Оценка показателей качества и энергоэффективности в технологиях первичного восстановления залежных земель для условий органического земледелия

УДК 631.95:631.51.01 DOI 10.24411/2078-1318-2019-12192

Канд. техн. наук В.И. ШАМОНИН

ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ В ТЕХНОЛОГИЯХ ПЕРВИЧНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЗАЛЕЖНЫХ ЗЕМЕЛЬ ДЛЯ УСЛОВИЙ ОРГАНИЧЕСКОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ

Первичное восстановление плодородия залежных земель является проблемой общегосударственного масштаба. В разное время на различных уровнях были приняты решения о мерах по введению в оборот данных земель, в том числе и для условий органического сельского хозяйства.

Первичное восстановление залежных земель в настоящее время является актуальной задачей, так как введение их в сельскохозяйственный севооборот позволяет увеличить объем производства органической продукции. Учитывая агроклиматические особенности зоны, состояние растительного покрова, тип почвы, ее гранулометрический состав и другие, агрофизические свойства являются определяющими факторами при выборе технологических приемов и машин для первичной обработки залежных земель. Так, при обработке почвы ее уплотнение должно быть предотвращено, а сорные растения уничтожены. Применяемые в настоящее время технические средства не обеспечивают качественное проведение технологических операций по первичному восстановлению залежных земель для условий органического земледелия с наименьшими затратами труда и энергии.

Для выполнения работ по первичному восстановлению залежных земель для условий органического земледелия в различных регионах России разрабатываются и обосновываются зональные технологии и технические средства, отвечающие перспективным показателям качественных, экологических, энергетических и технико-экономических критериев. В Институте агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства -филиале ФГБНУ ФнАц ВИМ (ИАЭП - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) в настоящее время ведутся исследования по разработке технологий и технических средств с новыми рабочими органами для первичного восстановления залежных земель в Северо-Западном регионе РФ (зоне повышенного увлажнения), в том числе для условий органического земледелия [1,2].

Проведенный раннее анализ состояния залежных земель (7-8 лет) на экспериментальной базе с учетом засоренности и уплотненности позволил из них выделить 3 категории [3,4]:

1 - поля, заросшие мелкими деревьями, кустарником и многолетними сорными растениями;

2 - поля, заросшие мелким кустарником и многолетними сорными растениями с травостоем более 40 см;

3 - поля, заросшие сорными растениями (пырей ползучий, осот полевой, лютик ползучий, вьюнок полевой, пастушья сумка и т.д.) с высотой травостоя менее 40 см.

Органические методы для борьбы с сорными растениями основаны на механических действиях и процессах их уничтожения на самом раннем этапе проведения, т.е. при первичном восстановлении залежных земель. Данные мероприятия позволяют удерживать количество сорняков на низком уровне, предотвращают распространение их семян. Борьба с сорными растениями в органическом земледелии означает использование таких методов обработки, которые позволяют бороться с корневищами, вынося их из земли на поверхность, где они увядают и засыхают. Рациональный перечень технологических операций и соответствующих технических средств первичного восстановления залежных земель для органического земледелия зависит от следующих условий: состояния, толщины дернины,

плотности и твердости почвы, степени зарастания полей кустарником и мелколесьем, подтопления и переувлажнения [1].

Нами рассмотрены следующие технологии первичного восстановления залежных земель для органического земледелия [3,4]:

- традиционная технология - дискование с использованием дисковых борон БДН-3 на глубину 10-12 см (в 2 следа, вдоль-поперек);

- рекомендуемая технология - рыхление на глубину 14-15 см универсальным комбинированным почвообрабатывающим агрегатом УКПА-2,4 (в 2 следа, вдоль-поперёк), поверхностная обработка культиватором для предпосевной подготовки почвы КЗН-4,0 (или аналогичным культиватором) после двух-трёх дней высыхания дернины с целью отделения корневищ растений от почвы (в 2 следа, вдоль-поперёк);

- перспективная (энергосберегающая) технология - рыхление на глубину 14-15 см универсальным комбинированным почвообрабатывающим агрегатом УКПА-2,4 (в 2 следа, вдоль-поперёк), поверхностная обработка почвообрабатывающим агрегатом УКПА-2,4 с кольцевыми рабочими органами после двух-трёх дней высыхания дернины с целью отделения корневищ растений от почвы (в 1 след).

