Исследование уплотнения почвы гладким цилиндрическим катком

Одним из эффективных агротехнических мероприятий при возделывании зерновых культур является прикатывание как элемент системы земледелия, имеющей большое значение в растениеводстве с учетом почвенно-климатических условий [1, 2].

Прикатывание катками до и после посева влияют на влажность почвы, тепловой и пищевой режимы почвы и на начальный рост и развитие культурных растений, в борьбе с сорной растительностью, на урожай культурных растений [3-5].

Прикатывание после посева способствует уменьшению потери почвенной влаги по сравнению с рыхлой почвой, менее уплотненной [6-8].

Уплотнять почву необходимо в тех случаях, когда плохой контакт семян с почвой, например при незначительной естественной усадке рыхлой почвы до посева. Необходимо учитывать влияние диаметра, нагрузки и скорости движения катка на глубину уплотнения [9 - 11].

Послепосевное прикатывание в различных почвенно-климатических зонах резко увеличивает всхожесть семян, значительно улучшает водный режим не только поверхностного, но и всего корнеобитаемого слоя почвы. Прикатывание дает значительные прибавки урожая зерновых [12-14].

Цель исследования - изучение процесса уплотнения почвы гладким цилиндрическим катком за счет приращения плотности почвы после прохода катка.

Материалы и методы исследования

В почвенном канале кафедры «Механизации сельскохозяйственных процессов» Бурятской государственной сельскохозяйственной академии (БГСХА) им. В. Р. Филиппова и на полях БСХА были проведены лабораторные и полевые опыты. Почва - средний суглинок в состоянии спелости. Обработка почвы предпосевная. Определение величины глубины уплотнения почвы производилось по методике Н. А. Качинского [15].

На основе поисковых опытов установлено, что при любых сочетаниях нагрузок от 20 до 160 Н/см, катков диаметром от 350 до 700 мм и при скорости движения до 4 м/с в прикатанном слое почвы имеется слой, получающий наибольшее приращение плотности Д5 макс . Причем в зависимости от нагрузки и диаметра катка слой с Ло макс может располагаться на глубине 0-5, 5,1-10 или 10,1-15 см (такая градация обусловлена тем, что объемный вес почвы замерялся в слоях толщиной 5 см на глубину до 20 см).

Результаты исследования и их обсуждение

Результатом процесса взаимодействия гладких катков и почвы являются соответствующее увеличение ее плотности в прикатанном слое и характер распределения приращения плотности почвы по глубине. Величина приращения в слое на любой глубине может быть определена как разность

△ 5 = 5 - 6 о , (1)

где 5 - объемный вес почвы после прохода катка, г/см³; З о - объемный вес почвы до прохода катка, г/см³.

На величину АЗ оказывают влияния такие параметры, как нагрузка на каток, диаметр катка и скорость движения катков, при этом необходимы сведения о характере распределения △ 6 в прикатанном слое, о влиянии диаметра катка на величины, характеризующие его работу, при этом очень мало информации, характеризующей количественные соотношения, определяющие связь между величиной приращения плотности почвы в слоях в зависимости от нагрузки, диаметра катка и другими параметрами. Эти зависимости могли бы быть полезными при выборе рассматриваемых параметров катка в зависимости от назначения прикатывания.

На основе экспериментальных исследований была сделана попытка установить эмпирическую зависимость между рассматриваемыми параметрами. Характер изменения приращения плотности почвы с некоторым приближением может быть выражен уравнением:

у = ах^bе^cg,                                           (2)

где а – коэффициент пропорциональности; b – величина, характеризующая изменение скорости движения; c – величина, характеризующая изменение диаметра катка; g – величина, характеризующая изменение веса катка.

Это уравнение имеет три параметра, численные значения которых определяют форму кривой. В данном случае есть также три параметра, определяющие процесс и величину приращения плотности почвы.

Значениям с и b меньше нуля соответствует значению Ай маке в слое 0-5 см, соответственно с меньше нуля, b в интервале от нуля до единицы — в слое 5,1 — 10 см и с меньше нуля, b больше единицы — в слое 10,1 — 15 см. Для определения численного значения параметров в приведенном уравнении необходимо производить замеры объемного веса почвы в слоях толщиною менее 5 см, и чем меньше его толщина, тем больше может быть получено данных и точнее определены параметры. Но существующие методы определения объемного веса дают большие погрешности при замере этой величины, если толщина слоя меньше 5 см. Поэтому была сделана попытка найти более упрощенную эмпирическую зависимость определения приращения плотности почвы в слоях после прохода катка.

Экспериментальные исследования свидетельствуют о том, что при скорости движения катка менее 2 м/с, параметр скорость как фактор не оказывает существенного влияния на величину приращения плотности почвы. Следовательно, в этих условиях факторами, определяющими величину приращения плотности почвы, являются диаметр и вес катка.

