Давить на почву вредноПоследнее время в специальной литературе появился термин "машинная деградация почв". Он обозначает комплекс вредных последствий, вызываемых колесами, гусеницами и рабочими органами почвообрабатывающих машин. Один из наиболее грозных факторов деградации почв - переуплотнение. Для того чтобы растения развивались нормально, требуется определенное соотношение между основными частями почвы: твердыми частицами, водой и воздухом. Оптимальной будет такая почва, в которой твердые частицы составляют 50%, вода - 30% и воздух - 20% (см. рис. 1А). Если почва переуплотнена (см. рис. 1Б), урожайность резко снижается. Это объясняется тем, что переуплотненная почва плохо впитывает влагу. Рис. 1. Сечения верхних слоев почвы: А) неуплотненной, Б) переуплотненной Белый цвет - пространство для воздуха или воды. Черный цвет - почва. Сечения верхних слоев неуплотненной и переуплотненной почвы наглядно показывают, на сколько сокращается пространство для воздуха и воды под действием колес и гусениц сельскохозяйственных машин. Увеличение объема этого пространства оздоровливает почву [1]. "Исследования американских специалистов показали, что уплотнение почв в основных зерносеющих районах США снижает урожай хлебов на 8-13%. Во многих странах, в том числе и СССР, были поставлены специальные опыты. Они показали, что уплотнение пылевато-иловатого суглинка трактором, колеса которого давят на землю с силой 2 кг/см2... снижает урожайность картофеля более чем на 50%. Имеются данные, что урожай заметно снижается даже в том случае, когда объемный вес земли увеличивается всего на 0,01 г/см3" [2]. "Сегодня нужна техника, основанная на новых научных принципах. Традиционная техника - это 300 кг металла на 1 га пашни. Она ведет к переуплотнению и деградации почвы. Нужны: реактивные плуги, почволюбивые ходовые системы, вибрационные рыхлители, роторные комбайны, пневмогусеничные тракторы, плоскорезы вместо плугов. В Канаде плуги не применяются с 1963 года. В Голландии применяют мостовое земледелие" [3]. Чтобы сберечь и восстановить плодородие почвы, необходимо научиться выращивать продукты питания без ее разрушения и уплотнения. В статье дан краткий обзор известных способов решения этой задачи и показаны тенденции развития машин и технологий, позволяющие предсказать новые способы ее решения. Как обрабатывать почву без ее уплотнения?Почву разрушают и уплотняют колеса и гусеницы сельскохозяйственных машин: тракторов, комбайнов, грузовиков, сеялок, косилок и т. п. Всю эту технику можно представить как систему для обработки почвы и растений, состоящую из двух частей: орудия обработки (орудие) и машины, которые перемещают эти орудия ("тягач") (см. рис. 2).
Главная полезная функция "тягача" - перемещать орудие по полю. Нежелательный эффект, появляющийся при этом - разрушение и уплотнение почвы. Главная полезная функция орудия - обрабатывать почву, растение. Нежелательный эффект, появляющийся при этом - разрушение и уплотнение почвы. Главная функция системы "тягач" + орудие - обрабатывать почву и растения в соответствии с заданной технологией выращивания сельскохозяйственной культуры. В соответствии с законами развития технических систем, описанными в теории решения изобретательских задач (ТРИЗ), основными тенденциями развития являются: постоянный рост параметров главной полезной функции системы и уменьшение факторов расплаты. Факторами расплаты являются разного рода затраты, связанные с выполнением функций системы и нежелательные эффекты, которые при этом проявляются [4>, 5]. Рассмотрим эти тенденции для системы обработки почвы и растений "тягач" + орудие. Например, для посевного агрегата рост параметров его главной полезной функции выражается в постоянном росте количества секций у сеялки и увеличении ширины захвата - 4, 6, 8, 12, 18 метров. Постоянное снижение факторов расплаты, связанных с выполнением функций, проявляется, например, в стремлении снизить вредное уплотняющее действие "тягача" и колес орудий на почву. Стремление разработчиков сельскохозяйственной техники следовать этим тенденциям приводит к противоречивым требованиям. Так, например, чтобы "тягач" мог тянуть широкозахватную сеялку, он должен быть мощным и иметь хорошее сцепление с почвой. Но мощный "тягач" больше весит, а значит сильнее разрушает структуру почвы и сильно уплотняет ее. Чтобы этого избежать, он должен быть легким. Конструктор сталкивается с необходимостью преодолеть противоречие - "тягач" должен быть тяжелым и легким. Как преодолеть это противоречие? Какие способы предлагались и могут быть предложены? СПОСОБ 1: МЕНЬШЕ ДАВИТЬ НА ПОЧВУКакие существуют пути уменьшения давления на почву? Самыми очевидными способами являются:
В первом случае мы сразу сталкиваемся с тем же противоречием: если уменьшить вес трактора, то давление на почву уменьшится, но также ухудшатся его тягово-сцепные свойства. Поэтому, чтобы сохранить тягово-сцепные свойства на уровне, необходимом для выполнения агротехнических операций, приходится использовать большие грунтозацепы и увеличивать площадь контакта колес с почвой. Это достигается за счет спаривания и страивания передних и задних колес, установки колес с широкопрофильными и арочными шинами, снижения давления воздуха в шинах (см. рис. 3, 4, 5).
