Совершенствование процесса посева зерновых на склоновых почвах

Аннотация

Н.Ф. Скурятин, С.В. Мерецкий

С целью сокращения затрат энергии, стока паводковых и ливневых вод со склоновых площадей при посеве зерновых культур разработаны: энергоресурсосберегающий способ посева; конструктивно-технологическая схема посевной секции зернотуковой сеялки; аналитическая модель взаимодействия конструктивных элементов комбинированного сошника на базе стрельчатой лапы с почвой, формирующих в ней борозду с заданными параметрами для размещения двух рядков семян одновременно с удобрениями; аналитическая модель движения зерна по семятукопроводу и за его пределами в подлаповом пространстве; конструктивно-технологические параметры разрабатываемой посевной секции. Дана технико-экономическая оценка способа с учетом прибавки урожая, полученной в результате сравнительной оценки с традиционной технологией возделывания озимой пшеницы.
Ключевые слова: Почва, посев, склон, способ, устройство, удобрения, энергосбережение.

Ключевые слова:

В Центрально-Черноземной зоне под зерновые отводится более половины пахотных земель, при этом свыше 56% площадей расположены на склонах, превышающих один градус. Это обуславливает значительный сток паводковых и ливневых вод в овраги и балки, а вместе с ними смыв верхнего плодородного слоя почвы и внесенных традиционным (разбросным) способом удобрений [1].
Поэтому большое народнохозяйственное значение приобретает совершенствование приемов возделывания зерновых культур на эродированных почвах. Нами предложен способ посева зерновых культур с одновременным внесением удобрений на склоновых почвах [2] и конструктивно-технологическая схема посевной секции (рис. 1) для его осуществления [3].

1 - рама сеялки; 2 - кронштейн; 3 - пальцы;
4, 5 - тяги; 6 - пружина; 7 - Г-образная
стойка; 8 - ось; 9 - дисковый нож;
10 - семятукопроводы; 11 - тукопровод;
12 - лапа; 13 - кронштейн; 14 - втулка;
15 - ось; 16 - стойка; 17 - катки-ограничители;
18 - поводок; 19 - прикатывающий каток;
20 - тяга; 21 – пружина

Рисунок 1 – Схема посевной секции

Способ посева заключается в следующем: в почве в вертикальной плоскости выполняют щель на глубину, большую глубины посева. В горизонтальной плоскости почву на глубине посева подрезают и поднимают на некоторую высоту, при этом образуется полое пространство. Сечение вертикальной плоскостью в поперечном направлении представлено равнобокой трапецией, обращенной меньшим основанием вниз. Его длина равна ширине междурядья. Кроме того, угол наклона боковых стенок трапеции к горизонтали не превышает угла естественного откоса почвы. В борозду (в углы, образованные боковыми сторонами и нижним основанием трапеции) укладывают семена вместе со стартовой дозой минеральных удобрений. В щель между рядками семян ниже их уровня помещают основную дозу минеральных удобрений в виде вертикальной ленты или рядка. Слева и справа от образованной борозды на глубине, равной или меньшей чем ее глубина, в горизонтальной плоскости подрезают почву на расстояние, равное или большее половине ширины междурядья. Ранее поднятую почву опускают в борозду и уплотняют.
Описанный ранее способ посева позволяет сократить объем почвы с нарушенной структурой на площади посева (рис. 2), что и обеспечивает энергосбережение, так как не весь слой почвы толщиной, равной глубине посева, разуплотняется и поднимается рабочим органом на определенную высоту. По обе стороны каждой борозды остаются гребни почвы с исходной плотностью и ненарушенной структурой.
Объем почвы с ненарушенной структурой при проектируемом способе посева:

где  - объем почвы с ненарушенной структурой, %; В_м – ширина междурядья, м; α – угол естественного откоса почвы, º; h₀ – высота слоя почвы с ненарушенной  структурой, м; М * - глубина обработки почвы, м.
Следовательно, объем почвы с ненарушенной структурой зависит от физико-механических свойств почвы, глубины посева и принятой глубины обработки.
Борозды и щели, образованные поперек склона и заполненные разрыхленной почвой, выполняют функцию накопителя воды, что позволяет сократить ее сток, смыв почвы и удобрений (рис. 2).

