Проблема повышения урожайности сои и зерновых может быть решена успешно лишь на основе системы мероприятий, ключевое место среди которых принадлежит научно обоснованным севооборотам и новому поколению технических средств для их реализации [1].
Проведенный анализ существующих технологий и технических средств возделывания сои и зерновых культур показал, что в них не упоминается о системах биологического улучшения плодородия почвы, а также технических средствах нового поколения. Анализ комбинированных почвообрабатывающих широкозахватных агрегатов показывает, что агрегатируются они тяжелыми колесными тракторами класса 5 и более, и в силу многократных технологических проходов обладают техногенным воздействием на почву, в результате чего она уплотняется, уменьшается ее пористость, и тем самым инактивируется жизнедеятельность аэробных микроорганизмов. При этом на агрегатирование данных орудий затрачивается от 30 до 60% мощности энергосредства и требуется большой расход топлива. Для значительного снижения этих показателей требуется разработка и освоение почвообрабатывающих и других сельскохозяйственных машин с активным приводом рабочих органов.
При разработке биотехнологической системы, связанной с производством сои и зерновых культур, за основу принята биотехнологическая система, включающая коротко-ротационный трёхпольный севооборот: пар с сидератом на основе естественного травостоя; зерновые (пшеница, ячмень) и соя.
Формализованная модель получения продукции в 3-польном звене севооборота представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Формализованная модель получения продукции в 3-польном звене севооборота
Проведенный анализ внешних и внутренних связей параметров биотехнологической системы в их совокупности позволяет представить экономико-математическую модель оценки её функционирования в следующем виде:
, (1)
где ПЗ – приведенные затраты по процессам возделывания сои и зерновых культур в 3-польном звене севооборота; Иi – эксплуатационные затраты по процессам возделывания; Кi – капитальные вложения по процессам возделывания; ΔС – стоимость дополнительной продукции – сои и зерновых, полученной в результате реализации принятой технологии и разработанных технических решений; ΔУj – приращение урожайности сои и зерновых в результате реализации новой технологии и технических средств; Sj – площадь, на которой возделываются соя и зерновые; Цρj – реализационная цена сои и зерновых.
Составляющая модели (1) – ΔУ, на основании проведенного анализа, может быть представлена следующим образом:
, (2)
где 
, b – эмпирические коэффициенты; q – содержание гумуса (питательных веществ) в почве.
Таким образом, в дальнейшем необходимо определить методологические и технологические подходы к выявлению зависимостей, характеризующих данные показатели биотехнологического процесса производства сои и зерновых в 3-польном звене короткоротационного севооборота при условии, что ПЗ→min, а ΔС→max.
Функционирование биотехнологической системы в 3-польном звене севооборота пар→зерновые→соя – пар с сидератом из естественного травостоя, включает два этапа, выполняемые в определённые агротехнические сроки.
Первый этап характеризуется получением необходимого и максимально возможного количества биологической массы – МБ естественного травостоя, при определенном воздействии совокупности факторов внешней среды – климат – Φ1(t), ландшафт – Φ2(t), рельеф поля – Φ3(t) и т.д.
Второй этап характеризуется воздействием совокупности биологических – Б(t), технологических – Т(t) и конструктивно-режимных – КР(t) факторов на подсистему поле→субстрат→культура→машина.
Функционирование данной системы направлено на получение максимально возможного количества питательных веществ в почве, путем обеспечения оптимальных условий для биотрансформации органического вещества – q(tтр)=f(λ), где λ – степень дезинтеграции органических веществ.
Формализованная схема биотехнологической системы (БТС), с учетом перехода её состояний в 3-польном звене севооборота (для одного поля), представлена на рисунке 2.
Согласно данной схеме, в начальный период происходит накопление питательных веществ в травостое с параметрами МБ, ℓст, σв, Fст. Получение субстрата с размером частиц субстрата ℓч, обусловленного степенью измельчения стеблестоя λi(tтр) в процессе его механической обработки, с одновременным рыхлением почвы и заделкой.