Применение спаренных шин снижает удельное давление на почву, что в 1,5-2 раза уменьшает степень уплотнения по следу трактора, повышает проходимость агрегатов при повышенной влажности и увеличивает их тяговое усилие. Это особенно важно в ранние сроки проведения весенне-полевых работ при высоком содержании почвенной влаги [9]. Эти и другие способы снижения давления на почву подробно рассмотрены в статье "Площадь опоры: хорошего колеса должно быть много" [47 с.80]. Здесь будут упомянуты лишь некоторые из них для того, чтобы проследить тенденции развития движителей сельскохозяйственных машин. Шины сверхнизкого давленияУменьшить давление колеса на почву можно, увеличив пятно контакта и равномерно распределив давление. Этого можно достичь, снизив давление воздуха в колесе.
Всем хорош вездеход ТТС-70, но гладкие колеса не могут создать большого тягового усилия. От колеса к гусеницеСнизить давление трактора на почву и увеличить его тяговые характеристики можно, если вместо колес использовать металлические гусеницы.
Но металлическая гусеница тоже не решает всех проблем, у нее есть свои недостатки:
Чтобы защитить покрытия дорог от разрушения и снизить влияние вибрации на почву, было предложено сделать гусеницу резиновой. Она более равномерно распределяет давление по опорной поверхности, что уменьшает деформацию, уплотнение и разрушение почвы. Современные тракторы оснащаются литыми резинотросовыми гусеницами с автоматическим натяжением. Они обеспечивают высокую тягу при работе на грязи и рыхлой почве, а плотный контакт с поверхностью обеспечивает устойчивость трактора (см. рис. 7).
Чтобы еще уменьшить давление на почву и сделать его более равномерным, было предложено объединить хорошее поглощение вибрации пневматическим колесом с большой площадью контакта у гусеницы. Получилась резиновая пневматическая гусеница.
Проведенные испытания показали, что эпюры давлений вдоль опорной поверхности пневматической гусеницы так же, как и в движителе с металлической гусеницей, являются неравномерными, но величина давления и неравномерность намного ниже (см. рис. 8).
Аналогичные результаты были получены на сравнительных испытаниях трактора ДТ-75Б с металлической гусеницей и трактора "Руслан" с пневматической гусеницей (см. рис. 9).
Рис. 9. Эпюры нормальных контактных давлений (а) и осадки торфяной залежи (б) под гусеницами трактора ДТ-75Б и пневматическими гусеницами трактора "Руслан" [13, с. 102] Проведенные исследования показали, что пневматический движитель наиболее полно отвечает требованиям, предъявляемым к движителям сельскохозяйственных машин с точки зрения снижения уплотняющего воздействия на почву при увеличении тягово-сцепных характеристик и снижения металлоемкости движителя и машины в целом [13, с. 104]. Однако и у пневматической гусеницы есть недостатки:
Сегодня пневматические гусеницы нашли применение на тихоходных машинах, предназначенных для работы на топких грунтах - снегоболотоходы, вездеходы, экскаваторы [17].
