Интенсивная машинная обработка почвы приводит её к эрозии, то есть происходит разрушение и снос слоёв почвы под действием потоков воздуха либо воды. Дабы уменьшить эрозию почвы, используют системы и технологии, которые предусматривают сокращение числа операций, исключая необязательные, а также сочетание нескольких операций (выполнение нескольких операций за один проход, применяя комбинированный агрегат) и замена при борьбе с сорняками механических операций на химические. Подобные обработки называют энергосберегающими, минимальными и почвозащитными.
Чтобы исключить ветровую эрозию, следует проводить обработку почвы без оборота пласта (плоскорезами), сохраняя стерню.
Местность с уклонами подвержена возникновению водной эрозии. Основным способом предотвращения водной эрозии является перевод воды поверхностного стока во внутрипочвенную влагу, а также снижение скорости стока до неразмывающей.
Основные требования, предъявляемые к обработке почв, которые подвержены одновременно водной и ветровой эрозии: сохранение стерни культуры-предшественника – это предотвратит ветровую эрозию; улучшить способность почвы к водопоглощению – предотвращение стока воды по склону и, как следствие, исключение водной эрозии почвы.
Схема образования плужной подошвы в результате многократной обработки почвы плугом на одинаковую глубину (а) и разрушения подошвы при обработке почвы чизельным плугом (б):
I – Расположение корней растений до разрушения плужной подошвы; II – То же, после разрушения; 1, 3 – Соответственно верхний и подпахотный слои; 2 – Плужная подошва.
В уплотнённой почве различают 3 слоя: верхний - пахотный горизонт; плужную подошву – ниже лезвий рабочих органов; подпахотный – ниже плужной подошвы. При обработке верхний слой разуплотняется, а вот плужная подошва, как и подпахотный слой с каждым годом всё больше и больше уплотняются. Толщина плужной подошвы обычно составляет 12-17 см и зависит не только от конструкции рабочих органов, но и от числа обработок на одинаковую глубину, массы орудий, гранулометрического состава и влажности почвы. Если плотность подпахотного слоя почв со средним и тяжёлым гранулометрическим составом (1,6 – 1,7 г/см3), то развитие в ней корней растений или затруднено, или невозможно.
Чизельные плуги, почвоуглубители и щелерезы обрабатывают слежавшийся, плотный подпахотный горизонт, способствуя улучшению водного и воздушного режимов почвы, а также лучшему развитию растений и созданию мощной корневой системы.
Рабочие органы для обработки почв, которые подвержены ветровой и водной эрозии:
а), б), д) – Соответственно лапы чизельного плуга, рыхлителя с изогнутой стойкой и щелереза; в) – Рыхляще-подрезающая (слева) и рыхлительная (справа) лапы рыхлителя; г) – Безотвальный плужный корпус; е) – Сменные рабочие органы чизельного культиватора; 1, 5, 17 – Стойки; 2 – Обтекатель; 3 – Долото; 4 – Ось со штифтом; 6 – Нож-лемех; 7 – Полевая доска; 8 – Рыхлительная пластина; 9 – Лемех; 10 – Накладка; 11, 18, 19, 22 – Наральники; 12 – Щиток; 13 – Уширитель; 14 – Нож; 15 – Болт; 16 – Упор; 20 – Стрельчатый рыхлитель; 21- Стрельчатая полольная лапа.
Рыхлительная лапа (рабочий орган чизельного плуга) состоит из стойки; обтекателя; долота и оси со штифтом. Приваренный к стойке обтекатель защищает её от изнашивания и снижает сопротивление при движении в почве. Серповидный контур обтекателя и стойки позволяет лапе легко заглубляться в почву и хорошо очищаться от сорной растительности. Вместо долота (шириной захвата 70 мм) на стойку можно установить стрельчатую лапу (шириной захвата 270 мм). Стрельчатые лапы используют при рыхлении на глубину до 30 см, а долота при рыхлении на глубину до 45 см. Стрельчатые лапы не только более интенсивно рыхлят почву, но и подрезают сорняки. Однако использовать их для обработки почвы на глубину более 30 см нецелесообразно, ввиду того, что снижается производительность и возрастает расход энергии при обработке почвы.
