Снижение экологических рисков в интенсивных технологиях возделывания картофеля за счет совершенствования технологического процесса междурядной обработки

СНИЖЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ РИСКОВ В ИНТЕНСИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ КАРТОФЕЛЯ ЗА СЧЕТ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА МЕЖДУРЯДНОЙ ОБРАБОТКИ

А.Б. КАЛИНИН1, д-р техн. наук; П.П. КУДРЯВЦЕВ1; И З. ТЕПЛИНСКИЙ2, канд. техн. наук Федеральное Государственное бюджетное научное учреждение «Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства» (ИАЭП), Санкт-Петербург, Россия

Федеральное Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет», Санкт-Петербург, Россия

Рациональное управление природопользованием предполагает перевод систем земледелия на адаптивно-ландшафтную основу, при использовании которых антропогенное воздействие во время производства сельскохозяйственных культур не будет вызывать отрицательных последствий. Необоснованное применение ряда технологических операций при возделывании картофеля приводит к нарушению экологического равновесия агроландшафтов. Поэтому одной из важных задач в решении проблемы повышения их устойчивости является выбор и обоснование рабочих органов машин для обработки почвы при уходе за посадками картофеля. Для анализа техногенного воздействия на почву в интенсивных технологиях возделывания картофеля был проведен натурный эксперимент по изучению динамики изменения показателей почвенного состояния. Оценку степени уплотнения почвы определяли по её твердости. В результате статистической обработки экспериментальных данных были получены оценки математических ожиданий изменения твердости почвы по глубине с шагом 5 см после выполнения посадки картофеля и после проведения различных вариантов междурядной обработки почвы. Оценку почвенного состояния проводили в междурядьях, уплотненных ходовыми системами трактора и посадочной машины. Анализ экспериментальных исследований показал, что по следу колес сажалки зона высокого уплотнения формируется, начиная с глубины А;=25 см. Для минимизации технологических и экологических рисков при возделывании картофеля была предложена экспериментальная схема секции пропашного культиватора.

Сравнительная оценка показала целесообразность глубокого рыхления междурядий, направленного на формирование значительного числа пор и капилляров, для создания необходимых условий для интенсивного отвода влаги в нижележащие слои.

Ключевые слова, экологическая устойчивость; агроландшафт; антропогенное воздействие на почву; пропашной культиватор; уплотнение почвы.

REDUCTION OF ENVIRONMENTAL RISKS IN INTENSIVE POTATO GROWING TECHNOLOGIES THROUGH IMPROVEMENT OF TECHNOLOGICAL PROCESS OF INTER-ROW CULTIVATION

A.B. KALININ1, DSc

fédéral State Budget Scientific Institution "Institute for Engineering and Environmental Problems in Agriculture - IEEP", Saint Petersburg

2Federal State Budget Educational Institution "Saint Petersburg State Agrarian University", Saint Petersburg

Sustainable environmental management involves the transfer of farming systems to the so-called landscape-adaptive basis, so that anthropogenic impact of farm crop production would not have negative effects. Unreasonable application of some technological operations in potato growing results in ecological imbalance of agro-landscapes. Therefore, one of the important tasks in addressing the challenge of agro-landscape sustainability improvement is the right choice and substantiation of tillage tools for post-planting potato cultivation. To study the man-caused load on soil in intensive potato cultivation technologies, a full-scale experiment was conducted to analyze the dynamic pattern of soil indicators. The degree of soil compaction was estimated by soil penetration index. Statistical processing of experimental data produced the mathematical expectation estimates of depth-variation of soil penetration index in 5 cm increments after potato planting and after using different types of inter-row cultivators. The soil penetration index was determined in the inter-rows (ridge bottoms) compacted by the tractor and planter running gear. Experimental studies demonstrated that high compaction zone was formed along the planter wheel tracks, starting with the depth of 25 cm. To minimize the technological and environmental risks originating from potato cultivation, an experimental arrangement of the inter-row cultivator section was designed. Comparative evaluation showed the expediency of deep inter-row loosening with the aim to form significant amount of pores and capillary channels in order to create the necessary conditions for intensive drainage of moisture to the underlying layers.

Keywords: ecological sustainability; agro-landscape; anthropogenic impact on soil; row crop cultivator; soil compaction.