|
Трактор на воздушной подушке"Изобретатели... стремятся объять необъятное: до невозможной степени увеличить площадь контакта опорных поверхностей трактора с землей и снизить тем самым давление на нее. "В идеале" эту задачу можно решить двумя путями:
Безопорный трактор на воздушной подушке еще не получил официального, всеми признанного названия. В Польше, например, его окрестили "воздушковец", во Франции - "агроплан". Применяют подобные машины и в США, и у нас, и в ряде других стран. Пока только в экспериментальных целях. Но результаты уже вполне солидны. Польский воздушковец, например, на операциях химической защиты растений двигается над полем с недосягаемой для обычных тракторов скоростью - 50 км/час. Французский агроплан по обычным дорогам едет на обычных колесах; воздушная подушка включается только по необходимости - над болотом, например. В последнем случае агроплан весом в три тонны (вместе с грузом) развивает скорость до 20 км/час. Что касается копирования способа движения "настоящей" гусеницы, то здесь пока нечем хвастаться. Конструкции, рождающиеся на чертежных столах и в экспериментальных цехах заводов, слишком сложны, чтобы конкурировать с традиционным тракторным движителем" [2].
Линии развитияПоказанные здесь способы уменьшения давления на почву позволяют проследить несколько линий развития движителей сельскохозяйственных машин, совпадающих с линиями развития технических систем, описанных в ТРИЗ [4, 5, 20]:
Согласно линии развития технических систем в направлении увеличения степени дробления их рабочих органов движители следующих поколений должны действовать на микроуровне, быть еще более раздробленными - жидкостными, газовыми или полевыми (см. рис. 12). Некоторые из таких "микроуровневых" движителей уже существуют в виде экспериментальных машин, моделей, игрушек и фантастических идей. Например, щеточный движитель, вездеходы и суда на воздушной подушке, проект дирижабля-садовника, магнитоплан, антигравитон. СПОСОБ 2: ХОДИТЬ ПО ПРОТОРЕННЫМ ДОРОЖКАМСнизить уплотнение почвы колесами машин можно, если упорядочить движение машин по полям, например, двигаться по постоянным технологическим колеям.
"Давление на почву ног человека и лошади и нынче, и 100 лет назад было одним и тем же - куда большим, чем у трактора и "шлейфа" машин к нему. И, тем не менее, оптимистический прогноз не оправдался: механический сельскохозяйственный привод увеличил интенсивность и частоту воздействия на землю. Сейчас, когда следы от тракторов, комбайнов, самоходных машин и автомобилей перекрывают практически 100% посевной площади, проблема уплотнения стала особенно серьезной" [2]. На рисунке 13 показана поверхность поля, обнаженная после эрозии верхних слоев почвы. На поле видны следы от колес машин, образованные уплотненной почвой. Следы показывают, что глубокому уплотнению подверглось около 80% площади поля [1].
Считают, что решить проблему уплотнения почвы можно, если снизить среднее удельное давление колес на почву до 0,15 кг/см2. Пока что сделать это, не используя гигантских и не всегда удобных шин, не удается. Поэтому многие фермеры предпочитают "пробивать" на своих полях "постоянные колеи" и двигаться только по ним, не затрагивая остальную землю [2] (см. рис. 14).
Земледелие с использованием постоянной технологической колеи или, как его называют зарубежные исследователи, управляемым движением по полям (Controlled Traffic Farming - CTF) - это отделение зон движения от зон возделывания растений. На практике это означает, что:
У большинства фермеров, которые не используют движение техники по постоянным колеям, ширины колей машин разные и двигаются они по полю в разных направлениях, что приводит к покрытию следами колес более 80% площади поля (см. рис. 16) [23]. На рисунке также показана площадь покрытия поля следами колес от машин при переходе от традиционной технологии обработки поля к технологии без вспашки (no-till) и затем к использованию постоянной технологической колеи. Сравнение основано на 3-х метровой ширине колеи машин. Ширины захвата уборочного комбайна, опрыскивателя и культиватора кратны 3 метрам и в данном случае составляют 9 метров. Возможно использование и большего оборудования, например, 15-ти метрового опрыскивателя.