К раме стойку крепят двумя болтами, один из них срезной, он необходим при возникновении кратковременных перегрузок для предохранения от поломки. Более совершенными являются рыхлительные рабочие органы, чьи стойки наклонены в поперечно-вертикальной плоскости под углом порядка 45 градусов.
Ширина долота – 67 мм; угол его заострения – 25 градусов; угол установки к дну борозды – 16 градусов; угол наклона стойки к дну борозды в продольно-вертикальной плоскости – 72 градуса.
Регулируемая рыхлительная пластина оснащена шестигранным эксцентриковым устройством, которое позволяет устанавливать её в 4 положения под углом от 5 до 15 градусов относительно плоскости стойки. Рабочий орган фиксируют к раме парой уголков, а также накладной пластиной и болтами (один из которых срезной). Перед стойкой устанавливают дисковый нож диаметром 520 либо 430 мм.
Во время работы долото сминает почву, а почвенный пласт перемещается по рабочим поверхностям стойки и рыхлительной пластины, затем приподнимается и изгибается не только в продольном, но и в поперечном направлении, что приводит к его разрушению.
У рыхлителя для обработки солонцовых почв основными рабочими органами являются рыхлительные и рыхляще-подрезающие лапы. В процессе их работы происходит разрушение монолитности солонцового слоя, который затем частично перемешивается с подсолонцовым слоем. В щели и трещины, которые образуются при этом, просыпаются почвенные комки гумусного (верхнего) слоя, препятствуя тем самым смыканию солонцового слоя и, как следствие, превращению его в монолит. Это позволяет проникать между столбцами солонцов влаге к корням растений, что приводит к постепенному окультуриванию слоя.
Безотвальный плужный корпус хорошо рыхлит почву без оборота пласта. Подрезанный, а также частично раскрошенный лемехом пласт поднимается по уширителю на определённую высоту, далее падает на дно борозды и дополнительно крошится от удара. Щиток, прикрывающий стойку, защищает её от истирания. Это сберегает почвенную влагу, в значительной мере сохраняет стерню на поверхности поля, поверхностный слой мульчируется пожнившими остатками. Подобные функции способны выполнять стойки СибИМЭ, которые разработали в Сибирском НИИ механизации и электрификации сельского хозяйства.
Эффективным приёмом разрушения плужной подошвы, которая образовалась после обработки плугами и плоскорезами является щелевание, то есть сохранение на поверхности поля стерни и улучшение водопоглащающих свойств почвы. Рабочий орган щелереза через каждые 5 см имеет отверстия для ступенчатого регулирования глубины щелевания. Обычно глубина нарезаемых щелей составляет порядка 40 ± 15 см. Щелевание проводят на посевах многолетних трав, на лугах и по зяблевой вспашке.
Чизельный культиватор представляет собой переходное орудие от чизельного плуга к традиционному культиватору. Они могут использоваться как для дополнительной, так и для основной обработки подверженных и не подверженных эрозии почв на глубину до 25 см. Как правило, рабочие органы у тяжёлых чизельных культиваторов закреплены на упругих стойках. Колебание таких стоек способствует улучшению качества крошения, снижению тягового сопротивления и предотвращению забивания рабочих органов почвой и растительными остатками. Стойки защищают рабочие органы при встрече с препятствиями от возможных повреждений. Узкорыхлительные и долотообразные нарыльники рыхлят почву и дно борозды, а также производят частичное мульчирование, создавая гребни и волнистую поверхность, которые способствуют поглощению влаги.
Стрельчатый рыхлитель интенсивнее обрабатывает почву, особенно при её низкой влажности. На малой глубине хорошо работает стрельчатая лапа, подрезая сорняки, она частично перемешивает их с почвой. Нарыльник с винтовой поверхностью может быть как право-, так и левооборачивающим. Он не только рыхлит почву, но и заделывает солому и прочие растительные остатки, формируя мульчирующий слой, который предотвращает ветровую и водную эрозии.
В процессе расстановки лап чизельного культиватора следует учитывать не только деформацию почвы отвально-рыхлительными лапами, но и степень её перемешивания с удобрениями (которые распределены по поверхности до обработки) и пожнившими остатками.
