Ufa, Ufa, Russian Federation
GRNTI 55.57 Тракторное и сельскохозяйственное машиностроение
The work is devoted to the mathematical description of the process of occurrence and flow of mechanical soil erosion on slope fields and ways to reduce it. The dependences of mechanical erosion on the steepness of the slope, the type and parameters of the working unit, the direction of movement of the unit relative to the horizontal field are given. The obtained mathematical dependences allow us to calculate the displacement of the soil down the slope, depending on the type and parameters of the working unit and on the technology of tillage used. Purpose of the study. Reduction of mechanical soil erosion in slope fields by improving technologies and structural and technological parameters of tillage and seeding machines. Calculations showed that when the unit moves at an angle θ = 45 ÷ 70° to the horizontal of the field, the maximum displacement of the soil occurs by the lower wing of the working body (Δ1). Minimal mechanical soil erosion is provided for lancet working bodies when the unit moves relative to the horizontal of the field at an angle of 90 ± 35°, for unilateral working bodies - 120 ± 40°. It is desirable to avoid the direction of movement of the unit θ ≈ 0 ... 70°, when maximum mechanical erosion is observed when processing by one-sided working bodies (plow bodies) exceeding mechanical erosion when moving along the field horizontals 1.5 times.
slope angle, mechanical erosion, centre how, one-sided working unit.
При возделывании сельскохозяйственных культур на полях с холмистым рельефом сток по полю талых или дождевых вод приводит к смыву верхнего плодородного слоя почвы. Ежегодная потеря слоя почвы при водной эрозии в среднем составляет 1 мм. Но такие потери гумуса перекрываются за счет разложения пожнивных остатков и корневой системы растений, т.к. при этом образуется до 18-21 т гумуса на 1 га ежегодно [1]. Однако на склоновых полях, кроме водной эрозии, дополнительно возникает такой вид деградации почвы как механическая эрозия [2].
Механическая эрозия почвы – это смещение почвы вниз по склону рабочими органами почвообрабатывающих и посевных машин. Механическая эрозия оголяет верхнюю часть склонов от плодородной почвы и намного усиливает водную эрозию.
Освещению данной проблемы посвящена работа Шведас А.И. [1], где показано, что заметные потери почвы от механической эрозии совпадают по времени с началом использования отвального плуга для обработки склонов. Приведен большой объем экспериментальных данных по механической эрозии.
Теоретическая и экспериментальная работа по изучению механической эрозии почвы на склоновых полях при вспашке отвальными плугами проведена Макаровой М.С. и Зацаринным В.А. [3,4], где рассмотрено изменение углов постановки лезвия лемеха к стенке и дну борозды в зависимости от крутизны склона и от направления движения агрегата. Показано, что смещение почвы вниз зависит и от дальности полета почвы после схода с отвала.
D.A. Lobb [5] отмечает, что многие технологические операции приводят к перемещению почвы. При этом обработка почвы является наиболее распространенной из этих видов деятельности.
W.Van Muysen, G.Govers [6] показали, что эрозия почв происходит не только при основной обработке почвы, но и дополнительные обработки вносят значительный вклад в перемещение почвы и эрозию почвы.
В статье W Van Muysen, G Govers, K Van Oost [7] отмечается, что среднее расстояние перемещения почвы зависит не только от крутизны склона, но и зависит от скорости обработки, глубины обработки и направления обработки почвы.
В работе C Kosmas, St Gerontidis, M Marathianou, B Detsis, Th Zafiriou, W Nan Muysen, G Govers, T Quine, K Vanoost [8] указывается, что при обработке почвы полей с холмистым рельефом происходит транспортирование большого количества почвы из выпуклых склонов (верхней части склонов). Применение полученных эмпирических функций показало, что при существующих климатических условиях и методах обработки почвы площадь убыточных производственных площадей увеличится с 4,1 до 6,8% в течение 7 лет.
В работе G. Heckrath, U. Halekoh, J. Djurhuus, G. Govers [9] сообщается, что наименее эрозионным направлением обработки почвы является движение агрегата под углом 45 °.