Переход к технологии no-till, при которой используется меньше агротехнических операций, а, следовательно, и требуется меньше проходов техники по полям, сокращает площадь следов машин на поле до 46%. Использование постоянной технологической колеи и настройка ширины колеи у всех машин на один размер позволяет сократить площадь следов на поле до 14%. В Австралии примерно 1 млн. гектаров обрабатывается с использованием технологии управляемого движения по полям [21]. Вот что говорит об использовании технологической колеи специалист по вопросам уплотнения почв из Австралии Рохан Рэйнбоу: "На самом деле проблема уплотнения почвы очень проста, и решить ее не сложно, важно понять главное: выбор техники никакой существенной роли в этом вопросе не играет. Все зависит от того, как вы располагаете машину на поле, как она перемещается по нему. Идеальное расположение трактора - когда два колеса находятся на расстоянии 2-3-х метров от его центральной оси и перемещаются по одной колее (см. рис. 17). То же касается и остальной техники, движущейся по полю, - колеса должны идти "след в след" по единственной колее. Это кажется очень легко, но очень многие фермеры ставят колеса в разные места и, как следствие, возникают проблемы. Есть еще одна тонкость: важно, чтобы распылитель был в несколько раз шире, чем сеялка, таких же размеров стоит подбирать и комбайн. ...Хочу подчеркнуть, что уплотнение почвы - это проблема фермеров, а не техники, важно просто понять это и действовать" [24].
Система земледелия с постоянной технологической колеей обладает следующими преимуществами:
Даже во время культивации можно ожидать 50%-ной экономии топлива от использования постоянной технологической колеи. Потери урожая от незасаженных колей зависят от расстояния между ними. Но урожайность на "нетоптанных" площадях выше [23]. Комбайн, модифицированный под систему земледелия с технологической колеей, движется быстрее, чем по обычному полю, и, имея лучшее сцепление с почвой, потребляет меньше топлива (см. рис. 18) [21].
Можно еще больше снизить площадь покрытия поля следами колес, если увеличить расстояние между технологическими колеями. Мостовой тракторИстория мостового (портального) трактора началась в 1855 году, когда англичанин Александр Халкотт создал портальную машину на рельсах, в которой он видел средство применения энергии пара для всех сельскохозяйственных операций. Но серьезные работы по исследованию таких машин начались только через 100 лет и особенно активизировались в последние два десятилетия [25]. Разработкой портальных тракторов занимались в США, Великобритании, Швеции, Голландии, Израиле, Японии, Австралии. В СССР тоже проводились подобные работы, упор делался на использование машин с электроприводом как на поле, так и в теплицах, а машины с гидравлическим приводом применялись для полива и внесения химикатов. В 1975 году свой первый мостовой трактор построил Дэвид Доулер. Это четырехколесный трактор с пролетом 12 метров и поворотными колесами, обеспечивающими ему высокую маневренность. Мостовой трактор передвигается по постоянным колеям, расположенным на расстоянии, равном его пролету. Движение трактора в продольном направлении обеспечивается поворотом главных ведущих колес на 90 градусов (см. рис. 19).
Исследования, проведенные в Австралии и Великобритании с мостовым трактором Доулера, движущимся по технологическим колеям, показали, что стоимость посева культур снижается на 40%, экономия энергии при обработке почвы достигает 55%, значительно улучшается качество обработки и структура почвы. Мостовой трактор Доулера, управляемый системой лазерного наведения, используется также в Голландии для выполнения высокоточных полевых операций. Внедрение мостовых тракторов приносит следующие выгоды:
Однако пока имеется мало данных об урожаях культур на больших площадях, где постоянно поддерживался режим движения техники по технологическим колеям [25]. Длина пролета мостового трактора может быть от 3 до 21 метра и определяется особенностями выращиваемой культуры, ограничениями на размеры транспортных средств и стоимостью. В Израиле с 1996 года эксплуатируется трактор с шириной пролета 5,8 метра и высотой дорожного просвета 1,8 метра с четырьмя ведущими колесами (см. рис. 20).