При этом для запуска биологической подсистемы в рассматриваемой системе в «работу» необходимо обеспечить оптимальные условия для жизнедеятельности микроорганизмов:
, (3)
где νс – неравномерность однородности почвенно-травяного субстрата; WП; tо; O2; N – параметры среды (водно-воздушный и температурный режимы в почве).
Процесс биотрансформации для получения биомассы при её превращении в гумус можно представить, как
, (4)
где qi, qн – текущее и начальное значения содержания биомассы; tтр – продолжительность биотрансформации органических веществ в почве; с – эмпирический коэффициент, учитывающий интенсивность биотрансформации.
Рисунок 2 - Формализованная схема перехода состояний биотехнологической системы в 3-польном звене севооборота (для одного поля)
Преобразование выражения (4) относительно параметра tТР дает
, (5)
где ψ – эмпирический коэффициент, учитывающий условия процесса биотрансформации; SТР, Sч – площадь, занятая травостоем и частицами.
По физической сути продолжительность процесса биотехнологической трансформации является функцией степени разрушения частиц в общем её смысле:
, (6)
где 
;λм – степень механического разрушения исходной биомассы; λБ – степень биологического разрушения измельченной биомассы.
Биотехнологический подход к созданию оптимальных условий в почвенной локальной среде обосновали на основе физического закона росообразования и разработанной для данных условий модели.
Энергия, необходимая на разрушение стебля, с учетом процесса биотрансформации, определится, как
, (7)
где ℓ – длина стебля; Wизг – момент сопротивления изгибу поперечного сечения стебля; λМ – степень разрушения материала; σвн – предел прочности стебля и т.д. при растяжении; с – коэффициент, учитывающий влияние управляемых и неуправляемых факторов на процесс разрушения, кДж/кг; ЕIx – жесткость стебля при изгибе; sh, ch – гиперболический синус и косинус.
На основании полученной модели обоснована скорость υа агрегатирования таких технических средств, как роторный плуг с активными рабочими органами, сеялка-культиватор с лаповыми сошниками, а также пальцево-пружинная борона, учитывающая их энергетические и конструктивно-режимные параметры:
(8)
где Кст – количество разрушаемых стеблей, шт; S – площадь, обрабатываемая агрегатом, м2; В – ширина захвата агрегата, м; Мст – масса стеблестоя, кг; υа – скорость движения агрегата, м/с; Та – время работы агрегата, ч; Q – производительность агрегата по разрушению стеблей стерни и т.д.
По данным Мельникова С.В., коэффициент С в формуле (8) принимается равным:
для разнотравья – С=0,7-0,9 кДж/кг; для стерни: ячмень – С=0,91-1,17 кДж/кг; пшеница – С=0,84-1,08 кДж/кг; соя – С=1,2-1,3 кДж/кг.
Процесс биотехнологического улучшения плодородия почвы характеризуется, прежде всего, активацией водного, воздушного и температурного режимов (ВВТ), поддерживающих жизнедеятельность живых организмов – аэробных микроорганизмов и растения, на которые они в конечном итоге «работают».
На рисунке 3 приведена формализованная модель получения продукции в биотехнологической системе почва→субстрат→зерно→ растение→ продукция→машина.
При разработке каждой из технических подсистем (рис. 3) должны учитываться факторы, оказывающие влияние на интенсивность ВВТ режима. Такими факторами являются технологические Т(t), к которым необходимо отнести влажность и температуру почвы, её плотность и т.д., а также конструктивно-режимные параметры применяемых технических средств – КР(t). При этом на процесс формирования ВВТ оказывает влияние и множество случайных, неуправляемых факторов, учесть действие которых невозможно.
Рисунок 3 – Формализованная модель получения продукции в биотехнологической системе почва → субстрат → зерно → растение → продукция → машина
В этой связи определенный интерес представляет возможность оценки формирования ВВТ режима с использованием методов теории вероятностей.
Изменение параметров процесса формирования ВВТ режима для жизнедеятельности микроорганизмов и растений можно рассматривать как стационарный случайный процесс, обладающий свойством эргодичности по отношению к математическому ожиданию и корреляционной функции.