1 - поднимаемый объем почвы; 2 - подрезаемый объем почвы;3 - объем почвы с ненарушенной структурой; 4 - потенциальный объем воды в борозде

Рисунок 2 - Схемы обработки почвы и накопления влаги на склоне по предложенному способу

Потенциальный объем накопления влаги в бороздах на 1 га:

где L – суммарная длина борозд на 1 га, м; β_скл. – угол склона поля, º; γ=180º-(α+β_скл.), º.
Т. е. потенциальный объем накопления влаги в борозде зависит от: физико-механических свойств почвы, глубины посева, принятой глубины обработки и угла склона поля.
Одними из основных элементов комбинированного сошника посевной секции являются семятукопроводы, назначение которых – обеспечить укладку семян в нужное место образованной борозды. Семятукопровод представляет собой совокупность наклонного гофрированного участка, вертикального гладкого - зона I и участка, где зерно движется по дуге окружности радиусом R - зона II (рис. 3). Для определения конечной скорости схода зерновки с семятукопровода определяем ее скорость во всех зонах, принимая в качестве начальной на новом участке – скорость зерновки в конце предыдущего участка.
Скорость входа зерновки в зону I семятукопровода определяется по эмпирической формуле Семенова:

где l_г.у. - длина гофрированного участка, м; g – ускорение свободного падения, м/с²; α_г.у. - угол наклона касательной к рабочей поверхности гофрированного участка, рад; v_к - скорость схода зерновки с желобка катушки высевающего аппарата, м/с; f_г.у. - коэффициент трения зерновки о стенки гофрированного участка; α_ж - угол наклона касательной к рабочей поверхности желобка катушки, рад.

l_г.у. – длина гофрированного участка семятукопровода; α_г.у. – угол наклона гофрированного участка семятукопровода; Н_тук. – высота семятукопровода; h_тук. – длина вертикальной части семятукопровода; Ш_тук. – ширина семятукопровода; δ_тук. – толщина стенки семятукопровода; R – радиус кривизны нижнего конца семятукопровода; х_тук. – ширина открытой части семятукопровода; α_сх. – угол схода зерновки; v₀₁, v₀₂, v_сх. - соответственно скорости входа зерновки в зону I семятукопровода, в зону II, схода зерновки с нижнего конца семятукопровода; h_П - расстояние между нижним концом семятукопровода и посевным ложем; h_с - расстояние от лапы до нижнего конца семятукопровода;l - дальность полета зерновки после ее схода с семятукопровода.
Рисунок 3 – Расчетные схемы семятукопровода
Скорость входа зерновки в зону II семятукопровода равна:

где h_тук. – длина вертикальной части семятукопровода, м.
Скорость схода зерновки с нижнего конца семятукопровода равна:


где R - радиус кривизны нижнего конца семятукопровода, равный его ширине, м; f – коэффициент трения зерновки о стенки семятукопровода; , º; α_сх. – угол схода зерновки с семятукопровода (угол между горизонтальной линией и касательной в точке схода зерновки), º.
Расстояние между лапой и посевным ложем можно определить по выражению:
,  (1)
Следовательно, расстояние между лапой и посевным ложем h₀ зависит от технологических параметров: ширины междурядья ВМ, скорости схода зерновки v_сх. и ряда конструктивных параметров: радиуса кривизны нижнего конца семятукопровода R и угла схода α_сх..
Экспериментальным путем установлено, что угол естественного откоса воздушно-сухой почвы равен =42,2º при среднеквадратическом отклонении не превышающем 0,683°.
Объем почвы с ненарушенной структурой уменьшается с увеличением глубины обработки, а с увеличением угла естественного откоса почвы - растет. Так, при глубине обработки равной 0,03 м, глубине посева 0,07 м объем почвы с ненарушенной структурой равен 20 %, это указывает на существенное сокращение энергозатрат при посеве зерновых предложенным способом.
Потенциальный объем накопления воды в борозде уменьшается как при увеличении угла склона поля, так и при росте угла естественного откоса почвы. Объем накопления воды в бороздах на 1 га при угле склона поля 4º достигает 200 т.
Основными конструктивно-технологическими параметрами посевной секции являются: расстояние между лапой и посевным ложем h0, ширина открытой части семятукопровода х_тук., угол схода зерновки с нижнего конца семятукопровода α_сх., высота семятукопровода Н_тук.(рис. 3), ширина лапы в месте ее верхнего изгиба, ширина лапы, длина носка стрельчатой лапы, длина лобовой части лапы.
Для обеспечения заданной ширины междурядья ВМ необходимо выбрать соответствующие параметры стрельчатой лапы, которые позволят зерновке после ее схода с нижнего конца семятукопровода попасть в углы борозды при нижнем основании. Для этого следует определить скорость v_сх. и угол схода α_сх. зерновки с нижнего конца семятукопровода, а также расстояние между лапой и посевным ложем h₀.
Исследования показали, что длина гофрированного участка l_г.у., угол его наклона α_г.у., величина вертикальной части семятукопровода h_тук. оказывают существенное влияние на скорость движения зерновки по семятукопроводу.
Скорость входа зерновки в зону II семятукопровода v₀₂ в диапазоне изменения длин гофрированного участка l_г.у от 0,2 до 1 м и углов наклона α_г.у. в интервале 40-80º изменяется в пределах 3,34-5,27 м/с. Величина скорости входа зерновки в зону II семятукопровода v₀₂ при длинегофрированного участка семятукопровода l_г.у.=0,6 м и угле его наклона α_г.у=60ºравна 4,2 м/с.
Скорость схода зерновки с нижнего конца семятукопровода vсх зависит от скорости входа во II зону v₀₂ и угла схода α_сх..
По зависимости (1) построили графики изменения половины ширины междурядья от расстояния между лапой и посевным ложем при различных углах схода α_сх. зерновки (рис. 4).