В работах Бледных В.В. и Рахимова З.С. [10] было представлено теоретическое описание механической эрозии, где рассматривался процесс возникновения механической эрозии при работе стрельчатых лап поперек склона.
Рассмотренные труды показывают, что для описания процессов механической эрозии проводятся в основном экспериментальные работы. Имеющиеся теоретические работы посвящены в основном смещению почвы несимметричными рабочими органами – плужными корпусами отвальных плугов. Для обоснования процессов перемещения почвы рабочими органами в виде трехгранных клиньев, предпочтительных направлений движений агрегатов на склоновых полях, конструктивно-технологических параметров рабочих органов необходимо провести математическое описание процесса возникновения и протекания механической эрозии.
Математическая модель механической эрозии, приведенная в данной статье, обеспечивает определение смещения почвы рабочими органами в виде трехгранного клина в зависимости от их параметров, крутизны склона и направления движения машин относительно горизонтали поля. Это позволяет уже в стадии проектирования теоретически определить механическую эрозию почвы в зависимости от технологии возделывания культур и параметров рабочих органов, что даст возможность принять оптимальные технологии возделывания культур и параметры используемых рабочих органов.
Цель исследования. Снижение механической эрозии почвы на склоновых полях путем совершенствования технологий и конструктивно-технологических параметров почвообрабатывающих и посевных машин.
Условия, материалы и методы исследований. Рабочий орган, имеющий форму трехгранного клина (корпус плуга, стрельчатая лапа, диск и др.), смещает почву поперек направления движения машины. На равнине смещение почвы меняется только в зависимости от параметров рабочего органа – угла γ между лезвием лемеха и направлением движения и угла ε между поверхностью рабочего органа и плоскостью, параллельной поверхности поля и проходящей через лезвие лемеха. Так как перемещения почвы происходит симметрично относительно направления движения, то общего смещения почвы не происходит.
При работе на равнине почва по рабочему органу почвообрабатывающей или посевной машины перемещается под углом η между лезвием лемеха и направлением движения почвы по клину (рисунок 1), которая определяется по формуле Гячева Л.В.[ 11].
tgη = tg γ · cosε (1)
Определение перемещения почвы производится путем нахождения угла ηГ между проекцией траектории движения почвы на горизонтальную плоскость и направлением движения рабочего органа:
tgηг = tgγ – cosε – tgη/ 1+ cosε ·tgγ ·tgη. (2)
Величина смещения почвы Δ1 = ОЕ. Т.к. смещения почвы направо и налево будут одинаковые, то общего смещения почвы не произойдет. Смещение Δ1 влияет только на ширину развальной борозды. В связи с этим на равнинных полях механической эрозии почвы за счет рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин не возникает.
1. Shvedas A.I. Zakreplenie pochv na sklonakh. [Fastening the soil on the slopes]. - L., “Kolos” (Leningr. otdelenie), 1974. - P. 183.
2. Blednykh V.V. Mekhanicheskaya eroziya pri obrabotke pochvy na sklonakh. // Dinamika pochvoobrabatyvayushikh agregatov i rabochie organy dlya obrabotki pochvy: Sb. nauch. tr. ChIMESKh. (Mechanical erosion during tillage on slopes / Blednykh V.V., Rakhimov Z.S. // Dynamics of tillage units and working bodies for tillage: Sat. scientific tr. CHIMESH - Chelyabinsk, 1982, - P. 24-29.
3. Makarova M.S. Parametry protsessa obrabotki pochvy sklonovykh poley lemeshnymi plugami: avtoref. dis. … kand. tekhn. nauk: 05.20.01. (The parameters of the soil treatment process of sloping fields with ploughshares: author. dis. ... Cand. tech. Sciences: 05.20.01. - Zernograd, 2010. - P. 19.
4. Makarova M.S. Recommendations for soil plowing on the slopes of plows for general use. [Rekomendatsii po vspashke pochvy na sklonakh plugami obshchego naznacheniya]. / Makarova M.S., Zatsarinnyy V.A. // Vestnik agrarnoy nauki Dona. - The Herald of Agrarian Science of the Don. 2012. № 4 (20). P. 22-29.