У современных отечественных чизельных плугов рабочие органы расставляют по комбинированной схеме, которая даёт возможность приблизить центр тяжести орудия к трактору и сократить его длину.
Рабочие органы противоэрозионных почвообрабатывающих орудий: плоскорежущие лапы, игольчатые диски и штанги различаются по технологическому воздействию, оказываемому на почву.
Схемы процессов воздействия рабочих органов на почву, которая подвержена эрозии:
а) – лапы плоскореза и глубокорыхлителя; б) – штанги; в) – игольчатого диска.
Технологический процесс лапы плоскореза-глубокорыхлителя и культиватора-плоскореза состоит из следующих операций: лезвиями лемехов подрезается почвенный плат и корневища сорняков; подрезанный пласт поднимается и рыхлится лемешными рабочими поверхностями; пласт укладывается на прежнее место без повреждения стерни (по возможности). Действие сил растяжения и сжатия, которые возникают при изгибе пласта, когда он входит на лемешную поверхность, пласт в некоторой мере рыхлится, при этом в нём образуются вертикальные щели, через которые просыпаются мелкие фракции поверхностного слоя почвы по внутренние слои пласта, тем самым повышая устойчивость поверхностного слоя к эрозии.
В тех зонах, где проходят стойки лап плоскорезов, происходит белее интенсивное разрушение и перемешивание элементов пласта, вследствие чего определённая часть стерни закладывается в почву. Помимо этого, часть пласта отбрасывается в стороны, ударяясь о боковые поверхности стоек. При увеличении рабочих скоростей (более 7 км/ч) возрастает разбрасывание почвы и в зоне прохода стоек формируется борозда шириной более 20 см, почвой засыпается часть стерни, а её нижележащие влажные слои, вынесенные на поверхность, иссушаются и почва теряет влагу. Наилучшее качество обработки достигается при оптимальной влажности почвы – 15-22%. Низкая влажность приводит к образованию больших глыб.
Штанга вращается в почве на глубине порядка 5-10 см. При этом она выдергивает либо разрывает и выносит на поверхность часть заделанной в почву стерни и корни сорняков, выравнивает поверхность поля и рыхлит почву, что крайне важно, особенно в тех местах, где проходили стойки лап глубокорыхлителей и плоскорезов. Вместе с тем происходит сепарация почвенных агрегатов – мелкие (пылевые) частицы просеиваются внутрь пласта, в то время как крупные (эрозионно устойчивые) выносятся на поверхность. При повышенной твёрдости и низкой влажности почвы заглубление штанги может быть произведено только после обработки почвы лапами глубокорыхлителей либо плоскорезов. Штанга может быть бесприводной или приводной. Проходя путь в 1 метр, она делает 0,9-1,2 оборота.
Игольчатые бороны используют для проведения поверхностного рыхления почвы во время весеннего закрытия влаги и осенней обработки почвы по стерне. Для этих целей обычные зубовые бороны не могут быть применены, потому что они забиваются пожнившими остатками. В процессе качения диска иглы под определённым углом атаки поочерёдно входят в почву на заданную глубину, торцовой и боковой поверхностями деформируя почву. Вследствие этого образуется лунка, по форме сечения на поверхности поля напоминающая эллипс. Если необходимо разрушить почвенную корку, при этом сохранив стерню, то диски устанавливают таким образом, чтобы они работали «затылком», то есть были направлены вогнутостью вперёд во время погружения в почву. Это даёт возможность сохранить до 75% стерни, одновременно заделывая семена сорняков в почву.
На изображённом ниже рисунке представлены конструкции рабочих органов, которые предназначены для предотвращения ветровой эрозии почвы.