Чем длиннее пролет мостового трактора, тем больше требуется площади на краю поля для его разворота. На рисунке 21 изображено поле для посева, схема движения и примеры разворотов мостового трактора на поворотной полосе [26].
Чтобы начать эксплуатацию мостового трактора, следует предварительно выровнять почву. Тяговое усилие у мостового трактора низкое, и его выгодно применять при технологии no-till, где нет таких энергоемких операций, как отвальная вспашка почвы. Минимальная энерговооруженность мостового трактора с приводом на два колеса должна быть 15 кВт/т. Смещение нагрузки от центральной линии трактора не влияет на стабильность его управления при наличии достаточного тягового усилия на колесах. При работе на мостовых тракторах водителю должна быть обеспечена хорошая видимость колеи. Должны быть предусмотрены:
В Швеции компании TEC и Biovelop AB разрабатывают мостовой трактор под названием BIOTRAC с 4-мя ведущими управляемыми колесами, предназначенный для точного земледения с управляемым движением по технологическим колеям и системой глобального позиционирования GPS (см. рис. 22) [26].
Опыт применения мостовых тракторов в зерновых хозяйствах, показал, что они могут быть использованы в качестве замены или дополнения к существующим тракторным системам и приводят к повышению урожайности зерновых на 7% [25]. Если еще больше увеличить длину пролета мостового трактора, то получим стационарный агротехнический мост.
"В свое время проекты мостового земледелия предлагали англичанин Халкотт, наши соотечественники М. Правоторов, К. Борин, поляк Б. Свецкий и др. Автоматизированный мостовой агротехнический комплекс (АМАК) - это самоходный завод, а АМАК-система - это земледельческое автоматизированное и полностью электрифицированное предприятие, предназначенное для массового гарантированного производства продуктов земледелия на больших окультуренных угодьях равнинного типа (см. рис. 23).
В чем АМАК-система более эффективна по сравнению с обычной тракторной? При производстве одинакового по количеству и качеству целевого продукта (зерна, овощей, кормовых культур и т. п.), АМАК-система будет потреблять существенно меньше ресурсов, совсем не будет загрязнять окружающую среду и... улучшит качество земли. В 1,5 раза меньше понадобится... семян, воды и площади активных угодий за счет повышения урожайности, ведь не будет переуплотнения почвы ходовыми частями тракторов, комбайнов, автомобилей и прицепленных агрегатов. Какие нужны капитальные вложения чтобы построить первую опытную АМАК-систему? Тут все зависит от цели. Если цель - убедиться в ее работоспособности и ограничиться ста гектарами активного угодья, достаточно 50-100 млн. рублей. Если цель - убедиться в ее эффективности по сравнению с тракторной и получать, ... 1-2 миллиона тонн зерна ежегодно, необходимо 1-2 млрд. рублей" (в ценах 1990 года - А.С.) [27]. "Преимущества агромостового комплекса:
Есть у агромостового комплекса и свои недостатки: "Земледелие привязано к рельсовым путям, почва уплотняется в местах укладки рельсов. Но... расстояние между рельсами можно делать намного больше, чем колея трактора: 20-30 м и даже 50-150 м, а возможно и еще больше. Главная причина, почему пока мостовое земледелие остается проектом, - это огромные денежные (стартовые - А.С.) затраты, очень большой расход металла" [29]. Линия №4. "Уменьшение площади следов движителей на поле"Анализ взаимодействия сельскохозяйственных машин с полем по параметру "площадь оставляемых на поле следов" позволяет увидеть тенденцию уменьшения площади покрытия поля следами машин. Эта тенденция хорошо согласуется с описанной в ТРИЗ линией развития зоны взаимодействий инструмента с изделием "действие по точке - действие по линии - действие по плоскости - действие по объему" [20, 30]. Эта линия показывает, что зона полезного действия в процессе развития технических систем имеет тенденцию к расширению от точки к линии, от линии к плоскости, от плоскости к объему. А зона вредного действия - соответственно наоборот (см. рис. 24).
Для вредного действия движителей машин на поле наблюдается та же тенденция - с развитием машин и технологий уменьшается площадь покрытия поля следами машин.