1 – ; 2 –; 3 – ; 4 – ; 5 –;
6 - половина ширины междурядья (ВМ/2=0,075 м)
Рисунок 4 - Изменение половины ширины междурядья от расстояния между лапой и посевным ложем при различных углах схода зерновки (длина гофрированного участка 0,6 м и угол его наклона 60º)
Откуда видно, что при изменении угла схода зерновки от 5 до 20º при ширине междурядья равном 0,15 м расстояние между лапой и посевным ложем изменяется от 0,033 до 0,053 м, т.е. требуемую ширину междурядья можно обеспечить при различных углах схода зерновки.
Угол схода α_сх. зерновки зависит от ширины открытой части семятукопровода x_тук.. Ширину открытой части семятукопровода равной 0,004 м приняли исходя из геометрических размеров зерен пшеницы, чтобы исключить вертикальную траекторию движения части семян после их выхода из семятукопровода, это нарушило бы рядовой посев с заданной шириной междурядья. Тогда при ширине открытой части семятукопровода х_тук.=0,004 угол схода равен α_сх.=10º.
Следовательно, для принятых: длины гофрированного участка 0,6 м, его угла наклона 60º, при угле схода равном 10º и ширине междурядья 0,15 м расстояние между лапой и посевным ложем равно 0,04 м (рисунок 4).
Следовательно, ширина лапы в месте ее верхнего изгиба при h₀=0,04 м равна Ш_{лап.изг.}=0,245 м.
Приведенные конструктивно-технологические параметры получены расчетным путем. С целью подтверждения их адекватности фактическим значениям для указанных условий проведены экспериментальные исследования дальности полета зерновки после ее схода с нижнего конца семятукопровода при различных углах схода и расстояниях до посевного ложа (рис. 5).
Расчетные значения дальности полета зерновки находили по зависимости, которая получена в результате преобразования формулы (1):

1, 3, 5 – расчетные кривые соответственно при  равном: 20; 10; 0º;
2, 4, 6 - экспериментальные кривые, соответствующие тем же углам схода
Рисунок 5 – Зависимость дальности полета зерновки l после ее схода с
семятукопровода от расстояния между лапой и посевным ложем h₀
Установлено, что среднее отклонение экспериментальных значений дальности полета зерновки от расчетных при длине гофрированного участка l_г.у.=0,6 м и угле его наклона α_г.у.=60º в диапазоне углов схода 0-20º колеблется в интервале 1,69-3,3 %. Это позволяет судить об адекватности полученной аналитической зависимости дальности полета зерновки экспериментальным данным.
Поскольку дальность полета зерновки является одним из основополагающих параметров, оказывающих влияние на технологические и конструктивные параметры комбинированного сошника, есть основание утверждать, что полученные расчетным путем значения (для принятых: длины гофрированного участка - l_г.у.=0,6 м; угла его наклона - α_г.у.=60º; длины вертикальной части семятукопровода - h_тук.=0,5 м; радиуса кривизны его нижнего конца – R=0,025 м; угла атаки стрельчатой лапы γ_лап.=20º и угла ее раствора φ_лап.=90º; величины перекрытия смежных проходов - Δ=0,0425 м) равны:
- расстояние между лапой и посевным ложем - h₀ =0,04 м;
- ширина открытой части семятукопровода - х_тук.=0,004 м;
- угол схода семян с нижнего конца семятукопровода - α_сх.=10º;
- ширина лапы в месте ее верхнего изгиба - Ш_{лап.изг.}=0,245 м;
- ширина лапы - Ш_лап.=0,33 м;
- длина лобовой части стрельчатой лапы – LC=0,112 м;
- длина носка стрельчатой лапы – ML=0,075 м.
На основании анализа технической литературы диаметр катков-ограничителей выбрали равным 0,42 м, а угол между направлением движения посевной секции и их осью симметрии - равным 10º. Расстояние между катками-ограничителями, а также расстояние от носка стрельчатой лапы до оси катков определяли экспериментальным путем. При определении их параметров в качестве критерия приняли глубину борозды, образованную посевной секцией. Результаты экспериментальных исследований приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Средние значения глубин борозд после прохода посевной секции

