Биофизическое переуплотнение почвы на территории села Ключи машинно-тракторными агрегатами и пути решения данной проблемы

Министерство образования Республики Башкортостан

Башкирский институт развития образования

Конкурс «Исследовательских работ»

Малой академии наук школьников Республики Башкортостан

Биология

Исследовательская работа:

«Биофизическое переуплотнение почвы на территории

села Ключи машинно-тракторными агрегатами

и пути решения данной проблемы»

Исполнитель:

Селянина Регина Юрьевна,

ученица МБОУ СОШ с. Ключи Аскинского

района Республики Башкортостан, 7 класс

Работу проверил ________________ Руководитель:

_______________________________ Учитель физики Лутфуллин Ришат

ф.и.о __________________________ Минимухаматович

_______________________________ Адрес: 452882, РБ, Аскинский район, с.Ключи, Оценка ________________________ ул. Школьная,1, 834771 – (2 – 81 – 43).

Уфа - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

.

Введение………………………………………………………………………………3

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ……………4

2. АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЛИЯНИЯ УПЛОТНЯЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ…..5

МАШИННО – ТРАКТОРНЫМИ АГРЕГАТМИ НА ПОЧВУ

1. ПУТИ РЕШЕНИЯ, СНИЖАЮЩИЕ УПЛОТНЕНИЕ ПОЧВЫ И ИХ ………….8 ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ

2. ВЫВОДЫ……………………………………………………………………………15

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………..……….15

4. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ………………..16

Введение

Обоснование выбора темы.

Почва представляет собой совершенно особое природное образование, обладающее только ей присущими строением, составом и свойствами. Важнейшим свойством почвы является ее плодородие, т. е. способность обеспечивать рост и развитие растений. Это свойство почвы представляет исключительную ценность для жизни человека и всех живущих на суше организмов. Плодородие почвы определяет ее важность как основного средства сельскохозяйственного производства.

Актуальность исследования:

Изучение почв необходимо не только для сельскохозяйственных целей, но также и для развития лесного хозяйства, инженерно-строительного дела. Знание свойств почв необходимо для решения ряда проблем здравоохранения, разведки и добычи полезных ископаемых, организации зеленых зон, парков и скверов в городском хозяйстве и т. д.

Наука о происхождении и развитии почв, закономерностях их распространения, путях рационального использования и повышения плодородия называется почвоведением.

Основателем почвоведения как самостоятельной естественноисторической науки является выдающийся русский ученый Василий Васильевич Докучаев (1846-1903). Он впервые сформулировал научное определение почвы, разработал генетическую классификацию почв и новые методы изучения и картографирования почв в поле. Докучаев открыл основные закономерности географического распространения почв и внес большой вклад в теорию и практику охраны и повышения плодородия почв, особенно в черноземных областях России. Большое значение для дальнейшего развития почвоведения в нашей стране имели труды Н. М. Сибирцева, П. А. Костычева, К. Д. Глинки, В. И. Вернадского, В. Р. Вильямса, К. К. Гедройца, Л. И. Прасолова, Б. Б. Полынова, И. В. Тюрина и др.

Как мы видим, изучение почвы – очень важная тема. Поэтому я решила изучить почву моего села – Ключи.

Новизна проблемы:

Производство растениеводческой продукции предусматривает современные многооперационные технологии возделывания сельскохозяйственных культур с применением высокопроизводительных энергонасыщенных тракторов, имеющих большую эксплуатационную массу, высокое удельное давление движителей на почву и соответствующего набора широкозахватных многоопорных сельскохозяйственных машин, уплотняющих почву за вегетационный период на площади до 60…80% до уборки и до 98% после уборки урожая.

Уплотняющее действие от колес и гусениц распространяется до 1 м в глубину, до 0,8м. Тема «Биофизическое переуплотнение почвы на территории села Ключи машинно-тракторными агрегатами и пути решения данной проблемы» является актуальной и имеет важное значение. Данная тема является малоизученной.

Цель: снижение переуплотнения почвы при использовании машинно-тракторных агрегатов.

Задачи исследований.

