В качестве методов и методик исследований использовались: системный и структурный анализы, математическая статистика и сравнительный эксперимент. Аналитическое описание технологических процессов выполнялось с использованием методов классической механики, математического анализа и моделирования с использованием теории оптимального управления процессами.
Ключевые слова: ресурсосберегающая технология, механические и биологические рыхления, удобрения, почвенные режимы.
As methods and research methods, the following were used: system and structural analyzes, mathematical statistics and a comparative experiment. The analytical description of technological processes was carried out using the methods of classical mechanics, mathematical analysis and modeling using the theory of optimal process control.
Выступление уважаемого Президента Туркменистана Гурбангулы Бурдымухамедова на Международной конференции «Вода для устойчивого развития, 2018–2028гг»., прошедшей в столице Республики Таджикистан-городе Душанбе, стало поистине историческим событием. В нём глава нашего государства сделал акцент на том, что охрана водных ресурсов и их рациональное использование являются первоочередными задачами современности. Для Туркменистана, как и для других государств Центральной Азии, проблема дефицита воды и ее качества, а также вопросы управления использованием водных ресурсов являются наиболее острыми. [14]. Весь объем гидросферы по современным подсчетам превышает 1,4 млрд. км 2 . Точность современных представлении об объеме гидросферы колеблется в пределах около 50 млн. км 2 , что соответствует 3 % объема гидросферы. Такая сравнительно высокая точность связана с наиболее надежным определением объема Мирового океана, составляющего почти 94 % всего объема гидросферы. В начале работы приведем объема гидросферы Земли [3], помещенные в таблицу 1.
Таблица 1
Гидросфера Земли
|
Части гидросферы |
Объем воды, тыс.км 2 |
% от общего объема |
|
Мировой океан |
1370323 |
93,96 |
|
Подземные воды |
60 000 |
4,12 |
|
в т. ч. зоны активного водообмена |
4 000 |
0,27 |
|
Ледники |
24 000 |
1,65 |
|
Озера |
280 |
0,019 |
|
в т. ч. воды в водохранилищах |
5 |
0,0005 |
|
Почвенная влага |
85 |
0,006 |
|
в т. ч. оросительных вод |
2 |
0,0002 |
|
Пары атмосферы |
14 |
0,001 |
|
Речные воды |
1,2 |
0,0001 |
|
Итого: |
1454193 |
100 |
Известно, что в Туркменистане действуют всего 16 водохранилищ общей емкостью более 3,7 км 3 . В настоящее время ведется строительство новых в Куняургенче и Шасенеме, проводится также реконструкция водохранилищ Туямуюн, Гызылай, Делили, Сарыязы, Ханховуз. Основные назначение их-аккумулирование зимного стока рек для использования в период вегетации [14].
Б. Ф. Тарасенко [11] отмечает, что механические действие техники нарушает природное равновесие потоков энергии, кроговороты воды и питательных веществ. Из-за частого разрушения сложившихся связей культивацией и вспашкой сокращаяется биоразнообразие микрофлоры и микрофауны, ускоряются процессы разрушения почвы и опустынования. По мнению Е. В. Пугачевым [10]: Формирование почвенной структуры осуществляется за счёт физических, механических, химических и биологических факторов. Однако при вовлечении почв в сельскохозяйственное использование ведущими являются механические и биологические. Почвозащитная и ресурсосберегающая направленность интенсивного земледелия как условие и исходное положение для расширенного воспроизводства плодородия почвогрунтов. В этом контексте В. В. Труфанов [12]: Новым направлением мелиорации и окультуривания тяжелых почв является создание органоминеральной структуры почвенного профиля, что достигается глубоким рыхлением с одновременным внутрипочвенным внесением структурообразующих веществ органического происхождения: измельченные стебли кукурузы, травы, торф и др., а также использованием для полива дренажного стока, содержащего органические вещества.