Рабочие органы для обработки почв, которые подвержены ветровой эрозии:
а) – Лапа культиватора-плоскореза; б) – Лапа плоскореза-глубокорыхлителя; в) – Лапа плоскореза-глубокорыхлителя-удобрителя; г) – Лапа тяжёлого культиватора; д) – Лапа со штанговым приспособлением; е) – Секция игольчатой бороны; 1 – Долото; 2, 16, 33 – Стойки; 3 – Регулировочный болт с гайкой; 4, 18 – Упоры; 5, 7 – Правый и левый лемеха соответственно; 6 – Башмак; 8 – Тукопровод; 9 – Воздухопровод; 10 – Смеситель; 11 – Заслонка; 12 – Отражатель; 13 – Скоба; 14 - Ось; 15 – Держатель; 17 – Лапа; 19, 24, 26 – Болты; 20 – Кронштейн; 21, 28 – Пружины; 22 – Гайка с шайбой; 23 – Штанговое приспособление; 25 – Хомут; 27 – Регулировочная гайка; 29 – Шайба со шплинтом; 30 – Штанга; 31 – Игольчатый диск; 32 – Брус.
Таким образом, лапы культиваторов-плоскорезов применяют для обработки почвы на глубину от 7 до 18 см. Ширина их захвата – 110-250 см. Устройство плоскореза-глубокорыхлителя аналогично устройству лапы культиватора-плоскореза. Тем не менее, из-за того, что они обрабатывают почву на глубину до 30 см, во избежание поломок стойки и крыльев ширина её захвата не превышает 150 см.
Лапы плоскореза-глубокорыхлителя-удобрителя оборудованы тукопроводами и воздуховодами, чтобы проводить внутрипочвенное внесение удобрений. Плоскорежущие лапы разрушают порядка 15-25% стерни, причём увеличение захвата лапы приводит к увеличению количества сохранённой стерни.
Лапы тяжёлого культиватора (ширина захвата 41 см) применяются для обработки почвы на глубину от 5 до 16 см. Их монтируют на упругой стойке, оборудованной шарнирно-упругими креплениями на раме. Во время работы лапа в результате колебательного сопротивления почвы вибрирует, что снижает тяговое сопротивление и способствует её самоочищению от растительных остатков. Лапы создают гребнистую поверхность поля, повреждая до 50% стерни.
Лапы, снабжённые штанговыми приспособлениями, применяют для проведения предпосевного рыхления почвы на глубину порядка 6-12 см и уничтожения сорняков с максимально возможным сохранением стерни (до 65%).
Игольчатые диски являются рабочими органами борон-мотыг, которые предназначены для поверхностного рыхления почвы на глубину от 4 до 10 см. Игольчатый диск диаметром 55 см снабжён иглами круглого сечения, которые загнуты по спирали. Собранные в батареи (секции) диски устанавливают под углом атаки от 0 до 20 градусов к направлению движения. Различают активную и пассивную установку борон: соответственно вперёд остриём зуба либо «затылком».
Дабы предотвратить водную эрозию почвы стараются задержать воду либо уменьшить скорость её движения и привести к поглощению почвой, что приведёт к накоплению влаги. Эту процедуру выполняют по-разному, всё зависит от крутизны и характера склона: делают специальные микрорельефные неровности (валики, борозды, лунки, прерывистые борозды); кротованием, вспашкой с почвоуглублением и прочими операциями увеличивают способность почвы к водопоглощению; уменьшают скорость движения воды по склону и рассредоточивают сток, используя мульчирование полей пожнившими остатками, а также снегозадержание; сравнивая холмы и делая террасы на склонах, выравнивают поля.
Проще всего валики и борозды создаются при вспашке полей, которые находятся на простых односторонних склонах, используя плуги, оборудованные удлинённым отвалом на одном из корпусов. Вспашка производится поперёк склона. В этом случае корпус с удлинённым отвалом производит укладку пласта не в расположенную перед ним борозду, а на отваленный предыдущим корпусом гребень пласта. Вследствие этого образуется валик, а перед ним борозда.
Ступенчатая вспашка получается при использовании плугов, у которых половина корпусов (через один) имеют удлинённые стойки. Это делает дно борозды ступенчатым и предотвращает сток внутрипочвенной воды. Дабы предотвратить выворачивание на поверхность нижнего малоплодородного слоя почвы, на корпуса, имеющие удлинённые стойки, устанавливают обрезанные (укороченные) отвалы.