Рассмотрение процесса биотехнологического улучшения плодородия почвы при возделывании сои и зерновых культур с учетом необходимости активации ВВТ режимов в определенные агротехнические сроки позволило обосновать подходы к оценке показателей качества процессов измельчения стеблей и рыхления почвы с одновременной их заделкой на паровом поле:
, (9)
для оценки процесса боронования и культивации (рыхления субстрата):
, (10)
для оценки процесса посева сои и зерновых культур:
, (11)
где [νС]; [νε]; [νП] – допустимые значения неравномерности соответствующих процессов (получения почвенно-травяного субстрата, рыхления почвы и заделки семян); α, β – параметры корреляционной функции, учитывающие соответственно характер ее убывания и колебания; ε – степень рыхления почвы; h – глубина заделки семян; ДМ, Дε, ДП – дисперсия случайных величин соответствующих процессов.
Полученные зависимости (9-11) характеризуют качество выполнения технологических процессов предложенными техническими средствами нового поколения на обработке сидеральных паров с заделкой сидерата в верхний слой почвы активными рабочими органами, не создающими плужной подошвы, посева сои и зерновых сошником в виде стрельчатой лапы, а также рыхление почвы и уничтожение сорняков во время боронования посевов пружинно-пальцевой бороной с регулировкой зубьев по глубине обработки почвы и углу атаки, обеспечивающей активную работу почвенной биоты, повышающей эффективность возделывания сои и зерновых в системе биологического земледелия.
Для рассматриваемой системы «почва – роторный плуг» уравнение баланса биологической массы сидерата на одном гектаре поля пара при n-обработках, при получении исходного и последующего размера частиц субстрата, имеет вид:
, (12)
где
(13)
Для процесса рыхления по
, (14)
где Е – степень рыхления почвы.
Оптимальную степень рыхления можно достичь при соблюдении того условия, что будет обеспечена однородность структурных характеристик (состава) в системе «биологическая масса частиц растений – почва», которую можно оценить неравномерностью распределения биологической массы и почвы – νс (однородности субстрата) по длине гона – LГ, кг/м.
Зависимость данного критерия оптимизации от влияющих на него факторов, в общем виде, можно представить, как
, (15)
где υа – скорость движения агрегата; ΔВ – отклонения от заданной ширины захвата агрегата; Δα – отклонение от заданного угла атаки; Rg – радиус диска плуга; ωg – угловая скорость вращения диска плуга; Zg – число дисков на роторе плуга; tg – шаг установки дисков.
На основе выражения (12) можно записать
для первой обработки:
, (16)
для второй обработки:
, (17)
для третьей обработки:
, (18)
для n-й обработки сидерата:
. (19)
где Та – время работы агрегата.
С учетом выражений (6) и (12) можно записать, что 
; 
.
С другой стороны, такие параметры плужного агрегата, как υа и ωg в совокупности с зубьями на рабочем органе (диске), определяют размер получаемых частиц травостоя. При этом угол атаки α характеризует процесс резания стеблей как процесс резания со скольжением при условии, что ωg>υа, а ωg/υа>1. Однако данный процесс как процесс чистого резания рассматривать не следует. Наиболее близкой моделью для данного процесса, как установлено ранее, является модель, в соответствии с которой он рассмотрен как процесс разрушения балки на упругом основании.
При этом тот факт, что такой фактор, как ωg/υа , определяет степень измельчения стеблей, является неоспоримым.
Следовательно,
, (20)
где Lg – перемещение агрегата за один оборот диска плуга;ZЗ – число зубьев – ножей на одном диске.
Выражение (20) можно представить, как
, (21)
где [ℓч] – требуемая длина частиц.
Приравнивая в выражениях (16-19) и (21) правые части и решая полученное равенство относительно параметра υа, получили:
. (22)
Анализ выражения (22) показывает, что в зависимости от порядкового номера обработки поля в соответствующие агротехнические сроки необходимо выбирать свою определенную скорость движения агрегата, с целью обеспечения им требуемых значений показателей качества – ℓч(tтр) и νС(LГ).
Проведенный анализ показывает, что в зависимости от угла атаки активных рабочих органов роторного плуга и глубины обработки почвы силы, возникающие от взаимодействия с почвой, будут изменяться. Это в свою очередь оказывает влияние не только на затраты мощности по обработке почвы, но изменяет и условия работы агрегата, в частности устойчивость хода рабочих органов, его технико-экономические показатели и надежность.