1. Выяснить, как влияет переуплотненная почва на растительность нашего региона на

примере территории села Ключи.

2. Узнать способы повышения урожайности сельскохозяйственных культур.

3. Выявить уплотняющие действия машинно-тракторными агрегатами на почву.

4. Познакомить моих одноклассников с проблемой переуплотнения почвы на

территории села Ключи машинно-тракторными агрегатами и путями решения

данной проблемы.

Методика исследований. В качестве методов и методик исследований использовались: системный и структурный анализы, анализ источников, математическая статистика и сравнительный эксперимент.

Описание методики работы полученных результатов.

1.Я нашла интересующий материал в газетных вырезках, в альбомах, хранящихся в школьном музее.

2. Посетила сельскую библиотеку, нашла необходимую литературу.

3. Использовала ресурсы интернет.

4.Встретилась и обсудила проблему с местными фермерами.

АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЛИЯНИЯ УПЛОТНЯЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ

МАШИННО – ТРАКТОРНЫМИ АГРЕГАТАМИ НА ПОЧВУ

В последнее время 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% (рис. 1а). Если почва переуплотнена (рис. 1б), урожайность резко снижается. Это объясняется тем, что переуплотненная почва плохо впитывает влагу.

Сечения верхних слоев неуплотненной и переуплотненной почвы наглядно показывают, насколько сокращается пространство для воздуха и воды под действием колес и гусениц сельскохозяйственных машин. Увеличение объема этого пространства оздоравливает почву. Чтобы сберечь и восстановить плодородие почвы, необходимо научиться выращивать продукты питания без ее разрушения и уплотнения.

Сечения верхних слоев почвы:

А) неуплотненной,

Б) переуплотненной

Белый цвет – пространство

для воздуха или воды.

Черный цвет – почва.

А) Б)

Как обрабатывать почву без ее уплотнения?

Почву разрушают и уплотняют колеса и гусеницы сельскохозяйственных

машин: тракторов, комбайнов, грузовиков, сеялок, косилок и т. п. Всю эту технику можно представить как систему для обработки почвы и растений, состоящую из двух

частей: орудия обработки (орудие) и машины, которая перемещает это орудие (тягач) (рис. 2).

Главная полезная функция тягача – перемещать орудие по полю.

Нежелательный эффект, появляющийся при этом, – разрушение и уплотнение почвы.

Главная полезная функция орудия – обрабатывать почву, растение.

Нежелательный эффект, появляющийся при этом, – разрушение и уплотнение почвы.

Главная функция системы «тягач + орудие» – обрабатывать почву и растения в соответствии с заданной технологией выращивания сельскохозяйственной культуры.

По законам развития технических систем, описанным в теории решения изобретательских задач, основными тенденциями развития являются постоянный

рост параметров главной полезной функции системы и уменьшение факторов расплаты, к которым относятся разного рода затраты, связанные с выполнением функций системы, и нежелательные эффекты, которые при этом появляются.

Рассмотрим эти тенденции для системы обработки почвы и растений «тягач + орудие».

Например, для посевного агрегата рост параметров его главной полезной функции выражается в постоянном росте количества секций у сеялки и увеличении ширины

захвата – 4, 6, 8, 12, 18 метров. Постоянное снижение факторов расплаты, связанных с выполнением функций, проявляется, например, в стремлении снизить вредное уплотняющее действие тягача и колес орудий на почву.

Стремление разработчиков сельскохозяйственной техники следовать этим тенденциям рождает противоречия.

Так, например, чтобы тягач мог перемещать широкозахватную сеялку, он должен быть мощным и иметь хорошее сцепление с почвой. Но мощный тягач больше

весит, а значит, сильнее разрушает структуру почвы и уплотняет ее.

Из курса физики 7 класса давление твердого тела:

,

Чтобы этого избежать, он должен быть легким. Конструктор сталкивается с необходимостью преодолеть противоречие – тягач должен быть тяжелым и легким.

«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.

На фото 1 показана поверхность поля, обнаженная после эрозии верхних слоев почвы. На поле видны следы от колес машин, образованные уплотненной почвой. Следы показывают, что глубокому уплотнению подверглось около 80% площади поля.

