Технологии и средства механизации для противоэрозионной обработки склоновых почв кабардино-балкарской республики

На правах рукописи
ПАЗОВА Таймира Хасановна
ТЕХНОЛОГИИ И СРЕДСТВА МЕХАНИЗАЦИИ ДЛЯ ПРОТИВОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ СКЛОНОВЫХ ПОЧВ КАБАРДИНО-БАЛКАРСКОЙ РЕСПУБЛИКИ
Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Москва 2009
Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кабардино-Балкарская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГОУ ВПО КБ ГСХА) Научный консультант – доктор технических наук, профессор Кушнарев Леонид Иванович Официальные оппоненты – доктор сельскохозяйственных наук, профессор, член-корреспондент РАСХН Горбачев Иван Васильевич доктор технических наук, профессор Захарченко Анатолий Николаевич доктор технических наук, профессор Лобачевский Яков Петрович Ведущая организация – Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства» (ФГОУ ВПО МГУП) Защита состоится «01» июня 2009 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 220.044.01 при Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина» (ФГОУ ВПО МГАУ) по адресу: 127550, Москва, Лиственничная аллея, дом 16 А, корпус 3, конференц-зал. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан «__»____________ 2009 г. Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор А.Г. Левшин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Снижение урожайности основных сельскохозяйственных культур на склоновых землях в результате ухудшения плодородия почв, связанного с их эрозией, потерей влаги и уменьшением водопроницаемости проявляется в большей мере на склоновых почвах. Производство сельскохозяйственной продукции на склоновых землях горных территорий Российской Федерации в настоящее время базируется на широком использовании устаревших технологий и технических средств. Комплекс машин для горного земледелия практически ограничен теми же средствами, которые применяются на равнине, что является сдерживающим фактором в интенсификации сельскохозяйственного производства на склоновых землях.

Исходя из условий рельефа местности, требований охраны почв и предупреждения их деградации, необходимости поддержания высокой продуктивности склоновых земель, задача разработки и применения почвозащитных и ресурсосберегающих технологий и технических средств механизации почвообработки, способных эффективно работать в условиях горного и предгорного рельефа становится весьма актуальной. Ресурсосбережение неразрывно связано с применением технологий минимальной обработки почв, разработкой и использованием комбинированных машин и орудий, обеспечивающих выполнение нескольких технологических операций, защищающих и повышающих плодородие, а также формированием рациональных машинно-тракторных агрегатов и парков машин.

По поручению Правительства Российской Федерации РАН и другими научными центрами была разработана долгосрочная государственная программа рационального использования земельных ресурсов до 2010 года. В ее реализации в Кабардино-Балкарской Республике участвуют все региональные научные центры, отраслевые научные комплексы и вузы. Настоящая работа выполнена как одна из составных частей программы, направленной на повышение плодородия почв Центральной зоны Северного Кавказа, Кабардино-Балкарской Республики.

Предметом исследования являются процессы возникновения и развития водной эрозии на горных склонах, технологии и технические средства, применяемые для производства сельхозпродукции на склоновых почвах, полностью исключающие или существенно снижающие возможность эрозионного разрушения плодородного слоя.

Объекты исследований – природно-производственные условия ведения горного земледелия в КБР, физико-механические свойства почв, технологии противоэрозионной обработки склоновых почв, технологические параметры противоэрозионного агрегата, составы машинно-тракторных агрегатов.

Методы исследований. По типовым методикам сельскохозяйственной оценки агроусловий, адаптированным к условиям КБР, выполнен комплекс исследований по изучению влияния различных природных и антропогенных факторов на развитие водной эрозии, изысканию эффективных способов противоэрозионной обработки и приемов ухода за почвой на склоновых землях с применением методов физического и математического моделирования эрозионных процессов. Рекомендуемые технологические мероприятия и технические средства, оценка их экономической эффективности осуществлялись с помощью методов экономико-математического моделирования.

Физико-механические свойства почвы определяли с использованием методик, разработанных в ВИМе, ВИСХОМе, ВНИИЗЗПЭ.