Приспособления:
а) – К плугу для выполнения прерывистых борозд; б) – Тоже, к культиватору; в) – К плугу для образования лунок; 1 – Брус; 2 – Поводок; 3 – Крыльчатка; 4 – Упорный рычаг; 5 – Нажимная штанга; 6 – Шатун; 7 – Опорное колесо; 8, 9 – Соответственно мерный и сферический диски; 10 – Балластный ящик.
На сложных склонах, как правило, приходится выполнять прерывистое боронование, которое производят четырёхкорпусным навесным плугом при вспашке зяби, один отвал у которого укорочен, а по его следу движется приспособление с трёхлопастной крыльчаткой, которое прикреплено к раме плуга посредством скобы, растяжки и поперечного бруса. Крыльчатка в процессе работы то приостанавливается, прорывая погружённой в почву лопастью борозду, то вновь начинает вращаться, прекращая делать борозду, сохраняя перемычку. Вращению крыльчатки препятствует упорный рычаг, соединённый с шатуном, который получает привод от опорного колеса. Рычаг отводится один раз за каждый оборот колеса, при этом крыльчатка прерывает образование борозды, проворачиваясь на угол в 120 градусов. Изменяя усилие наклонных штанг и пружин, можно регулировать глубину борозд. Вследствие этого образуются борозды глубиной 18-20 см, длиной 1-1,4 метра и объёмом до 0,1 м3. На каждом гектаре формируется около 4-4,2 тысяч замкнутых борозд, чей общий объём составляет 350-400 м3.
Прерывистое бороздование междурядий пропашных культур выполняют с помощью приспособления с четрырёхлопастной крыльчаткой, которое устанавливают за бороздооткрывающим окучником. Во время работы мерный диск, посредством соединённого с ним шатуна, периодически отводит упор от крыльчатки, при этом крыльчатка проворачивается, а в борозде формируется перемычка. В итоге на 1 гектар приходится до 4 тысяч замкнутых борозд размером 100×50 см, глубиной до 16 см и общим объёмом от 250 до 280 м3.
На склонах, чья крутизна не превышает 6 градусов, при вспашке зяби целесообразно образовывать лунки. Эту операцию производят, фиксируя к четырёхкорпусному плугу приспособление, которое представляет собой батарею дисков сферической формы диаметром 450 мм, которые размещены эксцентрично и повёрнуты на угол 180 градусов относительно друг друга. Диски устанавливают под углом в 30 градусов к направлению движения. Во время работы они попеременно входят в почву и выходят из неё, создавая, таким образом, лунки размером 1,3×0,5×0,2 м. На 1 гектаре можно расположить до 11 тысяч лунок общим объёмом порядка 250 м3. Для дисковых лущильников используют аналогичные приспособления.
К орудиям, которые предназначены для обработки подверженных эрозии почв, предъявляются специфические требования. На поверхности почвы, после прохода этих орудий, должно оставаться определённое (максимальное) количество неповреждённой стерни: после плоскорезов-глубокорыхлителей – 80%; культиваторов-плоскорезов – не менее 85%, тяжёлых культиваторов и чизельных плугов – 55%.
На всём поле глубина обработки почвы должна быть равномерной. Отклонения не должны превышать для тяжёлых культиваторов и плоскорезов-глубокорыхлителей ±2 см, культиваторов-плоскорезов ± 1 см. Глубина обработки почвы чизельными плугами должна превышать глубину залегания нижней границы плужной подошвы (допускается отклонение ± 5%). Над дном обработанного почвенного слоя допускаются гребни, чья высота не превышает 45% от заданной глубины обработки. Во время работы чизельных культиваторов допускается отклонение от заданной глубины обработки на ± 10%. Контролируя глубину обработки почвы с помощью щупа (металлического стержня) полученные значения уменьшают на 20-25% (на вспушённость почвы).
При оптимальной относительной влажности почвы 55-65% (либо 16-21% абсолютной) в поверхностном слое почвы (от 0 до 5 см) должны преобладать комки размером менее 5 см. Содержание эрозионно опасных частиц, размером менее 1 мм, в таком слое не должно увеличиваться, а количество глыб, чей размер больше 10 см, не должно превышать 20%.
После обработки поверхность поля должна быть относительно ровной. Допускаются валики на стыке проходов лап (не более 5 см) и борозды за стойками рабочих органов (глубиной не более 8 см).