ВВЕДЕНИЕ

Рациональное управление природопользованием предполагает при проектировании перспективных ресурсосберегающих агротехнологий производства сельскохозяйственных культур жесткий учет основных положений экологического земледелия. Перевод систем земледелия на адаптивно-ландшафтную основу позволит сформировать экологически сбалансированные агроландшафты, способные выдерживать необходимую антропогенную нагрузку без отрицательных последствий. Однако возрастающая интенсификация технологических приемов в растениеводстве является серьезным препятствием для сохранения экологической устойчивости агроландшафтов. Нарушение их экологического равновесия связано с тем, что почва подвергается различным видам деградации, что приводит, как известно, к ухудшению ее экологических, природорегулирующих и производственных функций. Интенсивное механическое воздействие сельскохозяйственной техники на почву и последствия неблагоприятных погодных условий существенно влияют на процессы физической деградации почвы, к которым в первую очередь относится переуплотнение, являющееся одним из важных факторов технологического и экологического рисков. Поэтому технические средства, применяемые для выполнения приемов обработки почвы, должны обеспечивать формирование требуемых параметров почвенного состояния не только с целью создания необходимых условий для роста и развития растений, но и для поддержания экологической устойчивости агроландшафтов.

растениеводства и животноводства

Рис. 1. Смыв почвы под воздействием осадков при возделывании картофеля на склонах

Картофель относится к сельскохозяйственным культурам особенно требовательным к создаваемому почвенному состоянию в течение всего периода вегетации. Для его возделывания в корнеобитаемом слое необходимо поддерживать такую структуру почвы, которая обеспечит высокое содержание пор и капиллярных каналов. Это во многом является условием улучшения влагообеспеченности корнеобитаемого слоя для более полной реализации потенциала растений независимо от влияния погодных условий. Однако вследствие широкого применения энергонасыщенных машинно-тракторных агрегатов в интенсивных технологиях возделывания картофеля, наиболее распространенных в картофелеводческих хозяйствах нашей страны, почва подвергается существенной антропогенной нагрузке. Исследованиями [1] установлено, что даже несмотря на применяемый в интенсивных технологиях принцип минимизации количества обработок почвы в период ухода за посадками картофеля с помощью традиционных приемов и технических средств, переуплотнение почвы, сформированное машинами для предпосадочной обработки почвы и посадки, не устраняется в полной мере. Это приводит к развитию деградационных процессов в почве (рис.1).

Поэтому одной из важных задач в решении проблемы переуплотнения почвы, возникающего в результате использования энергонасыщенных сельскохозяйственных агрегатов для обработки почвы и посадки картофеля, является выбор и обоснование рабочих органов машин для ухода за растениями [2]. Рациональная комбинация размещения рабочих органов на секции пропашного культиватора, адаптированная к условиям соответствующих агроландшафтов, направлена на минимизацию технологических и экологических рисков, возникающие при возделывании картофеля в интенсивных технологиях.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Для анализа техногенного воздействия на почву в интенсивных технологиях возделывания картофеля был проведен натурный эксперимент по изучению динамики изменения показателей почвенного состояния агроландшафтов в условиях Ленинградской области. Исследования выполнялись в производственных условиях ЗАО «Любань» на

81

дерново-подзолистых почвах легкого механического состава. Для оценки степени уплотнения почвы использовался такой ее параметр как твердость, который является по мнению многих исследователей [3, 4] наиболее информативным показателем, позволяющим оперативно определить данный параметр почвенного состояния. Это дает возможность оперативно оценить уровень антропогенной нагрузки на почву, оказываемый при функционировании комплекса машин для возделывания картофеля. Для оценки данного параметра использовался пенетроллогер со встроенной GPS системой, позволяющей определять значения твердости почвы в заданных горизонтах hh а также местоположение точки измерения на карте поля. Регистрация твердости почвы осуществлялась по глубине расположения горизонтов /?; почвенного пласта толщиной h = 60 см с шагом Ah = 5 см вдоль направления рядков картофеля на длине гона L = 100 м с шагом дискретизации А/ = 1,0 м. В работе [5] для оценки параметров почвенного состояния после выполнения основных технологических процессов возделывания картофеля предложено условно разделить степень уплотнения почвы на четыре зоны. Показатели твердости почвы в диапазоне 0-1,0 МПа будут соответствовать зоне нормального уплотнения (Н.У.), в диапазоне 1,1-2,5 МПа - зоне среднего уплотнения (С.У.), в диапазоне 2,6-4,5 МПа - зоне сильного или высокого уплотнения (В.У.), а свыше 4,5 МПа - зоне переуплотнения (П.У.).