Уплотнение вредит почве и на

биологическом уровне.

Еще Чарльз Дарвин мечтал о

«возделывании земли посредством

жизнедеятельности червей»,

которые не только постоянно перепахивают,

но и удобряют почву несколькими тоннами

отходов на гектар в год. Фото 1. Следы сельскохозяйственных машин на поле

Согласно результатам исследования почвоведа-зоолога из Брауншвейга Стефан Шрадер, из-за уплотнения «количество мелких червей — это около 6000 на квадратный метр — после воздействия тяжелых машин уменьшается вдвое».

ПУТИ РЕШЕНИЯ ТОГО, КАК СНИЗИТЬ УПЛОТНЕНИЕ ПОЧВЫ И ИХ ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ

СПОСОБ 1: МЕНЬШЕ ДАВИТЬ НА ПОЧВУ

Какие существуют пути уменьшения давления на почву?

Самыми очевидными способами являются:

• уменьшение веса машины;

• увеличение площади контакта колеса с почвой.

В первом случае мы сразу сталкиваемся с тем же противоречием: если уменьшить вес трактора, то давление на почву уменьшится, но также ухудшатся его тягово-сцепные свойства. Поэтому, чтобы сохранить тягово-сцепные свойства на уровне, необходимом для выполнения агротехнических операций, приходится использовать большие грунтозацепы и увеличивать площадь контакта колес с почвой. Это достигается за счет спаривания и страивания передних и задних колес, установки колес с широкопрофильными и арочными шинами, снижения давления воздуха в шинах (см. рис. 3, 4, 5).

Рис. 3. Трактор со спаренными колесами Рис. 4. Трактор со строенными колесами

Рис. 5. Трактор с арочными шинами

Применение спаренных шин снижает удельное давление на почву, что в 1,5–2 раза уменьшает степень уплотнения по следу трактора, повышает проходимость агрегатов при повышенной влажности и увеличивает их тяговое усилие. Это особенно важно в ранние сроки проведения весенне-полевых работ при высоком содержании почвенной влаги.

От колеса к гусенице

Снизить давление трактора на почву и увеличить его тяговые характеристики можно, если вместо колес использовать металлические гусеницы.

Но металлическая гусеница тоже не решает всех проблем, у нее есть свои недостатки:

разрушает покрытия дорог при переезде с одного поля на другое;

передает вибрации от двигателей и механизмов почве, от чего она сильно уплотняется;

неравномерно распределяет давление по пятну контакта с грунтом – это вызвано тем, что вертикальная нагрузка от каждого катка передается на грунт практически через один трак и в результате статические давления в зоне контакта гусеницы возрастают в несколько раз (см. рис. 6 ).

Рис. 6. Распределение давления в металлической гусенице транспортера

Чтобы защитить покрытия дорог от разрушения и снизить влияние вибрации на почву, было предложено сделать гусеницу резиновой. Она более равномерно распределяет давление по опорной поверхности, что уменьшает деформацию, уплотнение и разрушение почвы.

Современные тракторы оснащаются литыми резинотросовыми гусеницами с автоматическим натяжением. Они обеспечивают высокую тягу при работе на грязи и рыхлой почве, а плотный контакт с поверхностью обеспечивает устойчивость трактора (см. рис. 7).

Рис. 7. Трактор с резинотросовой гусеницей

СПОСОБ 2: ХОДИТЬ ПО ПРОТОРЕННЫМ ДОРОЖКАМ

Снизить уплотнение почвы колесами машин можно, если упорядочить

движение машин по полям, например двигаться по постоянным технологическим колеям.

Считают, что решить проблему уплотнения почвы можно, если снизить среднее удельное давление колес на почву до 0,15 кг/см². Пока что сделать это, не используя гигантских и не всегда удобных шин, не удается. Поэтому многие фермеры предпочитают «пробивать» на своих полях «постоянные колеи» и двигаться только по ним, не затрагивая остальную землю (см. рис. 8).