Далее, если продолжить тенденцию уменьшения площади следов на поле, то в соответствии с линией развития зоны взаимодействий можно предположить, что следующее поколение машин будет двигаться по полям, опираясь на постоянные технологические площадки - точки. Прототипами таких машин могут быть струнный агромост и шагающий трактор.
Как и в проекте струнного транспорта Юницкого, на обрабатываемом поле можно установить опоры с натянутыми струнами. По струнам будет двигаться балка с прикрепленными к ней орудиями для обработки почвы и растений. Опоры не будут занимать много места, и вся остальная площадь поля останется "нетоптанной" (см. рис. 25).
Это управляемый шагающий мостовой робот, несущий на себе сельскохозяйственные орудия (см. рис. 26).
Если продолжить линию развития зоны взаимодействий в сторону уменьшения вредного действия, то можно предположить, что вредное действие может быть сведено либо к бесконтактному виду (действие передается через поле - магнитное, гравитационное и т.п.), либо оно исчезает вовсе (см. рис. 27).
Следуя этой модифицированной линии взаимодействий, можно предположить, что машины следующего поколения вообще не будут оставлять следов на поле. И такие машины уже существуют - это вездеходы на воздушной подушке и летательные аппараты.
Дирижабли будут выливать миллион литров воды на пожарище, а потом бомбить его саженцами деревьев. Посадка деревьев является медленным и затратным процессом, поэтому компания Wetzonе Engineering предложила воздушный метод восстановления лесных массивов. Саженцы деревьев или рассада растений упаковывается в саморазлагающиеся пакеты конусообразной или округлой формы, содержащие необходимое количество влаги и питательных веществ (см. рис. 28). Выбранный район подвергается бомбардировке этими пакетами, что и оптимизирует восстановление лесных массивов. В настоящее время специалисты из Wetzone Engineering работают над созданием опытных образцов [34].
В России тоже задумываются о применении дирижаблей для нефтегазовых предприятий и сельского хозяйства. Дирижабли тратят меньше горючего, чем самолеты и вертолеты, поскольку и так держатся в воздухе и не требуют аэродрома. Например, руководство компании "Славнефть" считает, что использовать дирижабли дешевле, чем строить дороги с твердым покрытием между буровыми вышками. Кто знает, может лет через пятьдесят дирижабли могут быть задействованы и в сельском хозяйстве хотя бы для химической обработки полей с воздуха, чем когда-то занимались многоцелевые бипланы "АН-2" [36]. Итак, 4-ю линию развития сельскохозяйственных машин можно сформулировать в следующем виде: машины развиваются в направлении уменьшения площади следов их движителей на поле (см. рис. 29).
СПОСОБ 3: "СВЕРНУТЬ" АГРОТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКСВынести "тягач" за пределы поляВыше было сформулировано противоречие для "тягача" (трактора): "тягач" должен быть тяжелым, чтобы хорошо сцепляться с почвой и развивать большое тяговое усилие, и должен быть легким, чтобы не уплотнять почву. Это противоречие можно преодолеть, используя изобретательский прием "Принцип вынесения".
Этот прием позволяет разделить противоречивые требования к "тягачу" в пространстве. От "тягача" можно отделить и вынести на край поля тяжелую часть, которая уплотняет почву, а на поле оставить только нужную часть - ту, что передает тянущую силу к орудию, это может быть цепь или трос. Такую систему под названием "самодвижущийся паровой плуг" предложил в конце XIX века основатель Немецкого cельскохозяйственного общества (DLG) агроинженер Макс Aйт (см. рис. 30) [37, 38].
Можно еще больше снизить уплотняющее действие на почву, если вынести за пределы поля не только "тягач", но и опоры сельскохозяйственных орудий (см. раздел "Мостовое земледелие").
