Мероприятия по снижению уплотнения почвы

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ                              ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМ. Н. П. ОГАРЁВА»

 

Аграрный институт

 

Кафедра почвоведения, земледелия и агрохимии

 

 

 

РЕФЕРАТ

МЕРОПРИЯТИЙ ПО СНИЖЕНИЮ УПЛОТНЕНИЯ ПОЧВЫ

 

 

                                                         Выполнил: студент 3 курса                                         Направление подготовки 35.03.04     «Агрономия» Якупов Е. Н.

Проверил: кандидат с.-х. наук, доцент, Емельянов С. В.

 

 

 

 

 

Саранск

2014

Содержание

 

Введение                                                                                                               3

1  Плотность почвы                                                                                             5

2  Понятие исходной плотности почвы                                                         5

3  Факторы приводящие к уплотнению почвы                                                7

4  Пути снижения уплотнения почвы                                                                 8

5  Система «Controlled Traffic Farming»                                                           12

6 Опыт применения CTF                                                                                 15     Заключение                                                                                                           17

Список использованных источников                                                                  19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

В последнее десятилетие в специальной литературе появился термин «машинная деградация почв». Он обозначает комплекс вредных последствий, вызываемых колесами, гусеницами и рабочими органами почвообрабатывающих машин. Один из наиболее грозных факторов деградации почв – переуплотнение.

Для того чтобы растения развивались нормально, требуется определенное соотношение между основными частями почвы: твердыми частицами, водой и воздухом. Оптимальной будет такая почва, в которой твердые частицы составляют 50 %, вода – 30 % и воздух – 20 %. Если почва переуплотнена, урожайность резко снижается. Это объясняется тем, что переуплотненная почва плохо впитывает влагу.[1]

Всю сельхозтехнику, которая сегодня применяется в растениеводстве, можно представить как систему, состоящую из двух частей: орудия для обработки почвы и растений и трактора – «тягача», который перемещает орудия.

Главная функция системы «тягач + орудие» – обрабатывать почву и растения в соответствии с заданной технологией выращивания сельхозкультур. В последние годы производители сельхозтехники исходя из стремления повысить производительность, увеличивают ширину захвата посевной техники. Но при этом растет вредное уплотняющее действие трактора и колес орудий на почву. При этом получается некий замкнутый круг: чтобы трактор мог тянуть широкозахватную сеялку, он должен быть мощным и иметь хорошее сцепление с почвой, но мощный «тягач» больше весит, а значит сильнее разрушает и уплотняет почву. Выходит, что для того, чтобы эффективно работать и при этом не уплотнять почву «идеальный трактор» должен быть одновременно и мощным и легким. Но по мнению экспертов на сегодняшний день эта задача невыполнима. Кроме этого, в последние годы наблюдается тенденция к утяжелению техники для сбора урожая, 65 тонн весит свеклокопатель – вдвое больше, чем в 60-е годы. «Чем тяжелее становятся тягачи, тем больше должны быть плуги, которые разрыхляют землю вновь», - предостерегает британский ученый-агроном Саймон Блэкмор. «Более 80 % энергии в земледелии тратится на то, чтобы с помощью одних машин возместить ущерб, нанесенный другими машинами».

 Гиганты расплющивают пахотный слой почвы, который обычно наполовину состоит из воздушных полостей. И тогда глубоко в почве, недоступный ни для какого плуга, образуется уплотненный слой, который мешает росту корней, вентиляции и проникновению влаги.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Плотность почвы

 

Плотность естественного сложения почвы является интегральным фактором множества процессов, различных по своей природе (антропогенные, живой и неживой природы и пр.), механизму действия (механические, физические, химические, биологические и пр.), степени; и продолжительности воздействия, продолжительности последействия и по другим признакам.

Плотность почвы не является постоянной величиной. В пределах отдельно взятого поля она различна как по площади, так и по глубине, а также изменяется с течением времени.[1]

Плотность почвы в данный момент времени t1 определяется на основе знаний об исходной плотности почвы, в качестве которой можно принять плотность в более ранний момент времени t0, и об изменении плотности в промежутке времени Dt между t1 и t0 т. е. r(t1) = r(t0) + r(Dt).