В предлагаемой работе освещены следующие вопросы: изучение совокупности теоретических и практических задач по разработке технологии и средств механизации устройства аэрационного дренажа; разработки агромелиоративных машинных агрегатов, направленной на снижение трудовых, энергетических и материально денежных затрат и повышения плодородия почвы; повышение эффективности использования жидких органо-минеральных удобрений (ЖОМУ) путем совершенствования агрегата для подпочвенного внесения в условиях аридной зоны. Создание машин и орудий нового поколения, ресурсосберегающих, высокоэкономичных, высокопроизводительных, менее энергоемких и металлоемких-глобальная задача современной науки. В Туркменистане разуплотнение и углубление пахотного горизонта необходимо проводить на 1,2–1,4 млн. га сель-хозугодий, а годовая потребность в орудиях для рыхления почвы составляет 5–6 тыс. шт.-233 усл.эт.га, соответсвенно глубокорыхлители для внесения органических удобрений 6,5–7,5 тыс. шт.–185 усл.эт.га.
При наличие уплотненного подпахотного горизонта, орошаемые почвы подвергаются следующим последствиям или негативным явлениям [4, 8]:
– ухудшается агрофизический, биологический и агрохимический свойств, водный, воздушный, тепловой и пищевой режимов, ограничивает условий произрастания, следовательно, естественный режим почвогрунтов;
– сокрашается биоразнообразие микрофлоры и микрофауны, ускоряются процессы разрушения почвы и опустынования;
– значительно расходуется промывная и поливная норма воды;
– резко снижается скорость фильтрации и происходит накопление влаги в пахотном слое из-за нарушения капиллярных связей с подпахотным слоем;
– уменьшение просачиваемости почвы способствует водной эрозии и затоплению полей на длительный период;
– коэффициент фильтрации близок нулю, происходит вторичное засоление;
– активизирует подъем по капиллярам солевых растворов;
– повышается объемная масса и твердость грунта;
– увеличивается её плотность, снижается макропорозность;
– понижается инфильтрационная способность подпахотных слоев;
– почва становится переувлажненный, резкое пересыхает верхние слои почв;
– увеличивается сопротивление, что соответственно отражается на энергоемкости технологического процесса;
– отрицательно влияют на плодородие почвы и эффективность традиционных способов ее обработки, уменьшается мощность корнеобитаемой зоны;
– ухудшается орошение, повышается глыбистая структура;
– переувлажненность пахотного слоя задерживает предпосевные обработки и способствует активному развитию сорной растительности, необходим подпахотных дренаж, позволяющий отвести влагу;
– снижается всхожести семян сельскохозяйственных культур;
– ограничивает возможность растений использовать питательные вещества из почвы и удобрений;
– затрудняется проникновение корней в нижние горизонты или препятствует проникновению корневой системы растений вниз;
– уплотнение почвы представляет в основном кумулятивный процесс, сопровождающийся повышением плотности почвы, уменьшением макропорозности, снижением аэрации почвы, что отрицательно влияет на развитие корневой системы и биологическую активность микроорганизмов;
– существенное увеличение энергетических и материальных затрат;
– снижается урожайность сельскохозяйственных культур или урожайность постепенно уменьшается и ухудшается роль отдельных элементов питания почвы.
Следовательно, основное назначение аэрационного дренажа-улучшения водно-воздушного, солевого и теплового режимов тяжелых почвогрунтов с целью повышения плодородия и урожайности сельскохозяйственных культур. Технология устройства аэрационного дренажа должна призвана для обеспечения эффективности и долговечности его работы. Но до настоящего времени такой дренаж применялся и изучался лишь в зоне осушения в качестве кротового дренажа, т. е. для отвода излишних вод. Влияние его на почвенные процессы в аридной зоне пока не исследовано, хотя важность проведение таких исследований диктуется насущными потребностями сельскохозяйственного производства.
Моделирование технологий в растениеводстве рассмотрено в работах А. Б. Лурье, М. С. Рунчева, Э. И. Липковича, П. Н. Бурченко, Г. П. Варламова, М. Е. Демидко, В. Я. Зельцера, А. В. Четвертакова, Ю. А. Уткова, А. А. Никонова, Н. Н. Походенко, В. И. Могоряну, Т. Е.Малофеева, А. М. Гатаулина и др. Анализ этих работ показал, что они в принципе аналогичны синтезу системы отображения массива данных через однородные порции, используемого в работах В. А. Вейника, Н. П. Бусленко, В. Ф. Венды, Е. Г. Гольштейна, В. В. Налимова, Н. Н. Моисеева, М. П. Перетятькина, И. И. Кандаурова, А. Н. Зеленина, В. И. Баловнева, И. П. Керова, С. Директора, Р.Рорера, Джозефа Р. Шенфилда, Кеннета Кюнена и др. Указанными исследованиями доказано, что моделированию может быть подвержена любая проблема любой системы, если массив данных о процессах, протекающих в системе, отобразить через основной процесс, обратные связи и ограничения. С целью углубления теоретических основ для создания и совершенствования орудий отмечена необходимость развития исследований в пределах системы «почва-рабочий орган-энергия». Этот принцип был положен в основу разработки комплексов машин. Однако методы отображения информации в конкретных механизированных технологиях до сих пор не носят обобщающего характера [2].