Идеальный "тягач" - это отсутствующий "тягач". "Тягач" не нужен, если орудие перемещается по полю само. Один из возможных вариантов: "Интересный эффект может быть получен при использовании эффектов на уровне микроструктуры материала лемеха, например, можно получить техническую систему (ТС), свернутую в рабочий орган - серия лемехов из электрострикционных материалов, настроенных в противофазу, будет двигаться сама, оставляя за собой полосу вспаханной земли. Конечно, ...эти предложения требуют экспериментальной проверки и конструкторской проработки, но затраты на исследовательские и опытно-конструкторские работы обязательно окупятся, так как они лежат на магистральном пути развития ТС - пути опережающего развития рабочего органа" [39]. |
СПОСОБ 4: СОКРАТИТЬ КОЛИЧЕСТВО ОПЕРАЦИЙЕсли попытаться сократить количество агротехнических операций без ущерба для качества и урожайности выращиваемой культуры, то уменьшится количество проходов техники по полю, а значит, и ее уплотнение. Какие есть способы сокращения операций?
Задача предпосевной обработки почвы - создать благоприятные условия для прорастания семян и развития корневой системы, равномерного распределения питательных веществ в зоне расположения основной массы корней и обеспечить минимальные потери влаги. Для достижения поставленной задачи необходимо разрыхлить почву, раздробить глыбы, создать мелкокомковатую структуру, выровнять и уплотнить верхний слой почвы. Это можно сделать путем многократной обработки почвы однооперационными орудиями, культиваторами, боронами и волокушами-выравнивателями, планировщиками, дисковыми орудиями, различными катками. Но при этом возникает ряд проблем: дополнительный расход энергоресурсов (топлива, рабочей силы) и средств на приобретение сельскохозяйственных машин, потери влаги при каждой дополнительной обработке, увеличение сроков подготовки почвы для посева, чрезмерное уплотнение почвы. Применение современных комбинированных агрегатов дает возможность совместить различные технологические операции и ускорить подготовку почвы к посеву. Это позволяет провести сев в оптимально короткие сроки, обеспечивает работу посевного агрегата на повышенных скоростях (без ущерба качеству), что в итоге в 1,5-3 раза повышает производительность агрегата, на одну треть сокращает затраты труда, расход ГСМ - на 30-39%. Обеспечиваются равномерные и дружные всходы и ускоренный стартовый рост растений, повышается урожайность. Для изготовления одного комбинированного агрегата требуется на 20-30% меньше металла, чем для изготовления нескольких однооперационных орудий. Рентабельность производства зерна возрастает на 18,8-26%. В странах с высокоразвитым сельским хозяйством давно отказались от многооперационных технологий предпосевной обработки почвы и большое внимание уделяют уменьшению общего количества операций по обработке почвы, замене многократных предпосевных обработок однократной многофункциональной операцией. Почти повсеместно применяют комбинированные технологические агрегаты для подготовки почвы к посеву (см. рис. 32). Осуществляется переход к минимальной обработке почвы [40].
К сберегающим технологиям обработки почвы, по отношению к традиционной, относят безотвальную, минимальную и нулевую (no-till) (см. статью "Эволюция технологий обработки почвы" [47 с. 62]. Эти технологии подробно рассмотрены в книге "No-till - шаг к идеальному земледелию" [42] и в статье "No-till в России - время пришло?" [47 с. 114]. "Применение технологии no-till является самым радикальным способом для разуплотнения почв. Этому способствуют следующие факторы и особенности технологии.
Cеять раз в несколько летТакая необычная технология посева зерновых разрабатывалась в отделе прогнозов научно-исследовательского института сельскохозяйственного машиностроения (ОАО "ВИСХОМ") под руководством Зиновия Жука.