Факторы, оказывающие влияние на плотность почвы, можно разделить на факторы, действующие в краткосрочном периоде (менее года) и в долгосрочном периоде, а также на факторы естественного происхождения и антропогенные, т. е. созданные человеком.

 

2. Понятие исходной плотности почвы

 

Исходная плотность почвы – эта плотность почвы, сформировавшаяся на протяжении долгого времени образования почвенного слоя. В качестве исходной можно принять плотность почвы в момент времени, начиная с которого за ней ведется наблюдение. Исходная плотность почвы зависит от следующих основных факторов:

1. Минералогический состав твердой фазы. Более чем на 90 % твердая фаза почвы состоит из минеральных составляющих. Так как минеральная часть твердой фазы различных почв состоит из минералов различной плотности, то плотность твердой фазы зависит от содержания минералов с большей или меньшей плотностью. Минеральная часть почвы определяется подстилающей почвообразующей породой.
2. Гранулометрический состав почвы. Гранулой называют обособленную минеральную, органно-минеральную или органическую частицу кристаллического или аморфного строения, все молекулы которой находятся в химической взаимосвязи. Образуя структурные отдельности первого порядка (см. ниже), гранулы могут соединяться различными способами. Наличие гранул различного размера позволяет получить первичные структурные отдельности различной плотности даже при одинаковых массовых соотношениях первичных механических частиц. Таким образом, на уровне гранулометрического состава основную роль играет распределение гранул по размерам.

3.  Структура почвы – совокупность агрегатов (структурных отдельностей) различной величины, формы, пористости, механической прочности и водопрочности. Под воздействием физико-химических и иных факторов в почве образуются агрегаты сложного многоуровневого строения, представляющие собой совокупность первичных механических частиц (микроагрегатов), структурных агрегатов первого порядка, второго порядка и т.д., соединенных между собой в результате коагуляции коллоидов, склеивания, слипания. К первому порядку относят агрегаты, образованные из первичных механических частиц. Силами остаточных валентностей, а также путем склеивания и слипания могут образоваться агрегаты второго, третьего и т.д. порядка. Плотность почвы зависит от упаковки структурных агрегатов между собой и агрегатов меньшего порядка внутри агрегатов большего порядка, т.е. от плотности самих агрегатов. Плотность структурных частиц зависит от множества факторов, воздействующих, в частности, на содержание органического вещества в почве, таких как условия почвообразования, климатическая зона, разнообразные антропогенные факторы и пр.

4.  Влажность почвы влияет на плотность естественного сложения почвы. Естественно, что, замещая поровый воздух в почве, влага увеличивает ее плотность. Кроме этого в переувлажненной почве под действием силы тяжести происходит перегруппировка структурных отдельностей с образованием более плотной упаковки, которая сохраняется после высыхания. Однако данные процессы могут наблюдаться при влажности почвы превышающей влажность физической спелости почвы, а при увлажнении сухой почвы до указанного предела плотность почвы уменьшается, что связано с набуханием почвенных коллоидов, которые, расширяясь, увеличивают размеры почвенных пор.

 

3. Факторы приводящие к уплотнению почвы

 

Уплотнение почвы  может происходит под влиянием естественных и антропогенных факторов в краткосрочном и долгосрочном периоде.               К уплотнению почвы приводят следующие природные факторы:

1 Сила тяжести особенно явно проявляется после рыхления почвы почвообрабатывающими орудиями, когда между структурными агрегатами не возникли значительные силы сцепления. Сила тяжести действует как в долгосрочном так и в краткострочном периоде и ее можно принять одинаковой для всех почвенно-климатических условий.