5. D.A. Lobb. Soil Movement by Tillage and Other Agricultural Activities Reference Module in Earth Systems and Environmental Sciences Encyclopedia of Ecology, 2008, Pages 3295-3303. Current as of 18 June 2012.
6. Antônio José Teixeira GUERRA, Michael Augustine FULLEN, Maria do Carmo Oliveira JORGE, José Fernando Rodrigues BEZERRA, Mohamed S.SHOKR. Slope Processes, Mass Movement and Soil Erosion: A Review. Pedosphere, Volume 27, Issue 1, February 2017, Pages 27-41.
7. W.Van Muysen, G.Govers. Soil displacement and tillage erosion during secondary tillage operations: the case of rotary harrow and seeding equipment.Soil and Tillage Research, Volume 65, Issue 2, May 2002, Pages 185-191.
8. W Van Muysen, G Govers, K Van Oost. Identification of important factors in the process of tillage erosion: the case of mouldboard tillage. Soil and Tillage Research, Volume 65, Issue 1, April 2002, Pages 77-93.
9. C Kosmas, St Gerontidis, M Marathianou, B Detsis, Th Zafiriou, W Nan Muysen, G Govers, T Quine, K Vanoost. The effects of tillage displaced soil on soil properties and wheat biomass. Soil and Tillage Research, Volume 58, Issues 1-2, February 2001, Pages 31-44.
10. G.Heckrath, U.Halekoh, J.Djurhuus, G.Govers. The effect of tillage direction on soil redistribution by mouldboard ploughing on complex slopes. Soil and Tillage Research, Volume 88, Issues 1-2, July 2006, Pages 225-241.
11. Blednykh V.V. Suschnost poyavleniya mekhanicheskoy erozii pochv pri obrabotke sklonov. // Sb. nauch. tr. fakulteta mekhanizatsii selskogo khozyaystva, posvyaschennyy 50-letiyu fakulteta. [The essence of the emergence of mechanical soil erosion during the processing of slopes. / Blednykh V.V., Rakhimov Z.S.// The collection of scientific papers of Faculty of Agricultural Mechanization, dedicated to the 50th anniversary of the Faculty]. - Ufa: BGAU, 2001. - P. 80-87.
12. Gyachev L.V. Teoriya lemeshno-otvalnoy poverkhnosti. / Tr.AChIMSKh; The theory of plow-dumping soil tillage. / The collection of AChIMKSh); Issue 13. - Zernograd, 1961. - P. 317.
13. Rakhimov Z.S. Mechanical soil erosion on slopes. [Mekhanicheskaya eroziya pochvy na sklonakh]. // Traktory i selskokhozyaystvennye mashiny. - Tractors and agricultural machines. - 2005. - №5. - P. 37-38.
14. Rakhimov Z.S. The influence of constructive-technological parameters of the working unit on the displacement of the soil and on mechanical erosion when working on the slopes. [Vliyanie konstruktivno-tekhnologicheskikh parametrov rabochego organa na smeschenie pochvy i na mekhanicheskuyu eroziyu pri rabote na sklonakh]. // Izvestiya Mezhdunarodnoy akademii agrarnogo obrazovaniya. - News of International Academy of Agrarian Education. - 2013. - Issue 17. - P. 108-112.
15. Rakhimov Z.S. Razrabotka protivoerozionnykh tekhnologiy i tekhnicheskikh sredstv obrabotki pochvy i poseva na sklonovykh agrolandshaftakh: dis. … dokt. tekhn. nauk: 05.20.01. (Development of anti-erosion technologies and technical means for tillage and seeding on sloping agricultural landscapes: thesis for a degree of Doctor of technical Sciences: 05.20.01). - Ufa, 2013. - P. 373.
16. Rakhimov Z.S. A device for determining the trajectory of soil particles movement. [Pribor dlya opredeleniya trayektorii peremescheniya chastits pochvy]. // Traktory i selskokhozyaystvennye mashiny. - Tractors and agricultural machines. 2006. № 2. P. 24-25.