В результате теоретических исследований установлен характер зависимости сил сопротивления движению плуга от угла атаки и глубины обработки почвы, а также рассмотрено состояние его равновесия в условиях установившегося режима работы с учетом параметра υа, определяемого по выражению (22).
В процессе экспериментальных исследований, на основании априорного ранжирования в качестве основных факторов, влияющих на процесс получения почвенно-травяного субстрата, определены следующие:
ωg – угловая скорость вращения сферических дисков, С-1 (x1); α – угол атаки дисковой батареи, град. (x2); tп – шаг установки дисков, м (x3).
За критерий оценки принята неоднородность получаемого субстрата: по травостою – 
, по ячменной стерне – 
и по соевой стерне – 
, %.
В результате проведенных исследований получены следующие математические модели оценки процесса приготовления почвенно-травяного субстрата:
νсТ=164,08-1,306ωg-0,894α-146,88tg+0,003ωg·α-2,500α·tg+0,0029ωg2+0,021α2+479,7tg2→min; (23)
νся=225,77-1,984ωg-0,350α-165,51tg-2,50α·tg+0,0048ωg2+0,025α2+510,78tg2→min; (24)
νсс=192,06-1,733ωg-0,412α-84,803tg-0,375ωgtg-2,187α·tg+0,004·ωg2+0,022α2+510,83tg2→min. (25)
Анализ полученных математических моделей позволяет заключить, что оптимальные параметры роторного плуга находятся в следующих пределах: 
при которых νС=3,55-5,32%.
На основании теоретических и экспериментальных исследований также разработаны и изготовлены опытные образцы лаповых сошников для посева зерновых культур по соевой стерне и для посева сои широкополосным способом, а также секции сеялки-культиватора, для установки сошников, с параллелограммным механизмом крепления к раме машины, обеспечивающие равномерность заделки семян по глубине и по площади образуемой полосы без перемешивания семян с почвой во время посева.
Экспериментально установлено, что расстановка лаповых сошников с расстоянием между ними в поперечной плоскости 0,225 м, шириной перекрытия – 0,045 м обеспечивает равномерный по площади посев зерновых культур.
При этом расстановка сошников с расстоянием между рядами составляет 0,88 м, что обеспечивает качественное выполнение посева, без технологических нарушений. Предложенный экспериментальный сошник обеспечивает снижение тягового сопротивления на 22,7% по сравнению с сошником традиционной компоновки.
Полевые испытания и энергетическая оценка машины в агрегате с трактором МТЗ-82 показали, что при скоростях движения υа=2,8…3,3 м/с происходит качественное выполнение технологических операций по предпосевной подготовке почвы (рыхление почвенного субстрата на глубину заделки семян с подрезанием сорняков) и посева, и обеспечивается рациональная загрузка энергосредства. Буксование движителей не превышает допустимого и находится в пределах 4,6…4,9% на посеве зерновых по соевой стерне [2].
Показатели урожайности зерновых культур приведены в таблице 1.
Из таблицы 1 видно, что урожайность зерновых культур резко отличается по годам. Так, во влажные 2002 и 2003 годы урожайность пшеницы и ячменя была в 1,7-3,7 раза выше, чем в типичные для региона относительно сухие 2001 и 2004 годы.
Таблица 1 – Урожайность зерновых культур при постановке полевых опытов
|
Агрофон |
Урожайность, ц/га |
|||
|
Пшеница |
Ячмень |
|||
|
2001 г. |
2002 г. |
2003 г. |
2004 г. |
|
|
Зяблевая вспашка |
8,1 |
28,0 |
29,5 |
11,6 |
|
Безотвальная обработка |
7,6 |
28,6 |
21,5 |
12,4 |
|
Стерня сои |
11,1 |
24,1 |
26,0 |
13,9 |
|
НСР05 |
1,8 |
5,0 |
5,9 |
1,9 |
Полевые опыты подтверждают данные других ученых о преимуществе прямого посева зерновых культур, что отчетливо проявляется в годы относительно сухой весны.