2 Климатические и метеорологические факторы могут оказывать как уплотняющее, так и разуплотняющее действие на почву. К уплотнению почвы приводит ее оттаивание, так как плотность воды больше плотности льда и при таянии накопленной в почве влаги несколько уменьшается объем почвы при соответствующем увеличении плотности. Высыхание почвы до влажности ниже влажности физической спелости также приводит к ее уплотнению. Это связанно с наличием в почве коллоидных веществ, способных набухать при увлажнении и усаживаться при высыхании. Уплотнению почвы содействуют атмосферные осадки в виде дождя и града. Они оказывают как косвенное воздействие на плотность почвы через увеличение ее влажности свыше влажности физической спелости (когда вода больше не может поглощаться почвенными коллоидами и начинает замещать почвенный воздух), так и прямое механическое воздействие – удары капель и градин по почве, особенно не защищенной почвенным покровом, механически разрушают структуру и уплотняют ее верхнй слой. Поочередное промерзание и оттаивание почвы, также как и поочередное набухание и усадка не являются взаимно уравновешивающими, так как первые два фактора ведут к постепенному разуплотнению почвы, а два другие – к ее уплотнению.[3]

Основными антропогенными факторами, влияющими на плотность являются следующие:

- Передвижение сельскохозяйственной техники по полю

- Обработка почвы.

С передвижение сельскохозяйственной техники по полю связаны многие факторы, отрицательное влияние которых на плотность почвы достоверно доказано.

 

4. Пути снижения уплотнения почвы

 

За все время существования проблемы связанной с негативным воздействием ходовых систем машин на почву, было предложено множество вариантов ее решения, но по различным причинам ни один из них не нашел широкого применения, а в ряде случаев не вышел за рамки опытов.

В целом все разнообразие путей снижения вредного воздействия ходовых систем можно разделить на три группы:

1. агротехнические;
2. технологические;
3. конструктивные.

Внедрение научно-обоснованной агротехнической системы минимальной обработки почвы способствует росту урожайности сельскохозяйственных культур, уменьшению энергетических и трудовых затрат. Это достигается благодаря уменьшению числа и глубины обработок почвы, совмещению операций в одном агрегате или в одной машине и применению пестицидов. Система минимальной обработки почвы развивается в трёх направлениях: замена традиционной глубокой обработки почвы поверхностной; частичная или полная замена некоторых видов механической обработки внесением гербицидов; совмещение нескольких технологических операций в один процесс.

Для совмещения операций применяются комбинированные почвообрабатывающие и посевные агрегаты или машины с комбинированными рабочими органами. Это уменьшает число проходов машин по полям.[4]

К агротехническим приемам относится также рыхление почвы в следах колес и рыхление подпахотного слоя.

К технологическим методам относятся: применение широкозахватных агрегатов; выбор таких способов движения, при которых площадь уплотненной поверхности минимальна; внедрение в сельскохозяйственное производство мостового земледелия, мобильных секционных энергетических средств и модульного агрегатирования; использование агрегатов с рабочими органами-движителями.

С увеличением ширины захвата машинно-тракторного агрегата и длины гона площадь уплотненной колесами и гусеницами поверхности поля уменьшается.

В соответствии с разработками И. В. Гавалова, трактор не тянет сельскохозяйственного орудия непрерывно, а делает, короткие остановки через каждые 20...30 м. На остановках он упирается приданным ему якорным устройством в почву и подтягивает орудие с помощью троса в виде широкой ленты. К преимуществам такого способа относятся: возможность уменьшения массы (сила сцепления трактора с почвой во время остановки практически не зависит от его массы); в период подтягивания ходовая часть трактора не изнашивается, так как она не работает; устраняется буксование.

Мостовое земледелие позволяет снизить вредное воздействие ходовых систем на почву и придать сельскохозяйственному производству характер промышленного с максимальной механизацией, автоматизацией и компьютеризацией работ.

Агромостовая технология может найти применение при следующих предпосылках:

•  маршрутизация движения сельскохозяйственного агрегата и технологического транспорта по постоянным направляющим дорожкам в течение всего сезона возделывания и уборки сельскохозяйственных культур;

•  обработка только зоны размещения растений (направляющие дорожки не обрабатываются);

•  наличие единого энергетического модуля для выполнения всего комплекса сельскохозяйственных работ при возделывании и уборке;

•  переход к единой базовой колее агрегата и транспортных средств для различных пропашных культур (корнеплодов, овощей и др.).