Из таблицы 1 следует, что при постоянном расстоянии катков-ограничителей от носка стрельчатой лапы удаление их относительно друг друга ведет к увеличению глубины борозды. Так, при расстоянии между носком лапы и осью катков равном 0,42 м увеличение расстояния между катками-ограничителями от 0,32 до 0,44 м ведет к росту глубины борозды от 0,017 до 0,036 м. Аналогичное изменение глубины борозды наблюдается и при увеличении расстояния от носка стрельчатой лапы до оси катков-ограничителей, их удаление от 0,42 до 0,48 м также приводит к двукратному увеличению борозды, т.е. от 0,017 до 0,033 м.
В соответствии с ГОСТ 26711-89 «Сеялки тракторные. Общие технические требования» высота гребней и глубина борозд не должна превышать 0,020 м. Поэтому мы выбрали оптимальный вариант размещения катков-ограничителей, характеризующийся параметрами – расстояние от носка стрельчатой лапы до оси катков-ограничителей равное 0,42 м и удаление их друг от друга равное 0,32 м. Глубина борозды после прохода посевной секции в полевых условиях по фону - стерня козлятника колеблется в пределах 0,013-0,017 при среднем значении 0,015 и коэффициенте вариации 9,3.
Оценка равномерности глубины заделки семян посевной секцией зернотуковой сеялки показала, что с увеличением скорости движения агрегата от 1,75 до 2,33 м/с отклонение от заданной глубины посева 0,07 м не превышает ±0,005 м при среднеквадратическом отклонении 0,0022 м.
Экспериментальным путем установлено, что при скорости движения равной 2,33 м/с тяговое сопротивление секции при ширине захвата 0,33 м не превышает 1 кН.Сравнительная оценка густоты стояния всходов озимой пшеницы при посеве двухдисковыми сошниками и разработанной посевной секцией существенных различий не выявила, что указывает на возможность и целесообразность внедрения в производство предложенного способа и устройства для его осуществления. Результаты полевого опыта показали, что урожайность при использовании предложенной посевной секции на склоновых землях (склон 2-3º) позволяет получить прибавку урожая озимой пшеницы до 2,2 ц/га.
Установлено, что применение предлагаемого способа посева зерновых и устройства для его осуществления в сравнении с традиционной технологией позволяет снизить приведенные затраты на 1 542 руб./га. Годовой экономический эффект от внедрения результатов исследований при использовании одного агрегата составит 1,77 млн. руб.

Литература

1. 1.Экологические основы земледелия (на примере Белгородской области) [Текст] : учеб. пособие / С.В. Лукин, Г.И. Уваров, П.Г. Акулов и др.; под ред. С.В. Лукина, П.Г. Акулова, В.П. Сушкова. — Белгород: «Отчий край», 2006. — 288 с.
   2.Патент № 2 350 064 России. Способ посева зерновых культур с внесением минеральных удобрений и устройство для его осуществления. [Текст] / Н. Ф. Скурятин, С. В. Мерецкий, А. Н. Скурятин (Россия). По заявке № 2007135158/12 от 21.09.2007 г. Опубл. 27.03.2009, Бюл. № 9.
   3.Патент № 2 415 539 России. Посевная секция. [Текст] / Н. Ф. Скурятин, С. В. Мерецкий, А. С. Новицкий, А. Н. Скурятин (Россия). По заявке № 2009143463/21 от 24.11.2009 г. Опубл. 10.04.2011, Бюл. № 10.