Кроме того, катки с диаметром от 350 до 700 мм в зависимости от качества работы можно разделить на две группы: с диаметром больше и равным 600 мм и с диаметром меньше и равным 500 мм. Катки, диаметр которых от 500 до 600 мм, при работе будут иметь показатели, сходные с показателями ближайшей группы. Поэтому определив Аб = f (g, d) при скорости движения катков до 2 м/с, можно ограничиться зависимостью Аб = f (g) для катков с диаметром меньше и равным 500 мм и с диаметром равным и больше 600 мм.

На основе анализа величин, полученных в опытах, и данных по работе катков Аб = f(g) величину приращения можно представить в виде логарифмической зависимости

Аб = — lg g,                       (3)

а 1000 ^{b ь                                       7}

где с – коэффициент объемного смятия почвы, Н/см³; а – коэффициент пропорциональности; g – линейная нагрузка на каток, Н/см.

Выражение lg g рассматривается как безразмерная величина. Следовательно, объемный вес почвы после прохода катка будет равен б - б0 = — lg g. а 1000°

Выражение (1) переписываем в виде

Аб= V, г       1000 а где тогда b =■

АЛ

Величина коэффициента b приведена в таблице. Стандарт коэффициента b имеет большую величину для нижних слоев почвы. Так, для d = 700 мм и g >40 Н/см среднее квадратичное отклонение величины b для слоев 0-5 см равно ±0,55, 5, для слоев 1-10 см равно ±0,4, для слоев 10,1-15 см равно ±2, для слоев 15,1-20 см равно ±8, хотя в отдельных случаях расхождения между опытными и расчетными величинами по абсолютному значению не превышают 0,02-0,04 г/см 3 . Поэтому выражение (3) в основном может быть полезным для определения наибольшей величины приращения плотности Аб макс в верхних слоях почвы 0-5 и 5,1-10 см.

Как известно, на основе теории дифференциальной влажности почвы к каткам предъявляется требование создать на глубине 4-8 см от прикатанной поверхности уплотненную прослойку, плотность которой на 30-40 % превышала бы первоначальную. В случае применения прикатывания одновременно с посевом или после него необходимо уплотнить слой почвы, несколько превышающий глубину заделки семян, поэтому практический интерес представляют случаи, когда слой с Ай маке располагается на глубине 0-5 или 5,1-10 см. Определено, что в этом случае наибольшая величина плотности почвы может быть получена на 15-43 % больше, чем первоначальная. Причем для получения Аб макс слое 0-5 см нужно применять катки с d = 350-700 мм и g<40 Н/см; возможное увеличение плотности составляет 15-20 %, а при получении Аб макс в слое 5-10 см с d >600 мм и g>40 Н/см возможно увеличение плотности более 20 %.

Таблица

Изменение коэффициента ( b ) приращения плотности почвы катками в зависимости от слоя почвы

Слой почвы, см	b
	d >600 мм		d < 500 мм
	g <40 Н/см	g >40 Н/см	g <40 Н/см	g >40 Н/см
0 – 5	2	4,5	2	5
5,1 – 10	3	3,3	2,5	5
10,1 – 15	16	6,5	10	4
15,1 – 20	30	30	30	7

В связи с этим выражение (3) можно использовать при определении нагрузки на каток получение прикатанного слоя соответствующего строения с заданной величиной наибольшего приращения плотности почвы.

В среднем отклонения между опытными и расчетными величинами для Аб макс составляют 10 - 15, в отдельных случаях до 30 % (около 6 % от общего количества). Поэтому нагрузка на каток (в пределах ее изменения от 20 до 100 Н/см) может быть определена с точностью до 3-15 Н/см. В связи с этим предложенные зависимости могут быть использованы для предварительной оценки величин ориентации в выборе диаметра катка. При скорости движения катков более 2 м/с - Аб уменьшается на 17-30 % в одних и тех же слоях, меняется характер распределения приращения плотности почвы во всем прикатанном слое: слои с Аб макс располагаются выше на 5 см, чем при скорости движения катков до 2 м/с.

Заключение

Учитывая многообразие почвенных разностей и условий, при которых проводится прикатывание, невозможно получить единые выражения для определения величин такого важного показателя, как приращение плотности почвы после прохода катка. Однако при разделении катков диаметром до 500 мм и свыше 600 мм и скорости движения до 2 м/с можно ограничиться определением величины приращения плотности почвы по глубине в зависимости от линейной нагрузка на каток. При скорости движения катков более 2 м/с приращения плотности почвы по глубине уменьшается в среднем на 23 %.