5, а, б, в. Исследования подтверждают гипотезу объемного внесения удобрений в зону корнеразмещения возделываемых сельскохозяйственных культур, что обеспечивает повышение их урожайности. Результаты исследований. В соответствии с целью работы и задачами исследований на основании имеющихся многочисленных данных по биологии корневых систем различных сельскохозяйственных культур (зерновые - пшеница, ячмень; пропашные - кукуруза, картофель, подсолнечник, сахарная свекла и т. д), проведена относительная систематизация их параметров в поперечной плоскости и по глубине с моделированием формы зоны распространения корней [1]. Параметры корневых систем определяют место эффективного внесения питательных сред - удобрений для интенсивного развития растений с целью формирования максимальной продуктивности сельскохозяйственных культур, что является основной при обосновании рациональной расстановки рабочих органов для внесения различных видов удобрений: твердые минеральные, жидкие - газообразные (безводный аммиак) [2-7]. Учащенная в поперечной плоскости расстановка рабочих органов обеспечивает более равномерное внесение удобрений в почву и повышение продуктивности сельскохозяйственных культур, однако при этом значительно возрастает тяговое сопротивление почвообрабатывающе-удобрительного агрегата, общие затраты, на производство с.-х. продукции и наоборот. Оптимизация расстановки рабочих органов в поперечной плоскости и по глубине обработки почвы зависит также от вида удобрений и их распространения в почве после внесения при различных технологиях возделывания сельскохозяйственных культур. Для твердых удобрений многочисленными проведенными ранее исследованиями и опытами авторов с наиболее эффективным на сегодняшний день почвообрабатывающе-удобрительным агрегатом «Пегасус» (фирма «Амазоне-Верке», Германия) рекомендована двухъярусная расстановка рабочих органов, причем первый ярус представляет собой стрельчатые лапы, которые вносят удобрения разбросным способом на глубину 10-12 см для начального развития растений, а второй ярус обеспечивается рыхлительными рабочими органами для глубокого рыхления почвы и заделки удобрений на глубину до 30 см - зоны основной массы корневой системы. Для обоснования типов рабочих органов для обработки почвы во втором ярусе (30 см) моделировались схемы развития корневой системы различных культурных растений не только по глубине, но и в поперечной плоскости (рис. 1). Комплексный анализ имеющихся данных [1] показал, что, как правило, зона основной массы корневой системы (60-70%) подсолнечника, картофеля, пшеницы представляют собой эллипсовидную форму с размерами от оси растения в поперечной плоскости 40 (подсолнечник, пшеница), 60 (картофель), 80-100 см (кукуруза) и до 60-140 см по глубине, что очень важно при проектирование типа рабочих органов для второго яруса и их расстановки в поперечной плоскости. Рис. 1. Обобщенные модели расположения основной массы корней в единой координатной системе: а) подсолнечник; б) кукуруза; в) картофель; г) озимая пшеница (аналогично: яровая пшеница, ячмень, овес) В связи с тем, что максимальное расстояние между растениями в междурядье 70 см у кукурузы, подсолнечника и картофеля, а зона максимального расположения корней в поперечной плоскости у этих же растений 40-90 см, то в процессе развития растений корни смыкаются и способны использовать удобрения, внесенные в этой зоне. В этом случае почвообрабатывающе-удобрительный рабочий орган 2-го яруса, расположенный сзади по ходу агрегата от плоскорежущего рабочего органа в целях минимальных энергетических затрат, может быть выполнен в виде рыхлителя и иметь расстановку в поперечной плоскости не более 70 см (рис. 2). 3 4 2 5 6 3 2 1 800 4 1 400 Рис. 2. Схема комбинированного почвообрабатывающе-удобрительного агрегата «Пегасус» с рекомендуемой расстановкой и типом рабочих органов: 1 - бункер для удобрений; 2 - рама; 3, 4 - плоскорежущие и рыхлящие рабочие органы с приспособлениями для ярусного внесения удобрений; 5 - сферические диски-выравниватели гребней; 6 - трубчатый каток В соответствии с нормами внесения и технологиями рассматривается 4 случая (рис. 3): Случай 1 возможного качества и количества внесения удобрений: Ni обеспечивает необходимое количество удобрений для начального развития всходов; N2 обеспечивает минимальную зону распространения удобрений для вегетативного развития растений N2 = 0,5N"2; Случай 2 возможного качества и количества внесения удобрений: N'i обеспечивает необходимое количество удобрений для начального развития всходов; N'2 обеспечивает промежуточное количество удобрений по сравнению с 1 и 3 случаями; Случай 3 возможного качества и количества внесения удобрений: N"i=N'i=N обеспечивает необходимое количество удобрений для начального развития всходов; N"2 обеспечивает всю корневую систему в зоне их основного вегетативного развития максимальным количеством удобрений; На рисунке 3 представлена расчетная схема расстановки рыхлителей: Г1 - глубина обработки первого яруса; Г2 - второго яруса, b - расстановка рыхлителей в поперечной плоскости. Г = 300 мм - Г1=120 мм Г = Г1+ Г2 Г2 = 300 мм - 120 мм = 180 мм Рис. 3. Виды разрушения почвы при различной расстановке рыхлителей и схема для расчёта оптимальной их расстановки При сделанных допущениях и принятой расчетной схеме оптимальная расстановка в поперечной плоскости рыхлителей должна быть не меньше 280 мм, а оптимально - 350-400 мм. Таким образом, проектирование рабочих органов и машин для подпочвенного внесения минеральных удобрений должно основываться на биологии растений - параметрах корневой системы в различных фазах развития. Рациональное сочетание эффективного использования минеральных удобрений корневой системы растений и минимальных затрат на процесс обработки почвы и подпочвенного внесения удобрений оптимизированными рабочими органами и специально разработанными почвообрабатывающе-удобрительными агрегатами (ПУА) обеспечит максимальную эффективность возделывания сельскохозяйственных культур. При подпочвенном внесении удобрений в первом ярусе целесообразно устанавливать плоскорежущую лапу, тогда удобрения равномерно распределяются по глубине высеянных семян и обеспечивают дополнительными питательными веществами растения. При обработке второго яруса на глубине до 30 см целесообразно использовать рыхлители, которые по законам деформации и разрушения почвы производят рыхление в «V» образном объеме в зависимости от типа почвы, глубины обработки и ширины рыхлительной лапы. В этом случае, размещая на разных глубинах окна в специальном тукопроводе рыхлителя, удобрения будут заделываться на разную глубину и при дополнительном воздушном нагнетании будут заполнять все пространство разрушенной почвы. Для подтверждения имеющихся рекомендаций проведены исследования по определению параметров зон разрушения почвенного пласта различными рабочими органами (рис. 4) для уточнения рекомендуемых рациональных расстановок как однотипных, так и различных почвообрабатывающих рабочих органов, использование которых может быть возможно при некоторой их доработке с установкой тукопровода и рассеивателя для внутрипочвенного внесения минеральных удобрений. Рис. 4. Профиль дна борозды, образованной плоскорежущими (1) и рыхлительными (2) рабочими органами, по глубине (а) и ширине (б) захвата Данные системные исследования позволяют рекомендовать к уже известной конструкции почвообрабатывающе-удобрительного агрегата с плоскорежущими рабочими органами «Пегасус» различные комбинации рабочих органов как по конструкции (плоскорежущие и рыхлительные), так и по их расстановке. Наиболее эффективными в соответствие с поставленной задачей по повышению эффективности внесенных удобрений на урожайность сельскохозяйственных культур будут следующие (рис. 5, а, б, в): 1) Размещение плоскорежущих рабочих органов в одной или нескольких (оптимально - двух) плоскостях-горизонтах (рис. 5, а). а) б) в) Рис. 5. Расстановка и конструкции рабочих органов почвообрабатывающе-удобрительного агрегата: а) в одной или нескольких (оптимально - двух) плоскостях-горизонтах; б) замена плоскорежущих рабочих органов рыхлительными лапами, также работающими в одном или нескольких горизонтах; в) комбинация плоскорежущих рабочих органов с рыхлительными лапами В этом случае плоскорежущие рабочие органы, подрезая почвенный пласт, равномерно на заданную глубину через специальные тукопроводы и рассекатель будут распределять минеральные удобрения, поступающие из бункера с соответствующей нормой также в одном или двух горизонтах. Наряду с агротехническими преимуществами работы данной схемы агрегата он получается излишне энергоемким. 2) Замена плоскорежущих рабочих органов рыхлительными лапами, также работающими в одном или нескольких горизонтах (рис. 5, б), позволит значительно снизить энергоемкость обработки почвы, но удобрения в этом случае будут размещаться, в основном, в бороздах после рыхлительных рабочих органов. 3) Комбинация плоскорежущих рабочих органов с рыхлительными лапами (рис. 5, в) позволит с учетом параметров корневой системы сельскохозяйственных культур обеспечить дополнительную подачу питательных веществ в различных фазах их развития, что позволит существенно повысить урожайность и качество возделываемых сельскохозяйственных культур. На основании проведенных исследований, теоретических обоснований, экспериментальных лабораторных и полевых опытов доказана эффективность внутрипочвенного внесения минеральных удобрений, повышающаяся от объемного их размещения с рекомендуемыми в работе параметрами по расстановке и комплектации почвообрабатывающе-удобрительного агрегата как плоскорежущими, так и рыхлительными рабочими органами или их сочетанием в разных почвенных слоях-горизонтах. Влияние удобрений и способов их внесения на урожайность зеленой массы кукурузы. В опыте с 8 сортами и гибридами кукурузы изучалось влияние на урожайность сельскохозяйственных культур различных доз минеральных удобрений, вносимых двумя способами - внутрипочвенно и вразброс. Проведенными исследованиями установлено, что с увеличением дозы удобрений прибавка урожайности семян подсолнечника в среднем по гибридам относительно «контроля» была максимальной при N90P90K90, прибавка составила +6,5 ц/га (44,8%) при поверхностно-разбросном способе, а при внутрипочвенном способе - +8,8 ц/га (60,7%). То есть внутрипочвенное внесение удобрений под подсолнечник было эффективнее, чем их внесение на поверхность в разброс в среднем на 2,3 ц/га или на15,9 % по сравнению с «контролем» (рис. 6). Рис. 6. Влияние доз минеральных удобрений и способов их внесения на урожайность подсолнечника Гибриды и сорта подсолнечника по-разному реагировали на способы внесения удобрений, однако в целом получен положительный отклик на внутрипочвенное внесение у большинства образцов в среднем на 7,8%, максимально - у гибрида Санморин 444 - 13,5%. В опытах по определению эффективности различных способов внесения минеральных удобрений на урожайность зеленой массы кукурузы выявлено следующее (рис. 7): 1) более высокая урожайность зеленой массы в сравнении со стандартом Поволжский 187 у гибрида кукурузы Росс 272, Пионер 39d81, Монатан независимо от способа внесения удобрений. Другие гибриды не отличались от стандарта; 2) увеличение дозы удобрений в среднем по гибридам и сортам прибавка зеленой массы была максимальной (73-76 ц/га) при наибольшей дозе N60P60K60; внутрипочвенное внесение удобрений было более эффективным по прибавке зеленой массы 64 ц/га при оптимальной величине удобрений N45P45K45. Ук=0 кг д.в./га Рис. 7. Влияние доз минеральных удобрений и способов их внесения на урожайность кукурузы на зеленую массу В опыте отмечена разная реакция сортов и гибридов на способ внесения минеральных удобрений. Гибриды СТК 189, Газель, Монатан на способы внесения удобрений не проявили достоверной значимой реакции по величине зеленой массы. Следовательно, при их выращивании может быть использован наиболее дешевый способ внесения удобрений - поверхностно-разбросной. Другие гибриды и сорта кукурузы дали более высокую урожайность зеленой массы при подпочвенном внесении удобрений: в среднем на 13 ц/га (5,6%), у стандарта Поволжский 187 она составила 21 ц/га (9,5%). Исследования подтверждают эффективность подпочвенного метода внесения минеральных удобрений при основной (зяблевой) обработке почвы по сравнению с поверхностно-разбросным как при возделывании семян подсолнечника, так и зеленой массы кукурузы. Проведенные исследования направлены на эффективное использование имеющихся серийных почвообрабатывающе-удобрительных агрегатов и вновь разрабатываемых, например агрегата немецкой фирмы «Амазоне Верке» - «Пегасус». Он представляет собой раму 2 с бункером 1 для минеральных удобрений и плоскорежуще-рыхлящие рабочие органы 3, 4, тукопроводы, по которым минеральные удобрения из бункера поступают под плоскорежущие рабочие органы и рыхлители, относительно равномерно распределяются специальными рассекателям подпочвенно на глубину обработки (рис. 3). При этом удобрения заделываются в два яруса - на глубину обработки почвы плоскорежущими рабочими органами и рыхлительными лапами. При этом почвенные гребни выравниваются сферическими дисками-выравнивателями 5 и почва уплотняется трубчатым катком 6. Как известно, не все типы минеральных удобрений хорошо мигрируют по глубине почвенного слоя даже при интенсивном увлажнении. Поочередное размещение рабочих органов по высоте или глубине обработки почвы позволит поярусно вносить минеральные удобрения и обеспечивать дополнительным «питанием» корневую систему в течение всего периода вегетации, прогрессивно влияя на увеличение биологической массы и урожайности возделываемых сельскохозяйственных культур. Заключение. Объемное размещение корневой системы сельскохозяйственных культур, в соответствии с конкретными параметрами по глубине и в продольно-поперечном расположении, достаточно наглядно описывающиеся геометрическими моделями, требует и объемного внутрипочвенного внесения удобрений, соответствующими для этого комбинированными почвообрабатывающее-удобрительными агрегатами. Объемное внутрипочвенное размещение удобрений обеспечивает более равномерное питание растений и формирование максимального урожая в процессе вегетации. С учетом известных и вновь создаваемых почвообрабатывающе-удобрительных машин предлагается двухъярусное расположение рабочих органов на 120-150 и 270 мм по глубине, а для улучшения качества и равномерности внесения удобрений без значительного увеличения тягового сопротивления первый ярус (120-150 мм) рекомендуется оборудовать стрельчатыми лапами, а второй ярус (до глубины 270 мм) - рыхлительными лапами с устройствами (тукопроводы, распределители…) для внесения удобрений. Внутрипочвенное внесение удобрений в корнеобитаемый слой сельскохозяйственных культур позволяет увеличить (в опытах) урожайность подсолнечника до 16%, кукурузы (на зеленную массу) - до 10%, двухъярусное объемное внутрипочвенное внесение удобрений дополнительно повышает урожайность сельскохозяйственных культур до 10-20%.

About the authors

V A Milyutkin

FSBEI HVE Samara SAA

Email: oiapp@mail
dr. of techn. sciences, prof., head of the department «Equipment and automation of processing industries» 446442, Samara region, settlement Ust’-Kinelskiy, Uchebnaya, 2 str

References

Supplementary files