Нестяк В.С., доктор технических наук (ГНУ СибИМЭ РАСХН)

Мамбеталин К.Т., кандидат технических наук (ВГБОУ ВПО ЧГАА)

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ВОПРОСЫ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ

В обозримом будущем основным поставщиком продовольствия для человечества будет оставаться земледелие, а в его основе, как известно, лежит обработка почвы. От качества подготовки почвы и энергетических затрат на неё зависят и урожайность, и качество, и себестоимость производимой продукции. Поэтому поиск и разработка новых перспективных технико-технологических решений на этом направлении, несомненно, можно отнести к важнейшим вопросам, стоящим перед мировой наукой.

Перспективными направлениями снижения энергоемкости обработки почвы при непременном условии обеспечения качества рыхления в соответствии с требованиями возделываемых культур, по нашему мнению, является применение в разрабатываемых технологиях и технических средствах для их реализации механизмов саморазрыхления почвы и энергосберегающих принципов воздействия на неё. Рассмотрим подробнее эти направления.

1. Главное средство производства в растениеводстве – это земля, точнее – почва, а еще точнее – почвенный покров. В традиционной технологии множество раз рыхлим его, измельчаем. При этом движители тракторов и машин еще и нещадно уплотняют его. Негативными последствиями этого являются повышенная плотность почвенной структуры, ее распыливание и обесструктурирование, и, как правило, снижение урожайности полей.

А «почвенный покров (по Ковде В.А. [1]) представляет собой самостоятельную сложную специфическую биогенную оболочку земного шара … . Педосфера (почвенный покров) находится в теснейшей взаимозависимости и постоянном взаимодействии с литосферой, биосферой, гидросферой и атмосферой ...». То есть, почва как биогеоценоз – живая термодинамическая система. В этом качестве она является саморегулируемой системой.

Почва не просто «скопление массы частиц» (по Расселу Э. [2]), она совокупность этих частиц, взаимодействующих между собой по физическим законам. То есть, она – система материальных частиц. В своих исследованиях мы рассмотрели её в статистической, волновой и квантовой механиках [3].

В почвенных слоях, в вертикальном и горизонтальном направлениях, происходят непрерывные процессы переноса тепла, влаги и энергии. Также происходит тепло- и влагообмен между окружающей средой и почвой. А механизмом процессов переноса являются фононы, квазичастицы, представляющие собой кванты упругих колебаний почвенной среды, почвенных частиц. Почвенная система является и фононной системой.

Состояние фононной системы характеризуют термодинамические функции: энтропия, свободная и внутренняя энергия. Именно как фононная система почва является термодинамической системой. При превышении энергии колебания почвенных частиц величину энергии связей между ними происходит разрыв этой связи. Так как это совершается в массовом порядке, данный процесс приводит к разрушению почвенной структуры.

Почвенный покров подвергается непрерывному гигротермическому воздействию окружающей среды, вызывающему распад ее структуры. Почвенная вода и почвенный воздух в термоактивационных процессах также разрыхляют почвенный слой. Таким образом, под воздействием этих факторов в совокупности происходит процесс саморазрыхления почвы, который наиболее развит в черноземных почвах на карбонатной основе.

Саморазрыхлению почвы способствуют и целый ряд других факторов: процессы набухания и усадки почвенного слоя, разрыхляющее действие корневых систем растений, процессы промерзания и оттаивания почвы, деятельность микроорганизмов и червей.

То есть в естественных природных условиях происходит саморазрыхление почвы, за счет чего в течение определенного промежутка времени она сохраняет свое рыхлое состояние и без механической ее обработки. Следовательно, нет необходимости в многочисленных рыхлениях почвы в весенний период перед посевами. Можно производить прямые посевы в почву без ее предварительной обработки.

Этот вывод подтвердили многолетние полевые опыты в условиях хозяйств степной зоны. В течение пяти лет эксперимента плотность почвы без какой-либо обработки сохранялась в пределах 1,18…1,10 г/см³, урожайность пшеницы не уступала (в отдельный год даже превышала) урожайности, полученной на других участках, обработанных тем или иным способом.

Все вышеизложенное служит теоретической основой технологии прямого посева, являющейся ресурсо- и энергосберегающей технологией возделывания зерновых культур, определяет направления разработки новых технологий.

Как и всякая система, почвенная система стремится к состоянию равновесия. Ее равновесное состояние – это оптимальные соотношения некапиллярной и капиллярной пористости, пористости и плотности. При этих условиях обеспечивается необходимая удельная поверхность почвы, создающая соответствующие требованиям растений тепловой, водный, воздушный и питательный режимы. Наиболее близкой к состоянию равновесия почва бывает в условиях паров, когда наибольшее развитие получают естественные почвообразовательные процессы. Нахождение оптимального соотношения продолжительности работы по технологии прямого посева и парования поля с его основной отвальной обработкой, в свою очередь, является перспективным направлением исследований.

Технология возделывания должна быть направлена на проявление эффективного плодородия почвы, что выражается в высокой урожайности возделываемых культур. Для этого питательные вещества должны быть доступны корням растений. По исследованиям Дояренко А.Г. [4], питательные элементы в почве находятся в форме, недоступной корням растений. По нашим исследованиям [3], в составе почвы имеется еще и четвертая, плазменная, фаза, фаза почвенного раствора, создающего питательный режим. Также перспективным направлением исследований являются условия образования в почве полноценного плазменного почвенного раствора.

2. Известно, что основным принципом воздействия рабочих органов на почвенный пласт является принцип сжатия. И теория почвообработки основана на положениях физики однородного твердого тела сплошного строения. А почва таким телом не является, она многофазна, в ней много пор и пустот, силовые факторы развиваются совсем не так, как в твердом теле. И в процессе обработки почвы, проходящей в скоростном режиме, они меняются по величине и направлению в доли секунды. В таких условиях целесообразно рассматривать почвообработку в свете энергетических теорий.

Нами, на основе теории Гриффитса, было установлено [3]: для того, чтобы раскрошить почвенный пласт по агротехническому требованию, почвообрабатывающие агрегаты должны иметь рабочие скорости выше 4 м/с. А это, кроме всего прочего, еще больше увеличит энергетические затраты.

Энергосберегающими принципами воздействия на почвенный пласт являются принципы растяжения и вибрации [3]. Природным прототипом рабочего органа, осуществляющего эти принципы, является дождевой червь. Для передвижения в почве он затрачивает ничтожное количество энергии. Кусочки почвы, проходя по кишечнику червя, растягиваются, вибрируют и насыщаются элементами, выделяемыми железами кишечника. По утверждению исследователей, почвенный слой, состоящий из копролитов (навозных камешков) червей, был бы идеальным для растений.

Создание «наночервяков» на основе достижений нанотехнологии и их применение в технологии прямого посева имеет для почвообработки хорошие перспективы.

Литература

1. Ковда В.А. Основы учения о почвах. Кн.1 и 2. – М.: Наука, 1973. – 447 и 468 с.

2. Рассел Э. Почвенные условия и рост растений. – М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1955. – 623 с.

3. Мамбеталин К.Т. Механико-технологические основы снижения энергоемкости обработки почвы: дисс. … докт. техн. наук. /Науч. конс. Нестяк В.С. – Новосибирск, 2011. – 38 с.

4. Дояренко А.Г. Факторы жизни растений. – М.: Колос, 1966. – 280 с.