Исследованиями установлено, что первичное восстановление залежных земель для органического сельского хозяйства необходимо проводить в два этапа. Первый этап включает первичную обработку почвы по разрушению дернины, отделения корневищ сорняков от почвы, их выноса на поверхность, сепарацию верхнего слоя и выравнивание поверхности поля. Второй этап восстановления включает в себя проведение технологических операций, обеспечивающих восстановление плодородия земель посредством проведения вспашки (при необходимости), внесения и заделки органических удобрений.

Цель исследований - повышение эффективности технологий и технических средств первичного восстановления залежных земель для условий органического земледелия путем оптимизации показателей энергосбережения, качества и экологических требований к состоянию почвы для условий органического земледелия.

Задачи исследования:

- дать оценку технологий первичного восстановления залежных земель для условий ведения органического земледелия;

- обосновать рациональную технологию и технические средства для первичного восстановления залежных земель для органического земледелия;

- определить показатели эффективности энергосбережения, качества выполнения технологических процессов и экологических требований к состоянию почвы по результатам исследований.

Материалы, методы и объекты исследования. Объектами исследования являлись технологии и технические средства восстановления залежных земель для условий органического земледелия. Основная цель работы - это эффективные методы борьбы с сорной растительностью и уплотнением почвы на начальных стадиях обработки почвы.

Предметом исследований являлись показатели эффективности (производительность, погектарный расход топлива, затраты труда, энергоемкость процессов, качество технологических процессов и экологические требования к состоянию почвы) технических средств и технологий первичного восстановления залежных земель для органического земледелия.

Разработка и экспериментальная проверка технологий и машин для органического земледелия проводилась с применением современных информационно-измерительных систем и расчетов на экспериментально-производственной базе института «Красная Славянка» ИАЭП - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ. Исследования проводились на полях через 7-8 лет после последней обработки почвы 3-й категории залежных земель.

Показатели оценки качества работы технических средств определялись согласно «Правилам производства механизированных работ». Эксперименты проводились в

следующих условиях: влажность почвы, % - 20-24; травостой, см - 22 - 40; среднее количество растений, шт. /м2 - 756; тип почвы - дерново-слабоподзолистый; твердость почвы (средняя) до обработки (МПа)/(кг/см2) в слоях: 0-10 см - 1,2/12; 10-20 см - 2,0/20; 20-30 см -2,5/25. При проведении экспериментальных исследований скорость движения агрегатов в пределах от 1,92 до 3,57 м/с. Глубина обработки почвы при разрушении дерненного слоя составляла 10, 15 и 20 см. Угол атаки а дисковых кольцевых рабочих органов устанавливался на 160, 200, 250. Расход топлива определялся с помощью счетчика ББМ 90АР, установленного в топливную систему трактора МТЗ-82.

Степень крошения почвы определялась до и после прохода агрегата на контрольных площадках. Пробы отбирались в четырех точках - две по ходу и две на обратном ходе агрегата. В отобранных пробах определяли доли по фракциям (свыше 50 мм, 50-25 мм, 25-10 мм и менее 10 мм). Полученные данные заносились в наблюдательные листы. Фактическую глубину обработки определяли с помощью мерной линейки, число замеров - 30. Твердость, влажность, плотность и агрегатный состав почвы определялись в горизонте 0-20 см. Для определения влажности почвы брали навески почвы из каждого горизонта в пяти точках по диагонали выбранного зачетного участка. Твердость почвы определялась пенетрометром (почвенным твердомером) В1кеу-]оЬп в местах определения влажности в 3-кратной повторности. Засоренность почвы сорняками определяли на учетных площадках, равномерно расположенных на участке, количественным методом. В исследованиях были произведены расчеты показателей энергоэффективности технологий первичного восстановления залежных земель согласно разработанным раннее методикам [5,6].

Результаты исследования. В результате исследований проведена оценка различных технологий первичного восстановления залежных земель для условий органического земледелия.

Первичная обработка залежных земель в традиционной технологии проводилась с помощью дисковой бороны БДН-3 на глубину 10-12 см. Как видно из рис.1, а, дисковая борона не обеспечивает равномерность поверхности поля, в стыковых участках образуются борозды глубиной 8-12 см, дернина после обработки дисковой бороной разрушается и переворачивается, часть ее остается закопанной в нижние слои почвы (твердость почвы в обрабатываемом слое неравномерна и составляет 1,2-2 МПа/12-20 кг/см2). Практика показывает, что использование дисковой бороны на начальном этапе работ способствует измельчению стеблей и корневищ сорняков, но в дальнейшем, из-за неполного высыхания дернины, степень отделения сорных растений и их корневищ уменьшается, при этом степень уничтожения сорных растений после обработки уменьшается только на 50-60%. При первичной обработке залежных земель дисковой бороной дернина частично разрушается, а в оставшейся неразрушенной ее части, вследствие улучшения водного и воздушного режима почвы, сорные растения вновь начинают быстро прорастать.