Большое значение имеют интенсивные технологии возделывания озимых культур, яровой пшеницы, кукурузы, риса и проса. Они предусматривают, в частности, использование технологической колеи, по которой перемещаются все агрегаты.[2]

В связи с увеличением массы тракторов и повышением уровня вредного воздействия их ходовых систем на почву используют мобильные секционные энергетические средства (МЭС) и тракторы второго поколения, построенные по модульной схеме.

Рассредоточенные на большой ширине колеса МЭС с небольшим давлением воздуха в шинах оказывают меньшее разрушающее воздействие на почву. Уплотнение почвы при его работе меньше, чем после тракторов тягового класса 1,4.

В создании агрофильной техники для сельскохозяйственного производства важное место занимают машины с рабочими органами движителями. Их отличительная особенность заключается в том, что при обработке почвы активными рабочими органами возникают реакции, действующие в направлении движения (движущие силы). От тракторов, работающих с такими машинами, требуется реализация меньшего тягового усилия. Поэтому, для работы с такими машинами могут применяться более легкие тракторы.

К технологическим методам снижения уровня уплотняющего воздействия на почву можно отнести и такую наладку колесной ходовой системы трактора, при которой следы передних и задних колес не совпадают.

Целью конструктивных мероприятий по созданию новых и совершенствованию существующих ходовых систем, не оказывающих вредного воздействия на почву, является снижение контактных давлений.

В соответствии с требованиями стандарта давление на почву колес и гусениц при влажности, составляющей 0,7 от минимальной влагоемкости, не должно превышать в весенний период – 100, а в летне-осенний – 120 кПа (ГОСТ 26955286). Наиболее радикальные решения – применение технологий возделывания сельскохозяйственных культур, позволяющих вообще не воздействовать или незначительно воздействовать на плодородную часть почвы (мостовое земледелие, сельскохозяйственная авиация, аппараты на воздушной подушке). Однако применение указанных технологий затруднительно как из-за необходимости больших первоначальных затрат, так и по другим причинам. В настоящее время к наиболее перспективным путям снижения вредного воздействия ходовых систем на почву относятся улучшение деформационных свойств шин и совершенствование гусеничных движителей, создание новых эластичных колес, применение сдвоенных колес и многоосных ходовых систем, оптимизация зацепочных конструкций колес и гусениц и др.

Практиками в растениеводстве давно доказано, что массовое применение широкозахватных комплексов и тяжелых тракторов на полях увеличивает интенсивность и частоту воздействия на землю. Сейчас, когда следы от тракторов, комбайнов, самоходных машин и автомобилей перекрывают практически 100 % посевной площади, проблема уплотнения стала особенно серьезной.

 

 

 

 

       5 Система «Controlled Traffic Farming »

 
       Решением для многих фермеров стала система Controlled Traffic Farming (CTF), которая сокращает уплотнение почвы до минимума благодаря постоянным технологическим колеям и позволяет повысить экономическую эффективность использования полевого транспорта.

Система «Controlled Traffic Farming » была разработана в 70-е годы в Великобритании. Земледелие с использованием постоянной технологической колеи или, как его называют зарубежные исследователи, управляемым движением по полям – это отделение зон движения от зон возделывания растений. На практике это означает, что одни и те же колесные колеи используются для обработки почвы, посадки растений, опрыскивания и уборки. При этом колеса всех тракторов и машин установлены на одну и ту же ширину колеи (рис. 1).

У большинства фермеров, которые не используют движение техники по постоянным колеям, ширины колей машин разные и двигаются они по полю в разных направлениях, что приводит к покрытию следами колес более 80 % площади поля.

 

 
Рис. 1. Одинаковая ширина колеи для всех машин.