Обработка экспериментальных данных и расчетно-аналитическая работа проведена с использованием стандартных методик статистической оценки и обработки результатов экспериментальных исследований.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

на принципах системного подхода установлены особенности механизма развития эрозионных процессов на склоновых почвах КБР;

разработаны математические модели для исследования воздействия дождевых капель на почву и водной эрозии с учетом основных метеорологических факторов, характеристики почв, рельефа местности; процессов взаимодействия предлагаемых рабочих органов средств механизации с объектом обработки;

разработан комплекс противоэрозионных технологических мероприятий и технических средств, обоснован рациональный состав МТА и парка машин для агропредприятий Кабардино-Балкарской Республики.

Практическая значимость. Результаты исследования реализованы в виде:

системы почвозащитных технологических мероприятий, способствующих снижению эрозионных процессов на склоновых землях и повышению урожайности сельскохозяйственных культур;

оптимальных параметров дренажных систем и противоэрозионного агрегата;

комплекса противоэрозионных технологических мероприятий и состава технических средств для агропредприятий Кабардино-Балкарской Республики.

Разработанные методики позволили применительно к условиям КБР определить основные условия и факторы, влияющие на развитие водной эрозии на склоновых почвах, систему эффективных технологических способов и приемов противоэрозионной обработки склоновых почв, а также обосновать параметры и состав технических средств для производственно-экономических условий сельскохозяйственных товаропроизводителей КБР.

Результаты исследования использованы:

при разработке мероприятий по повышению плодородия почв Кабардино-Балкарской Республики;

при обосновании параметров для модернизации противоэрозионного агрегата и дренажных систем с учетом интенсивности отвода сточных вод через дренажные каналы в специальный водоем;

при подготовке к изданию монографии «Обоснование технологии и средств механизации для противоэрозионной обработки склоновых почв Кабардино-Балкарской Республики».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлены, доложены и одобрены на Международных научно-практических конференциях ФГОУ ВПО МГАУ (Москва, 2000–2006), юбилейной научно-практической конференции, посвященной 20-летию КБГСХА (Нальчик, 2001), научных конференциях молодых ученых КБНЦ РАН (Нальчик, 2001–2002).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 печатные работы, в том числе книги, брошюры, методические и нормативные материалы, статьи общим объемом 25 печатных листов. 8 работ опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных научных результатов диссертации.

На защиту выносятся нижеследующие основные положения:

классификация факторов, определяющих возникновение процессов эрозии склоновых земель;

методика обоснования оптимальных параметров дренажных систем для подпочвенного отвода сточных вод;

методика обоснования параметров и режимов работы агрегата для противоэрозионной обработки склоновых почв;

результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса возникновения и развития эрозионных процессов на склоновых землях;

методика и результаты обоснования конструкции рабочих органов отдельных машин и рациональных составов машинно-тракторных агрегатов для производства механизированных работ на склоновых почвах;

методика и оценка агротехнического и экономического эффекта от использования результатов исследований.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованной литературы. Работа изложена на 229 страницах машинописного текста, в т.ч. – 50 рисунков, 30 таблицы, список литературы 213 наименований, в т.ч. 9 – на иностранном языке.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Состояние проблемы, задачи и программа исследования

В первой главе исследования «Состояние проблемы, цель и задачи исследования» изложены результаты анализа ранее выполненных исследований А.А. Ажигирова, Д.Л. Арманд, Н.М. Беляева, В.Н. Гуссака, М.Н. Заславского, И.Г. Зыкова, М.Х. Каскулова, А.Н. Каштанова, Ю.И. Майорова, Ц.Е. Мирцхулавы др., который показал, что факторы, влияющие на возникновение и интенсивность эрозионных процессов на склоновых землях, можно разделить на две группы: природные и антропогенные. Современная эрозия, как правило, проявляется при сочетании обеих групп факторов. Природные факторы создают условия для проявления эрозии, а нерациональная производственная деятельность человека является основной причиной, вызывающей водную эрозию. В КБР интенсивному развитию эрозионных процессов способствовала высокая степень распашки земель при чрезвычайно изрезанном рельефе и бессистемный выпас скота на крутых склонах. Большая роль в становлении и развитии учения об эрозии и разработке важнейших агротехнических приемов щелевания и дренирования принадлежит М.Н. Анненкову, М.И. Афонину, А.Т. Болотову, А.А. Вербину, В.В. Докучаеву, М.С. Зиненбергу, А.А. Измаильскому, И.М. Касаткину, А.С. Козменко, В.Я. Ломиковскому, С.И. Сильвестрову, А.В. Собесскому, С.С. Соболеву, И.А. Скачкову, В.Ф. Трушину, А.А. Шалабанову, Н.Н. Шишке, П.В. Янковскому и др.