Обзор и анализ существующих конструкции аэрационного дренажа свидетельствует об эффективности его применения на тяжелых почвах [4]. Особенно положительное воздействие на качественный характер почвы оказывает аэрационный дренаж на староорошаемых землях, подверженным многократным проходам сельскохозяйственной техники, приводящей к образованию уплотненной подплужной зоны. Основополагающие критерии современных технологий, сохранение и повышение почвенного плодородия, ресурсосбережение, экономическая безопасность продукции и охрана окружающей среды. Следовательно, изучение эффективных ресурсосберегающих технология обработки почвы, доз органоминеральных удобрений и средств защиты растений в конкретно почвенно-климатических условиях является актуальная задача современного земледелия.
В работе применялись разные методы лабораторных и полевых исследований. Установление оптимальных параметров рабочего оборудования и конструкции дрен производились в грунтовом канале, оснащенном оборудованием для исследования процессов резания грунта кротодренажными рабочими органами. Оборудование включает динамометрический стенд, установленный на передвижной тележке. Силы резания определялись по деформациям двух тензометрических балок. На каждую тензометрическую балку было наклеено по четыре датчика, выполняющих функции рабочих и компенсационных датчиков, что позволило регистрировать только разность напряжений на базовом участке балочки, заключенной между собой датчиками.
Моделирование работы дренажа свидетельствует о том, что интенсивность поступления воды в дрену определяется коэффициентом фильтрации и водоотдачи наддренного слоя грунта, из которого происходит сброс гравитационной воды. Кроме того, рабочие органы, применяемые для нарезки дрен, имеют большие тяговые усилия, в результате образования пластично-упругих деформаций грунта в нижней части ножа, о чем свидетельствуют также результаты исследований А. Н. Зеленина [9]. В этой зоне грунт, вытесняемый рабочим органом, выдавливается в боковые стенки щели, не разрушая его к дневной поверхности.
Критическая глубина резания рабочими органами данного типа определяет значительные тяговые усилия базовых машин. Поэтому нарезка аэрационного дренажа в зоне орошаемого земледелия не нашла широкого применения.
Отечественные конструкции аэрационного дренажа представляет собой полость с наддренной щелью. Щель и уплотненная стенка кротовин являются основным недостатком данной конструкции, т. к. происходит разрушение структуры грунта околодренной зоны. При водонасыщении грунт начинает набухать, препятствуя притоку воды к дрене, а вода, поступая через щель, приводит к размыву и разрушению свода дрен. Таким образом, степень уплотнения грунта зависит от междренного расстояния аэрационных дрен, а также, конструкцию аэрационного дренажа следует оценивать конструкционной прочностью и фильтрационной устойчивостью. При этом устойчивость кротовых дрен в работе определяются: эффективной плотностью скелета грунта,
Это дало возможность предложить новую конструкцию аэрационного дренажа [4, 5]. Предлагаемая конструкция аэрационного дренажа включает две параллельные дренажные полости, сформированные в монолите грунта естественной структуры. Сохранение естественной структуры грунта вокруг дрены обеспечивает достаточную водозахватную способность и эксплуатационную надежность. Для удовлетворения изложенных требований нами были разработаны специальные, универсальные рыхлители-кротователи новой конструкции, защищенные авторским свидетельством № 1751263 [1].
Технология нарезки аэрационного дренажа разработана с учетом грунтовых условий и биологических требований к развитию корневой системы хлопчатника, которая основана на разрыхления подпахотных слоев и нарезке в монолите грунта перпендикулярно основному дренажу водоаккумулирующих кротовых спаренных дрен на глубину 600 мм и на расстояния 900 мм. Устройство аэрационного дренажа регламентируется агротехническими требованиями к его проведению. Согласно данных требований глубина кротования тяжелых почв должна составлять не менее 0,6 м для обеспечения оптимального водно-воздушного режима почвы.