а) состояние агрофона после обработки дисковой бороной на глубину 10-12 см

б) безотвальная обработка на глубину 1415 см

почвообрабатывающим агрегатом МТЗ-920+УКПА-2,4 для глубокого рыхления почвы

в) состояние агрофона после двух проходов

д) состояние участка поля после восстановления

г) поверхностная обработка почвы на глубину 8-10 см почвообрабатывающим агрегатом МТЗ-

920+КЗН-4

е) поверхностная обработка почвы кольцевыми рабочими органами на глубину 510 см

Рис. 1. Технологии восстановления залежных земель в условиях повышенного увлажнения

для органического земледелия

Таким образом, применение дисковой бороны не обеспечивает высыхание дернины, что приводит к быстрому прорастанию сорняков и дальнейшему уплотнению почвы. Поэтому первичная обработка залежных земель дисковыми боронами не дает необходимого эффекта по показателям качества обработки для условий органического земледелия и требует проведения дополнительных энергоемких операций, таких как, например, вспашка.

В рекомендуемой технологии первичного восстановления залежных земель использовался разработанный в ИАЭП - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ почвообрабатывающий агрегат УКПА-2,4 блочно-модульного типа для глубокой и поверхностной обработки почвы. Для разрушения мощной дернины данный почвообрабатывающий агрегат использовался в варианте для глубокого рыхления почвы с трактором класса 1,4 кН (МТЗ-920) (рис.1,б). После такой обработки в два следа дернина разрушается и разделяется на отдельные части (происходит разуплотнение почвы, твердость составляет 1,2-1,5 МПа/12-15 кг/см2) и при воздействии ветра и солнца высыхает в течение 23 дней (рис.1,в). Таким образом, данная операция, используемая для органического земледелия, предотвращает активный рост сорняков на начальной стадии обработки почвы (степень уничтожения сорных растений составляет 75-85%). Последующая обработка поля с применением культиватора КЗН-4 (ВИСХОМ - ИАЭП) с рыхлительной лапой на пружинных стойках и четырех легких планчатых катков только при работе в 2 прохода (вдоль-поперек) (рис.1,г) обеспечивает необходимую сепарацию верхнего слоя почвы, отделение сорных растений и их корневищ от почвы, и их выноса на поверхность, а также выравнивание поверхности поля со значительным улучшением показателей качества обработки по сравнению с традиционной технологией. Основным недостатком применения данных типов культиваторов является 2-кратное его применение, при этом разуплотнение дерненного слоя происходит на среднем уровне, сорные растения начинают прорастать уже после 20 дней обработки.

Перспективная (энергосберегающая) технология показывает, что при первичном восстановлении залежных земель для сепарации верхнего слоя почвы, отделения сорных растений и корневищ от почвы, и их выноса на поверхность, а также выравнивания поверхности поля, необходимо использовать почвообрабатывающий агрегат УКПА-2,4 с кольцевыми рабочими органами. Применение данного агрегата по сравнению с культиватором КЗН-4 за один проход обеспечивает требуемое качество обработки для

органического земледелия (рис.1,д). Агрегат УКПА-2,4 с кольцевыми рабочими органами за один проход выполняет следующие технологические операции: разбивание дернины на части, вырывание сорной растительности, отделение сорняков и их корневой системы от почвы, ее рыхление и выравнивание поверхности поля, а также операцию дискования почвы (при снятии кольца). Кольцевой рабочий орган (рис.1,е) обеспечивает разуплотнение дерненного слоя без оборота пласта на глубину до 5-10 см, сепарацию верхнего слоя почвы и выравнивание поверхности поля. Глубина обработки почвы регулируется изменением угла атаки рабочего органа. Экспериментальные исследования, проведенные по оценке качества работы УКПА-2,4 с кольцевыми рабочими органами, показали, что при увеличении угла атаки с 160 до 250 многооперационных рабочих органов, степень уничтожения сорных растений С°у увеличивается на 10-15%. Таким образом, происходит разуплотнение