На рисунке 2 показана площадь покрытия поля следами колес от машин при переходе от традиционной технологии обработки поля к технологии без вспашки (no-till) и затем к использованию постоянной технологической колеи. Сравнение основано на трехметровой ширине колеи машин. Ширины захвата уборочного комбайна, опрыскивателя и культиватора кратны трем метрам и в данном случае составляют 9 метров. Возможно использование и большего оборудования, например, 15-ти метрового опрыскивателя.

Переход к технологии no-till, при которой используется меньше агротехнических операций, а, следовательно, и требуется меньше проходов техники по полям, сокращает площадь следов машин на поле до 46%. Использование постоянной технологической колеи и настройка ширины колеи у всех машин на один размер позволяет сократить площадь следов на поле до 14%.

Многолетние исследования и анализ систем проезда техники, контролируемого в рамках CTF, в разное время были проведены в Австралии, Германии, Чехии. При этом проводилось наблюдение за такими факторами, как повышение инфильтрации воды, формирование более рыхлой структуры почвы, беспрепятственный газообмен, улучшение полевой всхожести, более интенсивное прорастание корней и более стабильная урожайность. Согласно их результатам, кроме снижения уплотнения в корнеобитаемой зоне почвы имеет место лучшая доступность питательных веществ и воды для растений. Улучшение структуры почвы означает увеличение объема кислорода в почвенном воздухе. За счет открытых почвенных пор система позволяет воспрепятствовать эрозии почвы и смыву питательных веществ. Согласно исследованиям европейских ученых и практическим результатам в хозяйствах, в зависимости от сокращения доли площадей, по которым совершается проезд техники, возможно увеличение урожайности до 10 процентов.       

 
Рис. 2. Площадь покрытия поля следами колес

Такое повышение достигается, прежде всего, за счет более высокой урожайности на площадях, которые не подвергаются проезду машин, что компенсирует снижение урожайности на участках со следами от проезда техники.

 

       6 Опыт применения CTF

 
        Технически реализовать CTF удалось только в конце 1990-х годов, когда были внедрены точные системы управления GPS. С их помощью можно устанавливать технологическую колею, которая каждый год заново стабильно определяется. В качестве дополнительного эффекта они уменьшают перекрытие рабочей ширины и за счет этого позволяют экономить топливо, семена, удобрения и средства защиты растений.

Лидером в применении CTF стала Австралия. Именно в «стране кенгуру» 12 лет назад эта технология стала новым стандартом и применяется в основном для выращивания культур, пригодных для комбайновой уборки: зерновые, кукуруза, рапс, просо, сахарный тростник и овощи.

В настоящее время в Австралии 3 миллиона гектар обрабатываются с фиксированных маршрутов прохода техники. В стране для всей сельскохозяйственной техники принята единая ширина колеи в три метра. Согласно нормам технологических процессов опрыскивание производится на ширину 9, 27 или 36 метров, ширина захвата комбайнов составляет 9 метров. Крупное преимущество состоит в том, что техника идет только по 10-15 % площади. С помощью спутников через систему GPS контролируется точность следования техники по колее. 

Вот что говорит об использовании технологической колеи специалист по вопросам уплотнения почв из Австралии Рохан Рэйнбоу: «На самом деле проблема уплотнения почвы очень проста, и решить ее не сложно, важно понять главное: выбор техники никакой существенной роли в этом вопросе не играет. Все зависит от того, как вы располагаете машину на поле, как она перемещается по нему. Идеальным является такое расположение трактора, когда два колеса находятся на расстоянии 2–3 метров от его центральной оси и перемещаются по одной колее (фото 4). То же касается и остальной техники, движущейся по полю, – колеса должны идти «след в след» по единственной колее. Это кажется очень легко, но очень многие фермеры ставят колеса в разные места и, как следствие, возникают проблемы. Есть еще одна тонкость: важно, чтобы распылитель был в несколько раз шире, чем сеялка, таких же размеров стоит подбирать и комбайн. Но в первую очередь, - подчеркивает Рэйнбоу, -  уплотнение почвы  - это проблема фермеров, а не техники, важно просто понять это и действовать».