Результаты экспериментальных исследований по изучению процесса рыхления почвенного субстрата во время широкополосного способа посева сои лаповым сошником с углом наклона семяпровода вперед на +15о по ходу движения агрегата показали, что одним из основных критериев, влияющих на качество рыхления почвы и посева, является оптимальная скорость движения агрегата, равная υа=2,8…3,3 м/с.
После посева сои устанавливались учетные площадки и проводились операции по уходу за посевами.
Урожайность сои по способам посева за период 2008-2010 гг. представлена в таблице 2.
Таблица 2 – Урожайность сои в производственных условиях 2008-2010 гг.
|
Способы посева сои |
Годы закладки опытов |
|||
|
2008 |
2009 |
2010 |
Среднее значение |
|
|
Биологическая (фактическая) урожайность, т/га |
||||
|
Рядовой сеялкой С3-3,6 с междурядьем 0,15 м |
- |
1,60 (1,44) |
1,42 (1,27) |
1,51 (1,36) |
|
Широкорядный посев сои с междурядьем 0,45 м машиной ММУ-3,6 с двухдисковыми сошниками |
1,68 (1,51) |
2,31 (2,14) |
2,35 (2,19) |
2,11 (1,95) |
|
Широкополосный посев сои комбинированными лаповыми сошниками с междурядьем 0,45 м машиной ММУ-3,6. |
2,44 (2,26) |
2,83 (2,66) |
3,26 (3,08) |
2,84 (2,67) |
|
НСР05 |
0,41 |
0,43 |
0,86 |
- |
В производственных условиях на посеве сои машиной ММУ-3,6 с лаповыми сошниками в сравнении с посевами серийной сеялкой С3-3,6 получена урожайность сои соответственно 2,84 и 1,51 т/га, то есть на 1,33 т/га больше. Это говорит о том, что лаповый сошник создает наиболее благоприятные условия для роста и развития растений.
Для определения оптимальных конструктивно-технологических параметров процесса боронования (по уничтожению сорняков в стадии «белых нитей») использовалась методика многофакторного эксперимента.
В процессе исследований установлено, что на качество процесса боронования наибольшее влияние оказывают следующие факторы: расстояние между пружинными зубьями бороны (b, м), угол атаки зубьев (α, град.) и скорость движения бороновального агрегата (υа, м/с) [3]. Получено уравнение регрессии, которое имеет следующий вид:
В результате обработки экспериментальных данных определены оптимальные значения параметров бороны: расстояние между зубьями бороны b=0,03±0,005 м; угол атаки зубьев α=65-85о; рекомендуемая скорость движения агрегата υа=1,9-3,3 м/с.
Экспериментальные исследования опытного образца секционной пружинной бороны в полевых условиях показали, что при влажности почвы 18% в горизонте 0-0,10 м пружинные зубья интенсивно рыхлят почву на установленную глубину обработки, равную 0,025 м, крупные комки почвы более 5 см отсутствовали, гребнистость поверхности поля была в пределах 0,025 м после прохода агрегата.
Уничтожение сорных растений за один проход по полю в среднем равно 65%, а повреждение культурных растений не превышало 2%.
Значения урожайности сои за период 2008…2010 гг. в зависимости от количества боронований представлены в таблице 3.
Таблица 3 – Урожайность сои в зависимости от количества боронований бороной пружинной с регулировкой зубьев на глубину 0,025 м
|
Вариант |
Годы закладки опытов |
|||
|
2008 |
2009 |
2010 |
Среднее значение |
|
|
урожайность, т/га |
||||
|
Без боронования |
0,98 |
1,1 |
1,07 |
1,05 |
|
Одно слепое боронование |
1,68 |
1,96 |
1,93 |
1,85 |
|
Два слепых боронования |
1,70 |
1,97 |
1,95 |
1,87 |
|
Два слепых + одно по всходам боронования |
2,26 |
2,41 |
2,32 |
2,33 |
|
Полный уход за посевом (без гербицидов) |
2,26 |
2,48 |
2,30 |
2,35 |
Проведенные теоретические расчеты по определению тягового усилия предлагаемой бороны хорошо согласуются с нашими экспериментальными данными.