Рис.8. Выгрузка зерна комбайном в грузовик, двигающийся по соседней технологической колее

Земледелие с использованием постоянной технологической колеи или, как его называютзарубежные исследователи, управляемым движением по полям (Controlled Traffic Farming – CTF) – 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;

колеса всех тракторов и машин установлены на одну и ту же ширину колеи (см. рис. 9).

Рис. 9. Одинаковая ширина колеи для всех машин

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 (см. фото1).

На рисунке также 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 3-х метровой ширине колеи машин. Ширины захвата уборочного комбайна, опрыскивателя и культиватора кратны 3 метрам и в данном случае составляют 9 метров. Возможно использование и большего оборудования, например, 15-ти метрового опрыскивателя.

Рис. 10. Площадь покрытия поля следами колес

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%.

В Австралии примерно 1 млн гектаров обрабатывается с использованием технологии управляемого движения по полям.

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.

Идеальное расположение трактора – когда два колеса находятся на расстоянии 2–3-х метров от его центральной оси и перемещаются по одной колее (см. рис. 17). 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. ...Хочу подчеркнуть, что уплотнение почвы – это проблема фермеров, а не техники, важно просто понять это и действовать» .

Рис. 11. Трактор с увеличенной длиной колесных осей

Система земледелия с постоянной технологической колеей обладает следующими преимуществами:

• 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 с нулевой обработкой почвы и дает возможность получить максимальную прибыль от нее;

• улучшает управление точными сельскохозяйствнными орудиями и системами;

• выше производительность.

Даже во время культивации можно ожидать 50%–ной 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 (см. рис. 12).

Рис. 12. Комбайн на технологической колее

Можно еще больше снизить площадь покрытия поля следами колес, если увеличить расстояние между технологическими колеями.

СПОСОБ 3: СОКРАТИТЬ КОЛИЧЕСТВО ОПЕРАЦИЙ

Если попытаться сократить количество агротехнических операций без ущерба для качества и урожайности выращиваемой культуры, то уменьшится количество проходов техники по полю, а значит, и ее уплотнение.

Применение современных комбинированных агрегатов позволяет заменить многократные предпосевные обработки однократной многофункциональной операцией.

Это позволяет:

• провести сев в короткие сроки,

• в 1,5–3 раза повышает производительность агрегата,

• на одну треть сокращает затраты труда,

• расход ГСМ сокращается на 30 – 39%;

• обеспечиваются равномерные и дружные всходы и ускоренный рос

• повышается урожайность.

Заключение:

Я исследовала почву на некоторых полях села Ключи, а также на школьном опытном участке. При исследовании выявлено, что сельскохозяйственной техника (трактора, комбайны) и транспортные средства, оказывают большое давление на почву, а также и интенсификацией земледелия (технология многократного прохода техники по полю) приводит к уплотнению почвы. На опытном участке, где обработка земли проводится вручную, уплотнения гораздо меньше.

Излишнее уплотнение почв приводит к заметному ухудшению качества урожая, снижению устойчивости почв, к засухе и переувлажнению, усилению поражаемости растений болезнями, засорения полей, увеличению затрат и энергии на обработку земель.

В УОУ школы мы боремся с переуплотнением почвы, препятствуем этому и в результате получаем хороший урожай.ⁱ

Выводы:

Существуют следующие способы уменьшения давления на почву при повышении урожайности и качества выращиваемых культур:

уменьшение веса машины;

увеличение площади контакта колеса с почвой;

использовать постоянную технологическую колею;

движение по полю машин с одинаковой шириной колеи;

уменьшение количество проходов техники по полю за счет сокращения числа агротехнических операций:

использовать машины, выполняющие несколько операций за один проход;

сократить число агротехнических операций:

перейти от традиционной технологии обработки почвы к нулевой (no-till);

Литература исследовательской работы:

1. В.А. Русанов, «Проблемы переуплотнения почв движителями и эффективные пути ее решения», Москва, 1998г.

2. Г.Г. Черепанов, В.М. Чудиновских, «Уплотнение пахотных почв и пути ее устранения», Москва, 1987г.

3. В.И. Кравченко, «Уплотнение почв машинами», АЛМА – АТА, 1986г.

4. Интернет ресурсы.

i Фотографии УОУ

17