0

Андреев А.А., кандидат физико-математических наук

Динамика процессов аккумуляции железа в почве при длительном воздействии элементов почвообрабатывающих устройств.

Процессы интенсификации сельскохозяйственного производства, начавшиеся в шестидесятых прошлого столетия, осуществлялись в весьма уродливых формах. Несмотря на ярко выражаемые идеологические позитивы того времени, которые были обусловлены внедрением интенсификации в земледелие, эта эпоха оставила после себя трудноизлечимые тяжелые последствия. Следует отметить, что на то время уже существовала довольно надежная агрономическая физика (В.В.Докучаев, К.А.Тимирязев, П.А.Костычев, В.Р.Вильямс) [1; 2]. Но ее результаты при внедрении «интенсификационных» технологий или совсем не принимались во внимание, или принимались выборочно. Существенной причиной такой ситуации, по свей видимости, была большевистская идеология «Цель оправдывает средства», подкрепленная махрово процветающей в то время лысенковизиной [3]. Но есть еще одна, объективная причина – просто в те времена не было результатов исследований влияния воздействий новых технологий на почву и с этой точки зрения следствия могут быть классифицированы как одна из основных технических катастроф ХХ столетия [4].

Почва представляет собой довольно сложный физический объект, содержащий как неотъемлемую часть кристаллические твердые частицы. При контакте этих частиц с металлической поверхность рабочего органа почвообрабатывающего устройства осуществляется абразивный износ рабочего органа, завиясящий от квадрата скорости и площади контакта «почва–металл». Железо, которое остается в почве, в класическом земледелии играло роль микроэлемента, при резком увеличении скоростей и мощностей тракторной техники его концентрации в тысячи раз привысила «микроэлементную». Это повлекло за соблй целый ряд отрицательных следствий. Во-первых, резко изменились физико-механические свойства почвы, причем в сторону, весьма неблагоприятную для корневой системы растений. Во-вторых, изменилась микрофлора. Резко снизившуюся урожайность начали повышать минеральными шдобрениями, что только усугубило ситуацию.

Безусловно, почва, как и всякая другая экологическая система имеет свойство самовосстановления. Но та болезнь почвы, которую можно назвать «металлизацией» лечится очень долго – железо, попадающее в почву в виде плохо расстворимых соединений, выводится из почвы длительное время.

Рассмотрим следующую феноменологическую модель. В почву с начальной концентрацией С₀ в процессе обработки попадает железщо и концентрация становится С₁ > С₀. Восстановительные механизмы зависят от целого ряда факторов: температуры, влажности, концентрации других химических соединений – все эти факторы зависят от времени. Таким образом можно ввести феноменологический коэфициент К(t) – коэфициент пропорциональности в уравнении деградации

а) б₁)

б₂) б₃)

в) г)

Рисунок 1 – Качественные зависимости C(t) (а – в) и К(t)(г)

; К≥0 (1)

Случай К=0 самый «грустный» - механизмы самовосстановления отсутствуют и даже самые щадящие режимы обработки почвы рано или поздно приводили к концентрациям, превышающей оптимальную для растений. Случай К<0 нефизичен, ибо предполагает наличие в почве внутренних источников железа. Впрочем, можно рассматривать и такую маловероятную для земледелия, но вполне возможную ситуацию. Наиболее вероятным сценарием является случай К>0 – подтвержденный многовековой историей земледелия.

Для анализа (1) предполагаем, что, во-первых, на протяжении довольно длительного времени вид уравнения (1) не изменяется (изменение вида уравнения значило бы, что проблема рассматривается уже далеко не для потребностей земледелия, а возможно, в чистоакадемических целях). Во-вторых, предполагаем, что на протяжении многих лет восстановительные процессы неизменны – хотя могут быть учтены и глобальные процессы изменения климата. Это позволит рассматривать динамику изменения концентрации железа в почве на протяжении одного года. Общее решение задачи (1) имеет вид

(2)

где i –индекс, обозначающий номер года (от начала измерений);

- начальная концентрация железа.

Приведенные ниже случаи далеко не исчерпывают все возможности которые следуют из детального экспериментального изучения К(t).

а) К=0 => , механизмы самовосстановления отсутстуют (рис. 1а).

б) К=const > 0, усредненный по интервалу Δt= t_i+1 – t_i коэффициент (недостаточны или неточные измерения, которые не позволяют установить в ременную зависимость К(t)). Варианты представлены на рис. 1б,: б₁– оптимальная технология возделывания почвы; б₂ – «архаическая» технология возделывания почвы; б₃ – «интенсивная» технология возделывания почвы;

в) К(t)= К₀ + К₁ · cos(t-t_i); временная зависимость определяемая температурой и влажностью (рис. 1в – оптимальная технология; г – зависимость К(t) для К₀ > К₁).

Понятно, что приведенные выше случаи могут быть значительно расширены и полностью определяются экспериментально определяемым коэффициентом К(t).

Литература:

1. Костычев П.А. Почвоведение. Курс лекций, читанный в 1886-1887гг. Классики естествознания. – Сельхозгиз, 1940.

2. Вильямс в.Р. Почвоведение. – Сельхозгиз, 1945

3. Андреев А.А. Научное обеспечение внедрения вибрационных технологий в земледелии // Вестник Винницкого СХИ, спецвыпуск. Сборник трудов Международногосимпозиума «Наука и предпринимательство». – Винница-Львов-Славск, 1999. – с.110-114

4. Слободян С.Б., Андреєв О.А. Висвітлення фізичних причин основних технічних катастроф ХХ ст. в лекційних курса з фізики на інженерних спеціальностях. // Матеріали Всеукраїнської науково-методичної конференції «Проблеми підготовки фахівців-аграріїв в навчальних закладах вищої та професійної освіти». – Кам'янець-Подільський , 2009. – с.263-265.