Решение поставленных технических задач достигается тем, что комбинированное устройство для глубокого рыхления грунта с одновременным внутрипочвенным внесением жидких органоминеральных удобрений, содержащее раму, установленную на колёса с закреплёнными на ней рабочими органами и ёмкостью с заправочной горловиной для жидких органоминеральных удобрений, взаимодействующей посредством системы трубопроводов и насоса с выходными соплами устройства для подпочвенного внесения органоминеральных удобрений, размещенного позади стоек долотообразных рыхлителей грунта. Рыхления почвогрунта с одновременным внутрипочвенным внесением жидких органоминеральных удобрений [4, 6].
Долотообразные рыхлители установлены на поперечной балке рамы на ширину междурядья высаживаемой культуры, а каждый рыхлитель установлен на поперечной балке с возможностью рыхления почвогрунта на глубину, равную средней глубине стержневой части корня взрослого растения, под посадку которого производится подготовка почвы, вертикальный нож рыхлителя выполнен сужающимся по толщине от поверхности почвы к его нижнему концу, установлен с наклоном лобового лезвия назад и имеет двухстороннюю заточку.
Щелевидное отверстие своей продольной осью ориентировано вдоль оси траншеи и направлено в сторону её дна, а боковые, постепенно сближающиеся к низу, стенки коноидального сопла снабжены калиброванными отверстиями, ориентированными в сторону стенок траншеи, причём верхнее круглое отверстие коноидального сопла устройства для подпочвенного внесения жидких органоминеральных удобрений посредством гибкого трубопровода, системы распределения потоков, насоса и фильтра гидравлически связано с полостью ёмкости для органоминеральных удобрений.
Комплекс технических результатов реализуется в способе предпосевной обработки тяжёлой малопроницаемой почвы под культуру рядкового посева в условиях орошения, включающего послойное рыхление пахотного горизонта с образованием расширяющихся к верху траншей трапецеидального профиля, заполненных взрыхлённой почвой, причём формирование траншей производят путём скола почвы деформатором на глубине, оптимальной для данного растения с образованием мелко комковатого слоя в зоне основной массы корневой системы культурного растения и внесение удобрений, причём предварительно определяют среднее количество нитратов, фосфатов и калийной соли в подготавливаемом почвенном массиве в слое до 50 см в долях грамма на 1 дм 3 почвы, затем осуществляют приготовление питательного раствора, состоящего из воды, навоза, азотных, фосфорных и калийных минеральных удобрений, дозированных в питательном растворе в соответствии с результатами анализа почвы и биологическими потребностями в удобрении высеваемой культуры на начальной стадии её развития, а дозу навоза назначают в соответствии с нормой внесения навоза, как органической составляющей комплексного удобрения, из расчёта на один гектар для данной культуры, качества и структуры тяжёлой малопроницаемой почвы и вносят приготовленный питательный раствор подпочвенно, во время траншейного рыхления почвы, причём расстояние между соседними параллельными траншеями рыхлого грунта, принимают равными ширине междурядий высаживаемой культуры, а, послойное двухъярусное рыхление, осуществляют срезанием почвы горизонтальными деформаторами с выпором вверх и в стороны одномоментно, на глубине, равной средней длин стержневой части корня и на глубине, составляющей 2/3 части от длины корня, причём срезание почвы на этой глубине должно происходить с опережающим сколом почвы во времени по отношению к моменту скалывания почвы нижнего слоя на уровне дна траншеи, кроме того, ширина траншеи у её дна равна средней ширине боковых корней культурного растения, под посадку которого осуществляется подготовка почвы, а ширина транши на глубине, равной 2/3 части от глубины рыхления должна соответствовать ширине размаха боковых корней этой высаживаемой культуры на этой глубине, а питательный раствор, состоящий из биологически необходимых для начального роста растений азотных, фосфорных калийных удобрений, а также жидкого навоза, вносят подпочвенно, непосредственно в момент образования в результате глубокого двухслойного рыхления комковатого слоя, рассредоточенного в образованной глубоким рыхлением тяжёлой, малопроницаемой почвы трапецеидальной, расширяющейся к верху траншеи, профиль которой соответствует форме и размерам основной корневой системы культурного растения, под посев которого осуществляют подготовку почвы [7].