При выполнении статистической обработки результатов экспериментальных данных были получены оценки математического ожидания т„, графическая интерпретация которых представлена на рис. 2. На данном рисунке представлено изменение оценки математического ожидания твердости почвы по глубине в междурядье после выполнения технологической операции по посадке картофеля механизированным способом.

Рис. 2. Распределение оценок математического ожидания твердости почвы по глубине в междурядье после прохода посадочного агрегата

Технологии и технические средства механизированного производства продукции

растениеводства и животноводства_

Анализ экспериментальных исследований показал, что после проведения посадки картофеля в междурядьях по следу колес трактора и сажалки зона высокого уплотнения формируется, начиная с глубины Ъ\=25 см (отсчет глубины проводился от уровня поля до формирования гребневой поверхности). До проведения посадки зона высокого уплотнения отмечалась на глубине свыше 35 см, а зоны переуплотнения не наблюдалось вовсе. Таким образом, уплотнение, созданное при выполнении посадки картофеля, приводит к ухудшению условий развития корневой системы картофеля уже на начальном этапе вегетации.

Теоретические исследования закономерностей взаимодействия с почвой различных типов рабочих органов, которые могут применяться на пропашных культиваторах при уходе за посадками картофеля показал, что эффективное устранение переуплотненных слоев почвы происходит при использовании рыхлительных лап. Данные рабочие органы рыхлят почвенный пласт за счет распространения в нем зон деформации по линиям наиболее слабых внутрипочвенных связей и взаимного перемещения частиц относительно друг друга [6].

Рис. 3. Схема секции пропашного культиватора для глубокой обработки междурядий

Для минимизации технологических и экологических рисков, возникающих при возделывании картофеля была предложена экспериментальная схема размещения рабочих органов на секции пропашного культиватора (рис. 3), на которой последовательно расположены оборотная рыхлительная лапа 1 на Б-образной пружинной стойке, предназначенная для рыхления почвы в защитной зоне, оборотная рыхлительная лапа 2 на жесткой стойке, выполняющая глубокое рыхление почвы по центру междурядья и гребнеобразующая плита 3 на пружинной подвеске, которая упрочняет поверхность формируемого гребня.

Интенсивная технология возделывания картофеля предусматривает однократное проведение междурядной механической обработки посадок с одновременным формированием высокообъемных гребней. С целью оценки эффективности глубокого рыхления междурядий во время выполнения данной операции по сравнению с применением

1

2

традиционных пропашных культиваторов с пассивными рабочими органами, с использованием того же оборудования и методики оценки почвенного состояния, проводились полевые испытания на том же участке, где были выполнены исследования воздействия на почву картофелепосадочной машины. Графическая интерпретация результатов статистической обработки оценок почвенного состояния в виде математических ожиданий твердости почвы по глубине представлены на рис. 4 и 5.

Рис. 4. Распределение оценок математического ожидания твердости почвы по глубине в междурядье после прохода пропашного культиватора на глубину до 15 см

Рис. 5. Распределение оценок математического ожидания твердости почвы по глубине в междурядье после прохода пропашного культиватора для глубокой обработки

Технологии и технические средства механизированного производства продукции

растениеводства и животноводства_

Анализ результатов сравнительных испытаний показал, что междурядная обработка пропашным культиватором с традиционной комплектацией рабочих органов на секции привела к тому, что в местах прохода колес сажалки абсолютные значения твердости почвы в слоях Ъ\ = 10-25 см увеличились на 7-25%.

Таким образом, применение пропашного культиватора с традиционной комплектацией рабочих органов, предназначенных для работы на глубину не более 15 см, не только не позволяет устранить уплотнение почвы в междурядьях, но и приводит к увеличению этого показателя от воздействия ходовой системы тракторов. Это, в свою очередь, влечет за собой увеличение отрицательного антропогенного воздействия на почву при возделывании картофеля.