дерненного слоя почвы (твердость почвы составляет 1,2 МПа/12 кг/см2), а многолетние сорные растения в значительной степени погибают (степень уничтожения сорных растений до 100%). На основании экспериментальных данных были установлены зависимости степени рыхления почвы Ко от скорости движения почвообрабатывающего агрегата при

изменяющемся угле атаки рабочих органов а = 160, а = 200 и а = 250. Так, в диапазоне изменения скорости движения агрегата от 1,92 до 3,57 м/с при установке угла атаки рабочих органов а= 160 среднее значение степени рыхления почвы увеличилось с 78 до 84%. При увеличении рабочей скорости на 1,65 км/ч (6 км/ч) степень рыхления повышается на 2%, а увеличении угла атаки кольцевых рабочих органов на 90 степень рыхления повышается на 8%, что показывает эффективность их применения в технологиях первичного восстановления залежных земель для органического земледелия.

В процессе исследований были произведены расчеты показателей энергоэффективности и оценки качества обработки представленных технологий первичного восстановления залежных земель для условий органического земледелия (табл.).

Таблица. Показатели энергоэффективности и качества технологий первичного восстановления залежных земель для условий органического земледелия

№ Наименование технологии Затраты труда, чел.ч/га Расход топлива, кг/га Затраты энергии, МДж/га Качество восстановления земель Требуемая дополнительная операция

1 Традиционная 0,4 14,5 1035 Неудовл. Вспашка

2 Рекомендуемая 2,2 24,8 1689 Удовл. Рыхление в 2 следа

3 Перспективная (энергосберегающая) 1,8 21,4 1432 Хорошее -

Экспериментальные исследования показали, что наилучшее качество работы у почвообрабатывающего агрегата УКПА-2,4 с кольцевыми рабочими органами, которое соответствует установленным агротехническим требованиям и нормам, предъявляемым к технологическим операциям обработки почвы для условий органического земледелия.

При обработке почвы по традиционной технологии с применением дисковой бороны БДН-3 в агрегате с трактором МТЗ-920 при работе в 2 следа затраты энергии на 1 га наименьшие (1035 МДж/га), однако обработка залежных земель дисковыми боронами не обеспечивает требуемого качества обработки (сорные растения быстро восстанавливаются после проведения операции), и затраты энергии являются неэффективными, требуется дополнительная операция - вспашка, которая увеличивает общие затраты в 2 раза.

При восстановлении залежных земель с использованием рекомендуемой технологии израсходовано 1689 МДж/га, так как требуемое качество работы культиватор КЗН-4

обеспечивает только при работе в два следа, разрушение дернины и прорастание сорной растительности после обработки - на уровне удовлетворительного показателя.

Расчеты показали, что перспективная (энергосберегающая) технология восстановления залежных земель с применением почвообрабатывающего агрегата УКПА-2,4 в варианте глубокого рыхления и с кольцевыми рабочими органами составляет 1432 МДж/га (при работе в 1 след) и обеспечивает хорошее качество выполненной работы (разрушение дернины слоя и дальнейшее прорастание сорной растительности после обработки происходит на уровне хорошего показателя) по сравнению с рекомендуемой технологией.

Выводы. Применение перспективной (энергосберегающей) технологии первичного восстановления залежных земель для органического земледелия с применением почвообрабатывающего агрегата УКПА-2,4 в варианте глубокого рыхления и с кольцевыми рабочими органами позволяет уменьшить затраты энергии на 257 МДж/га, расхода топлива -на 3,4 кг/га и трудозатраты - на 0,4 чел.-ч/га по сравнению с рекомендуемой технологией, обеспечивает требуемое качество обработки по сравнению с традиционной технологией без дополнительных операций, соблюдая экологические требования к состоянию почвы для условий органического земледелия. Технология позволяет более эффективно бороться с уплотнением почвы и сорной растительностью на начальных стадиях ее обработки.

Литература

1. Джабборов Н.И., Добринов А.В. Проблемы восстановления запущенных земель в СевероЗападном регионе России и пути их решения //Международный агроэкологический форум (21-23 мая 2013 г., Санкт-Петербург). - Том 1. - СПб.,2013. - С. 90-96.

2. Джабборов Н.И., Добринов А.В. Восстановление залежных земель в условиях повышенного увлажнения //Сельскохозяйственные машины и технологии. - 2015. - № 4. -С. 25-28.