Не зарывать семена в почву"Масанобу Фукуока, японский фермер, владелец гектара зерновых и 5 гектаров цитрусового сада, где между деревьями, кроме того, выращиваются овощи. К 1975 году, к моменту написания своей знаменитой книги [44], почва на его ферме не вспахивалась уже 25 лет. Основой своего метода он выбрал принцип "Чего можно не делать". За многие годы натурально земледелия Фукуока отказался от большинства надуманных агротехник. Он даже рис бросал прямо на землю, используя природный закон размножения, по которому семена из метелки падают сверху почвы - никто их в землю не зарывает. Но вот тут-то его и ожидало приключение. Почти весь семенной фонд уничтожался мышами, воробьями и прочими любителями семян. Если он ставил пугало, то через год оно уже не давало эффекта, ставил трещетки - и через год привыкшие к трещеткам обитатели сада снова поедали все семена. Как решить проблему, никого не убивая и не отпугивая? Открытие было неожиданно простым, легким и эффективным - семена в глиняных капсулах, рецепт деда Фукуоки. ...Кроме риса, Фукуока заключает в капсулы и семена других зерновых, и семена овощей - результат впечатляет... Глиняные капсулы просто разбрасываются по поверхности почвы и не требуют никаких дополнительных работ или механизмов... Метод требует ничтожных временных и денежных затрат по сравнению с другими методами посева и суперэффективен на небольших приусадебных участках. Шарик из смеси глины и биогумуса надежно защищает семена от яркого солнца, высыхания, поедания мышами и птицами, сдувания порывами ветра. Когда выпадет достаточное количество осадков и семена внутри шариков проклюнутся - у них будет сбалансированное питание за счет наличия в смеси микроэлементов и полезных бактерий из биогумуса. Особенно полезна высадка глиняными капсулами в регионах, где выпадение осадков трудно предсказуемо" [45].
Главная функция любого процесса - получить качественный продукт в требуемом количестве. По аналогии с формулой идеальной технической системы [4, с. 136] можно сказать, что "идеальный процесс - это когда процесса нет, а качественный продукт в требуемым количестве получается". Технологические процессы развиваются в направлении увеличения их идеальности. Рассмотренные выше способы сокращения количества агротехнических операций показывают, что процессы выращивания сельскохозяйственных культур тоже развиваются в направлении увеличения степени их идеальности (см. рис. 33). Можно выделить следующие шаги этого развития:
Совмещение операций и сокращение их количества снижает число проходов машин по полю и, следовательно, уплотнение почвы. Если продолжить "свертывание" процесса выращивания культур, то нужно рассмотреть возможность устранения оставшихся операций. Дополнительно об этом см. статью "Стратагемы идеального земледелия" [47].
В конце 70-х годов прошлого века основоположник ТРИЗ Генрих Саулович Альтшуллер под псевдонимом Г. Альтов в газете "Пионерская правда" вел для детей рубрику по изобретательству. В статье "Изобретать? Это так просто! Это так сложно!" в разделе "Если бы трактор мог летать..." задачу усовершенствования трактора он сформулировал так [46]: "В начале XIX века тысячи изобретателей работали над усовершенствованием парусных кораблей. И лучшее решение состояло в том, чтобы вообще отказаться от парусов и построить пароход. Быть может, нужен не усовершенствованный трактор, а какой-то принципиально новый способ передвижения сельскохозяйственных машин?.."
Прежде чем делать новый более идеальный способ передвижения, следует сделать более идеальным процесс выращивания культуры - сократить как можно больше агротехнических операций. Например, если обработку почвы вообще не проводить, а сеять зерна в капсулах по поверхности поля, то остается только три крупные операции: посев по поверхности поля, обработка растений (полив, внесение удобрений) и уборка урожая. Затем надо сделать "идеальную" машину для перемещения орудий, выполняющих оставшиеся операции. Идеальная машина - эта машина, которой нет, которая не производит никаких нежелательных эффектов, а ее функция выполняется. Следовательно, идеальный "тягач" - это когда орудия (сеялки, опрыскиватели и жатки) перемещаются по полю сами и при этом не уплотняют почву. Если осуществить самостоятельное движение этих орудий по полю пока сложно, то можно немного отступить от идеала и использовать универсальный носитель для этих орудий, который не уплотняет почву. Сегодня таким носителем может быть мостовой трактор или агромост, движущийся по постоянным технологическим колеям.
Итак, существуют следующие способы уменьшения давления на почву при повышении урожайности и качества выращиваемых культур:
|
Литература
|
скачать как PDF: Не давите, мужики! Не давите!... (1.39 Мб) скачать Adobe Reader для просмотра PDF файлов: http://www.adobe.com/products/acrobat/ |
вверх |
1997-2004 OTSM-TRIZ Technologies Center 2004-2013 See Core Project http://www.trizminsk.org 22 Feb 2013 |