Одним из определяющих направлений противоэрозионных исследований в ближайшей перспективе должна стать разработка комплекса технологических мероприятий и технологий, обеспечивающих сохранность и восстановление плодородия эродированных почв, и в первую очередь, подверженных смыву, а также обоснование, разработка и внедрение в конкретных производственно-экономических условиях КБР высокоэффективных почво- и ресурсосберегающих технических средств и агрегатов. Основополагающий вклад в науку о машиноиспользовании при решении задач методического, технологического и организационного характера внесен отечественными учеными Б.С. Свирщевским, Г.В. Веденяпиным, С.А. Иофиновым, Ю.К. Киртбая, В.М. Кряжковым, М.С. Рунчевым, Ю.А. Конкиным, М.Я. Рассказовым, В.М. Михлиным, А.Н. Скороходовым, О.Н. Дидманидзе, А.Г. Левшиным, Л.И. Кушнаревым и др. Анализ научных исследований по проблеме, обобщение отечественного и зарубежного опыта позволили определить основные направления совершенствования существующей системы противоэрозионной обработки почв, в основу которых предложены почво- и ресурсосберегающие технологии и технические средства.

Целью исследования является сохранение и повышение плодородия склоновых почв КБР на основе применения современных почво- и ресурсосберегающих технологий и технических средств, замедляющих эрозионные процессы на склоновых землях.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы и решены следующие задачи исследования:

теоретически исследовать процесс водной эрозии на склоновых землях и наметить систему технологических мероприятий по защите почв от эрозии;

с учетом природно-климатических условий ведения сельскохозяйственного производства в КБР обосновать рациональные параметры дренажных систем для подпочвенного отвода сточных вод;

исследовать влияние исходной влажности почвы, интенсивности дождя, а также обработок почвы на сток воды и смыв почв;

обосновать комплекс технологических мероприятий по сохранению и повышению плодородия склоновых почв;

обосновать технологические параметры и режимы работы модернизированных машин для противоэрозионной обработки склоновых почв;

оценить агротехническую эффективность предлагаемых почвозащитных технологических мероприятий и противоэрозионного агрегата;

оценить экономическую эффективность использования результатов исследований.

Разработанная для решения поставленных задач программа исследования представлена в виде мультиграфа (рис. 1).

Во второй главе «Теоретические исследования процесса возникновения водной эрозии на склоновых землях» рассмотрены природно-климатические условия Кабардино-Балкарской республики. В частности, установлено, что климат КБР формируется под влиянием таких основных климатообразующих факторов, как географическая широта, рельеф местности, направление господствующих ветров, подстилающая поверхность и др.

Анализ годового режима выпадения осадков позволил получить исходные материалы для прогнозирования вероятной величины осадков и соотношения ее с критическим значением с целью разработки различных мероприятий по защите склоновых земель от эрозии.

Интенсивность водной эрозии зависит от большого числа взаимосвязанных факторов, в числе которых недостаточная изученность процесса эрозии, отсутствие в законченном виде теории и методики количественного прогноза интенсивности эрозии в зависимости от всей совокупности факторов.

Для исследования сопротивляемости почв в различных почвенных зонах КБР принят метод расчета по предельному состоянию для определения допускаемых (неразмывающих) скоростей водного потока. О целесообразности применения этого метода свидетельствует то обстоятельство, что прогноз возможной перегрузки и снижения устойчивости против средних расчетных значений основан на теории вероятностей и обработки данных опытов и наблюдений методами математической статистики.

Получено выражение для расчета предельных (неразмывающих) донных и средних скоростей, предшествующих отрыву частиц почвогрунта водным потоком:

,	(1)
,	(2)