3. Джабборов Н.И., Шамонин В.И. Сравнительная оценка технологий восстановления залежных земель в условиях повышенного земледелия//Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. - 2018. - № 3(96). - С.73-84.

4. Джабборов Н.И., Шамонин В.И., Сергеев А.В. Энергосберегающая технология восстановления залежных земель //Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. - 2018. - № 4(97). - С.149-159.

5. Джабборов Н.И. Вероятностно-статистический метод определения энергоемкости технологических процессов в растениеводстве: методическое пособие/ ТаджикНИИНТИ. -Душанбе, 1992. - С. 42.

6. Методика энергетического анализа технологических процессов в сельскохозяйственном производстве. - М., 1995. - С.95.

Literatura

1. Dzhabborov N.I., Dobrinov A.V. Problemy vosstanovleniya zapushchennyh zemel' v Severo-Zapadnom regione Rossii i puti ih resheniya //Mezhdunarodnyj agroekologicheskij forum (21-23 maya 2013 g., Sankt-Peterburg). - Tom 1. - SPb.,2013. - S. 90-96.

2. Dzhabborov N.I., Dobrinov A.V. Vosstanovlenie zalezhnyh zemel' v usloviyah povyshennogo uvlazhneniya //Sel'skohozyajstvennye mashiny i tekhnologii. - 2015. - № 4. - S. 25-28.

3. Dzhabborov N.I., SHamonin V.I. Sravnitel'naya ocenka tekhnologij vosstanovleniya zalezhnyh zemel' v usloviyah povyshennogo zemledeliya //Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. - 2018. - № 3(96). - S.73-84.

4. Dzhabborov N.I., SHamonin V.I., Sergeev A.V. Energosberegayushchaya tekhnologiya vosstanovleniya zalezhnyh zemel' //Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. - 2018. - № 4(97). - S.149-159.

5. Dzhabborov N.I. Veroyatnostno-statisticheskij metod opredeleniya energoemkosti tekhnologicheskih processov v rastenievodstve: metodicheskoe posobie/ TadzhikNIINTI. -Dushanbe, 1992. - S. 42.

6. Metodika energeticheskogo analiza tekhnologicheskih processov v sel'skohozyajstvennom proizvodstve. - M., 1995. - S.95.

УДК 628.356.1 DOI 10.24411/2078-1318-2019-12198

Аспирант М.И. ФАЙЗУЛЛИН

РЕГРЕССИОННЫЙ АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ЗАКРЫТОГО КОМПОСТИРОВАНИЯ ПОДСТИЛОЧНОГО НАВОЗА МЕТОДОМ ИСКУССТВЕННОЙ АЭРАЦИИ

Для повышения урожайности и плодородия почвы в качестве удобрения (перегноя) используются подстилочный и безподстилочный навоз/помет, который также является важнейшим звеном минерального и органического питания почвы [1]. В Российской Федерации объем отходов животноводства составляет примерно 770 млн м3 в год, эта площадь приблизительно равна половине Московской области. Всего из них используют 30% отходов животноводства для внесения в почву в качестве органического удобрения, а остальное загрязняет окружающую среду. Проблема переработки и утилизации отходов животноводства исключительно актуальна во многих странах мира [2]. Оптимизация метода ускоренной ферментации при компостировании помета, навоза и отходов ТБО с помощью применения установки продувки воздухом является актуальной задачей, так как позволяет снизить энергозатраты, а также ускорить ферментацию, повысив температуру материала и равномерно распределить воздух по всему объему вороха [3]. При этом не требуется ворошить весь объем бурта, а также нет необходимости в закупке дорогостоящей специализированной техники.

Цель исследования - изучить регрессионный анализ на процесс нагрева навозного бурта в результате его искусственной аэрации.

Задачи исследования.

1. Получить расчет коэффициентов регрессии при помощи программы «STATGRAPHIC Plus».

2. Провести исследования для данной зависимости на экстремум и найти оптимальные значения факторов.

3. Научно обосновать предлагаемые технические решения, методы и режимы утилизации и/или переработки отходов.

4. Провести экспериментальные исследования с полнофакторным регрессионным анализом.

Материалы, методы и объекты исследования. Планирование полнофакторного эксперимента согласно общим и частным методикам, статистическая обработка результатов, регрессионный анализ.

Результаты исследования. В сельском хозяйстве всегда остро стояла проблема утилизации отходов животноводческих ферм, так как навоз является веществом повышенной опасности (П-Ш класс опасности), оказывающим негативное и патогенное воздействие на