Согласно исследованиям австралийского ученого Джона Туллберга, использование систем проезда техники, контролируемого в рамках CTF, снижает выбросы парниковых газов. Исследование проводилось на территории восточного Дарлинг-Даунза (юго-восточная часть Квинсленда) на поле, которое в течение трех лет находилось под прямым посевом с применением системы Controlled Traffic Farming

Камеры контроля были установлены 16 июня 2010 года, вскоре после посева пшеницы с 35-см междурядьями. Посев осуществлялся комбинированной сеялкой для прямого посева “Stubble Warrior” от Excel Ag. с одновременным внесением в междурядья азота в виде безводного аммиака (дозировка 80 кг/га). Движение колес трактора, использовавшегося для посева (John Deere 8400, ширина колеи 3 метра, масса 8,5 тонн), было ограничено постоянными колеями. Точность движения обеспечивалось системами автоматического управления с GPS. 

В рамках эксперимента CTF сравнивалась с обычной технологией со «случайным движением» техники. Статические камеры контроля выбросов были установлены в междурядьях зоны «случайного движения» колес. Камеры были также установлены на неподверженной воздействию колес «постоянной грядке»; а также на незасеваемой и не удобряемой полосе «постоянного движения». Камеры были помещены в почву на глубину 10 см в линии примерно по контуру, под прямыми углами к направлению ряда. Четыре комплекта камер находились на расстоянии около 10 метров друг от друга.

Эксперимент проводился в течение 48 дней. Образцы были собраны из верхних частей на 20, 40 и 60 минутах для анализа метана и закиси азота газовым хроматографом Shimadzu GC-2014. Интенсивность потока рассчитывалась из линейного увеличения концентрации газа. Пробы температуры почвы и содержания влаги на глубине 10 см были отобраны с помощью регистратора времени и глубины (TDR), а образцы почвы были взяты для анализа азота в начале и в конце этого эксперимента. 

 В результате опыта средние уровни выбросов N2O при случайном движении по почве оказались выше, чем при движении по постоянной колее. Послепосевные выбросы при использовании движения техники по постоянным колеям составили около 40 % от показателей систем производства сельскохозяйственных культур без CTF. 

В ближайшее время австралийский ученый планирует продолжить исследования влияния CTF на выбросы парниковых газов. По мнению Туллберга, с учетом того, что закись азота является основным компонентом выбросов при выращивании сельхозкультур, применение Controlled Traffic Farming в будущем станет одним из основных компонентов экологичного земледелия. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 
        Преимущества системы земледелия с постоянной технологической    колеей: 
— ниже стоимость выполнения агротехнических операций из–за уменьшения потребления топлива, затрат времени и труда, экономии на семенах, опрыскивании и удобрении, 10–25 % экономии может быть получено сразу; 
— меньше эрозия почвы, и она лучше удерживает влагу, что обеспечивается правильно выбранным направлением рядов;

— позволяет проводить междурядную посадку растений, их культивацию и подкормку удобрениями;

— сочетается прямым посевом и дает возможность получить максимальную прибыль от нее;

— улучшает управление точными сельскохозяйствнными орудиями и системами; 
— растет производительность.

Даже во время культивации можно ожидать 50 % экономии топлива от использования постоянной технологической колеи. Потери урожая от незасаженных колей зависят от расстояния между ними. Но урожайность на «нетоптанных» площадях выше.

Комбайн, модифицированный под систему земледелия с технологической колеей, движется быстрее, чем по обычному полю, и, имея лучшее сцепление с почвой, потребляет меньше топлива. Можно еще больше снизить площадь покрытия поля следами колес, если увеличить расстояние между технологическими колеями.

Лишь несколько лет тому назад этот метод «управляемого движения по полю» вернулся в Европу. Внедренные в Великобритании, Дании и Голландии системы CTF на площади в несколько тысяч гектаров при выращивании зерновых, картофеля и овощных культур оценены как очень полезные с агрономической точки зрения. По данным Чешского университета естественных наук последние три года системы наведения и контролируемого движения техники по полю проходят апробацию и уже внедряются в сельхозпроизводство.