Глубокая обработка междурядий пропашными культиваторами обеспечивает создание рыхлого дна борозды на глубину до 15 см и снижает значения твердости в нижележащих слоях на глубине до 40 см. Такая структура дна борозды обеспечивает быстрое впитывание воды в нижние слои почвенного горизонта, исключая их сток в более низкие участки поля. Обработка посадок картофеля пропашным культиватором с экспериментальной схемой размещения рабочих органов не привела к дополнительному уплотнению почвы в слоях Н\ > 25 см. Это позволяло корневой системе растений свободно развиваться и не испытывать стресс на начальном этапе развития, а также свободно проникать в междурядья, используя запасы элементов питания и влаги в этой зоне.

ВЫВОДЫ

Таким образом, производственная проверка выявила те технологические операции при возделывании картофеля, применение которых ведет к формированию зон повышенного уплотнения в корнеобитаемом горизонте. На основании теоретических исследований разработана схема пропашного культиватора, применение которого направлено на устранение отрицательного эффекта антропогенного воздействия на почву во время выполнения междурядной обработки почвы.

Сравнительные экспериментальные исследования показали целесообразность глубокого рыхления междурядий, направленного на формирование в обработанном слое значительного числа пор и капиллярных каналов, для создания необходимых условий для интенсивного отвода влаги в нижележащие слои корнеобитаемого почвенного горизонта, не допуская её стока по дну борозды. Кроме этого, комплектование секций пропашного культиватора рыхлительными лапами для глубокой обработки способствует нормальному развитию растений и сохранению экологического равновесия агроландшафта в интенсивных технологиях возделывания картофеля.

ЛИТЕРАТУРА

1. Калинин А.Б., Теплинский И.З., Кудрявцев П.П. Почвенное состояние в интенсивной технологии. // Картофель и овощи. 2016. № 2. С. 35-36.

2. Калинин А.Б., Теплинский И.З., Кудрявцев П.П. Выбор и обоснование рабочих органов и схемы их размещения на секции пропашного культиватора для минимизации экологических рисков при возделывании картофеля // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. -2016. - №43. - С. 327-330.

3. Лурье А.Б., Еникеев В.Г., Теплинский И.З., Смелик В.А. / Сельскохозяйственные машины. СПб., 1998. - 366 с.

4. Шеин Е В. Курс физики почв - М.: «Изд-во МГУ», 2005 - 432 с.

5. Медведев В.В. Твердость почв. Харьков: КГ1 «Городская типография, 2009 - 152

с.

6. Панов И.М., Ветохин В.И. / Физические основы механики почв. Киев: Феникс, 2008.-266 с.

УДК 631.43

ПОВЫШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ ПРОПАШНЫХ КУЛЬТУР

Н.В. РОМАНОВСКИЙ; В.А. ЮНИН, канд. техн. наук

Федеральное Государственное бюджетное научное учреждение «Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства» (ИАЭП), Санкт-Петербург, Россия

При возделывании сельскохозяйственных культур происходит воздействие на экосистему почвы. Мероприятия по обеспечению безопасности экосистемы можно разделить на предупреждающие и улучшающие.

Предупреждающие предусматривают мероприятия, исключающие негативное воздействие на экосистему при составлении севооборотов и технологий, например, в целях улучшения структуры почвы и уничтожения сорных растений, необходимо включить в севооборот «черные пары».

Кроме механического воздействия при выполнении технологических операций происходит загрязнение почвы химическими веществами, входящими в состав минеральных удобрений и гербицидов. Предлагаются приемы значительного снижения поступления этих веществ в почву. При локальном внесении удобрений возможно снижение нормы внесения в 2 раза. При выполнении технологических операций под воздействием рабочих органов машин и движения энергетических средств неизбежно происходит уплотнение подпахотного горизонта, вследствие чего происходит нарушение водно-воздушного режима почвы. Предлагается конструкция культиватора-окучника глубокорыхлителя, при использовании которого происходит рыхление плужной подошвы почвы.

Составление севооборота и технологий воздействия с учетом мероприятий по защите экосистемы почвы дает возможность повысить эффективность возделывания сельскохозяйственных культур.

Ключевые слова: экология, экосистема, структура почвы, водно-воздушный режим, минеральные удобрения, гербициды.

IMPROVEMENT OF ENVIRONMENTAL COMPATIBILITY OF ROW CROP CULTIVATION PRACTICES

N.V. ROMANOVSKY; V.A. YUNIN, Cand. Sc.

Fédéral State Budget Scientific Institution "Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production - IEEP", Saint Petersburg