Комбинированное устройство устанавливают на колёсную раму, которую прицепляют к трактору. Оно содержит двухъярусный рыхлитель грунта с уширителями траншеи, устройство для подпочвенного внесения органоминеральных удобрений, трубопроводы подачи к нему жидких удобрений, насос и бак для жидкости, установленный на колёсную прицепную раму.
Теперь будем анализировать в агромелиоративных универсальных машинах математическую модель внесения жидкого органоминерального удобрения в почву [13].
Жидкое органоминеральное удобрение или жидкая смесь (раствор) в результате давления, создаваемого насосом по трубам (шлангам) перетекает к трубам с дырочками (жиклерами), закрепленным к стойкам в глубокий рыхлителям. В соответствии требованиям и правилам агротехники для получения высокой урожайности хлопчатника на 1 (один) метр расстояния нужно вносить 10 (десять) литров жидкого органоминерального удобрения.
Жидкое органоминеральное удобрение в результате давления, создаваемое насосом протекает по трубам разных диаметров.
Нужно синхронизировать давление насоса, выталкивающее жидкое органоминеральное удобрение, со скоростью трактора, который тянет универсальную агромелиоративную машину или комбинированное устройство для глубокого рыхления грунта с одновременным внутрипочвенным внесением жидких органоминеральных удобрений НАД-2–60М. В статье при заданных значениях параметров найдено оптимальное значение разности давления в трубе, которая соединяет цистерну со смесью и универсальную машину. Вычислены оптимальные размеры жиклёров для внесения жидкого органоминерального удобрения.
Следовательно, проведено сравнительный анализ применение для технологии универсальных агромелиоративных машин: вычислено, что при скорости трактора
Литература:
1. А.с. 1751263 /СССР/. Устройство для нарезки кротовин. /К.Хоммадов, А.Данатаров–Москва, 1992. Бюл.№ 28. 01.04.1992.
2. Бехбудов, А.К., Джафаров, Х.Ф., Хасаев, Г. А. Исследование эффективности промывок слабопроницаемых земель в Азербайджанской ССР. ВНИИГиМ. вып. 4. –М.: 1978.
3. Давлатов, Д.Н., Анбиев, Е.Ж., Бобохонов, Ф. Ш. Проблема воды и прогнозирование долгосрочных тенденций распределения водных ресурсов в России и Центральной Азии. «Актуальные вопросы технических наук». -Краснодар, 2017.
4. Данатаров, А. Аккумулирующая способность воды аэрационного дренажа в аридной зоне. № 1. Проблемы освоения пустынь. Ашхабад, 1999. с.85–89.
5. Данатаров, А., [и др.]. Инновация агромелиоративных машин для обработки в междурядьях хлопчатника. «Молодой ученый». № 1. -Казань, 2018.
6. Данатаров, А., [и др.]. Aгромелиоративные мероприятия в условиях аридной зоны. Технические науки: традиции и инновации. -Санкт-Петербург: 2020.
7. Данатаров, А., [и др.]. Устройство для нарезки кротовин в условиях аридной зоны. Исследования молодых ученых. Казань, 2021. с.1–4.
8. Данатаров, А., Сапармурадов, А., Рустамов, С. Применение математического моделирования в инновационных агромелиоративных машинах в условиях Туркменистана. «Издательство Молодой ученый». –Казань, 2021. с.79–82.
9. Зеленин, А. Н. Основы разрушения грунтов механическими способами. 2-е изд. перераб. и доп. –М.: Машиностроение, 1968. -376с.
10. Пугачев, Е. В. Роль компонентов органического вещества в оптимизации физических свойств светло-серых лесных почв пахотных угодий. Дис. к.с.\х. наук. -Новгород, 2007.
11. Тарасенко, Б. Ф. Конструктивно-технологические решения энергосберега-ющего комплекса машин для предупреждения деградации почв в Краснодарском крае. -Краснодар, 2012.
12. Труфанов, В. В. Глубокое чизелевание почвы. -М., 1989.
13. Чарный, И. А. Неустановившиеся движения реальной жидкости в трубах. -М.: Гостехиздат, 1951.
14. Эсенов, П. Особенности формирования водных ресурсов Туркменистана и вопросы их использования. Экологическая культура и охрана окружающей среды № 3. — Ашхабад, 2018.