Так, в пределах скоростей υа=1,9…3,2 м/с движения пружинно-пальцевая борона может работать по схеме широкозахватного агрегата в составе сцепки типа СГ-21 и агрегатироваться тракторами класса 1,4…2,0, качественно выполняя технологический процесс по рыхлению почвы (разрушая почвенную корку), уничтожению сорняков, сохранению и накоплению влаги и выравниванию поверхности поля, создавая условия для формирования планируемых урожаев.
Производственной проверке результатов исследований предшествовали разработка нового способа воспроизводства плодородия почвы в короткоротационных севооборотах [4; 5], технической документации и изготовление на ее основе опытных образцов машин нового поколения: орудия для воспроизводства плодородия почвы с активным приводом рабочих органов [6]; многофункциональной машины со сменными рабочими органами для предпосевной обработки почвы, посева и ухода за посевами [7-11]; секционной бороны с регулировкой зубьев по глубине для ухода за посевами [12; 13].
Предложенная технолого-техническая система позволила уйти от глубокой основной обработки почвы за одну ротацию севооборота, основанного на вертикальном способе обработки почвы активными дисковыми рабочими органами на глубину до 15 см с одновременной заделкой биомассы в верхнем слое почвы, что изменяет процесс влагооборота поля в лучшую сторону и способствует сохранению, а также восстановлению плодородия почвы. При этом создаются оптимальные условия влагообеспеченности растений в ранний период развития, что основано на физическом законе росообразования и согласуется с данными И.Е. Овсинского.
Результаты фоновых агрохимических обследований полей за 9-летний период по внедрению региональной ресурсосберегающей технолого-технической системы с полем сидерального пара для производства экологически чистой продукции растениеводства в КФХ «Деметра» показали увеличение гумуса на 1,2% [14], а в КФХ «Жуковина С.А.» за трехлетний период на 0,4%, что положительно отразилось на восстановлении плодородия почвы и повышении урожаев [15].
Многолетняя производственная проверка почвообрабатывающего орудия с активным рабочим органом в агрегате с трактором МТЗ-82 на обработке сидеральных паров в вышеуказанных КФХ подтвердила то положение, что мелкая заделка растительной массы на глубину 0…8…10 см способствует не только быстрому её разложению, но и продуктивному прорастанию семян и росту корневой системы растений. Проведенная широкая хозяйственная проверка результатов исследований путем использования разработанных технологических и технических решений позволила установить следующие зависимости:
для прироста содержания гумуса в почве
; (26)
для прироста урожайности ячменя 
; (27)
для прироста урожайности сои 
, (28)
где tТР – продолжительность биотрансформации биомассы, равная 3 годам; ΔqЯ, ΔqC – прирост содержания гумуса в почве в принятом звене севооборота при возделывании ячменя и сои.
Результаты анализа основных показателей технико-экономической эффективности ресурсосберегающих технологий с комплексом машин нового поколения в сравнении с базовыми технологиями и серийными техническими средствами показывают существенное снижение всех видов затрат. Так, эксплуатационные затраты в новом варианте по сравнению с традиционными сокращаются на ячмене на 51,82%; на сое - на 56,05%; капитальные вложения соответственно на 52,63 и 51,94%; затраты труда на 53,85 и 22,58%. Уменьшение количества технологических операций на возделывании ячменя и сои позволили снизить расход топлива соответственно в 1,3 и в 1,5 раза по сравнению с базовыми технологиями. Экономия топлива на 1 га пашни составляет 20 кг при возделывании ячменя, 22 кг при возделывании сои, а урожайность получена больше соответственно на 36 и 88%.
Таким образом, вариант предложенной технологии с техническими средствами нового поколения значительно эффективнее традиционных технологических и технических решений и обеспечивает восстановление плодородия почвы.
Рецензенты:
Курков Юрий Борисович, доктор технических наук, профессор, проректор по научной работе, ФГБОУ ВПО «ДальГАУ», г. Благовещенск.
Самуйло Виктор Вацлавович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Эксплуатация и ремонт транспортно-технологических машин и комплексов», ФГБОУ ВПО «ДальГАУ», г. Благовещенск.