Снижение риска антропогенного воздействия при выполнении полосовой химической обработки в ресурсосберегающей системе земледелия

Введение. Важнейшими компонентами биосферы являются почва и почвенный покров. Состояние почвенных ресурсов является индикатором благополучия экосистемы. В процессе своей деятельности человек загрязняет не только почву, но и воздух, воду. В почве происходит накопление тяжелых металлов, остатков пестицидов и других химикатов и загрязнителей, которые впоследствии приводят к нарушениям естественных процессов, протекающих в природной среде.

Современные проблемы антропогенного воздействия на биосферу особо значимы в сфере техногенеза через спектр влияния геохимического фактора. В процессе производственной деятельности человека выделяется значительное количество загрязняющих веществ, часть которых сразу попадает в почву, а часть является загрязнителями воды и атмосферы. В конечном итоге, это приводит также к загрязнению почв. В результате образования техногенных геохимических аномалий провоцируются процессы накопления и миграции загрязнителей на вершинах пищевых пирамид. Этому способствует необоснованное внесение химических препаратов в области химической защиты растений. В последние годы грамотное применение ресурсосберегающих технологий не только ресурсообосновано, но и экономически выгодно, так как они позволяют сокращать затраты и добиваться повышения урожайности производимых культур. В настоящее время ресурсосберегающий подход активно реализуется посредством технологии полосовой обработки Strip-till [1]. Технология предусматривает обработку почвы в пределах полосы, в которой растет и развивается культурное растение, а технологические операции помогают созданию благоприятных условий для их роста и развития. Междурядье остается необработанным, что позволяет накапливать растительные остатки и снижать за счет этого эрозионные процессы, удерживать влагу, производить разуплотнение почвы в необработанной полосе естественным путем. Сорная растительность в междурядье оказывается в худших условиях по сравнению с культурными растениями в обработанных полосах, хуже развивается и погибает. Наилучшие ре- зультаты достигаются при выращивании в системе полосового земледелия пропашных культур, отзывчивых на глубину обработки (подсолнечник, кукуруза, соя, сорго, горчица и другие). Хорошие перспективы в применении технологии полосовой обработки у бахчевых, овощных культур, хлопка. Данные направления показывают положительный эффект в экономических и энергетических аспектах при выращивании данных культур с шириной междурядья 0,9 и 1,2 м [2, 3]. На территории Волгоградской области полосовое земледелие возможно применять на культурах, выращиваемых на площади 914 тыс.га, а в целом по России на 14450 тыс.га. Этим подчеркивается перспективность разработки выбранного направления исследования. Существенным недостатком технологии Strip-till является увеличение затрат на химическую обработку и объемы внесения химических веществ. Поэтому одним из путей совершенствования полосовой технологии является сокращение затрат и снижение объемов внесения рабочего раствора. При этом важно, чтобы норма внесения химического вещества на объект воздействия остава- лась прежней.

Рисунок 1 – Технологический процесс полосового опрыскивания

Как правило, технологические процессы защиты растений в полеводстве проводятся жидкими рабочими растворами на основе опрыскивания. Главным преимуществом жидких удобрений является рациональное их использование растениями [4]. Анализ структуры технологических процессов использования опрыскивателя при возделывании подсолнечника позволяет заметить, что операцию по внесению почвенного гербицида целесообразней проводить по технологии сплошного опрыскивания, а защиту от вредителей, болезней, листовую под- кормку и десикацию следует проводить непосредственно на объекты воздействия, т.е. на выращиваемую культуру. В этой связи важно обосновать технологический процесс химической обработки растений с учетом конкретной выращиваемой культуры и фазы её развития [5, 6].

Методика исследования. Применение данного технологического подхода позволяет точечно перераспределять рабочий раствор с действующим веществом, что в результате снижает гектарные нормы, при этом норма внесения по объектам остается прежней. Кроме этого применение дифференцированного подхода к внесению химии позволит снизить стрессовые воздействия на культурные растения.

Командой ученых Волгоградского ГАУ предлагается усовершенствовать известный технологический процесс и конструкцию штангового опрыскивателя, приспособив его для обработки по полосам, где полосы произрастания культурных растений чередуются с незанятыми междурядьями [5, 7]. Поэтому целесообразно перераспределить рабочий раствор по полосам с одновременным охватом растения по всей по- верхности в вертикальной плоскости (рисунок 1).

Это достигается техническим решением, которое заключается в применении боковых форсунок с ориентированными конусами распыла навстречу друг к другу (Патент РФ 2709762). Боковые форсунки следует располагать над междурядьями. Во время распыления рабочего раствора между верхними краями конусов распыла образуется зона пересечения с углом распыла менее 180 градусов, а нижние края находятся в зоне абриса проекции ряда растений на почву. Применение данного способа бокового распыла способствует преобразованию потоков распыла от каждой форсунки в новый более стабильный поток при их слиянии. То есть предлагаемый способ дает возможность достигать постоянства распределения (плотности) рабочего раствора в пределах обрабатываемой полосы независимо от вертикальных колебаний штанги.

Разработанное техническое решение позволяет за счет переключения между корпусами для нескольких распылителей оперативно настраивать опрыскиватель как на технологию сплошного, так и полосового распределения рабочего раствора.

Используя способ полосовой химической обработки растений, можно снизить гектарную норму химических средств ухода за растениями в пределах 25–45% относительно сплошной обработки, не снижая нормы и качества обработки объектов воздействия. Предварительные расчеты экономического эффекта выращиваемого подсолнечника на территории Волгоградской области только от внедрения технологии полосовой химической обработки составят в пределах 1150–1200 руб./га (по состоянию цен на 2020 г.).

Для достижения поставленной научной задачи в качестве изменения способа нанесения раствора на растение была смонтирована лабораторная установка, рабочим органом которой является трубка Dropleg с щелевыми форсунками на 65° и 80°. Лабораторная установка позволяет производить ряд исследований, направленных на определение производительности форсунок с течением времени при изменении давления в системе от 1 до 4 атмосфер, производить замеры горизонтального конуса распыла форсунками с определением точки перегиба при сужении конуса распыла к поверхности. Установка позволяет изменять высоту штанги по вертикали в зависимости от фазы развития подсолнечника. Также можно изменять угол наклона конуса распыла относительно вертикальной оси форсунки на 35°, 45°, 55°. Характерной особенностью установки является возможность наблюдать за точкой слияния потоков, направленных под углом навстречу друг другу. Для обработки параметров конуса распыла была составлена программа и методика испытаний согласно ГОСТ, составлены карты для фиксирования параметров исследования. По полученным показаниям построены графики с помощью программы Excel. По фазам развития подсолнечника велись полевые наблюдения на протяжении всего роста и развития подсолнечника со строгой периодичностью. Все замеры фиксировались при помощи видео- и фотосъемки.

Результаты исследований и их обсуждение. Научные исследования нового способа нанесения рабочего раствора на растение направлены на изучение архитектурных особенностей фазы развития конкретной выращиваемой культуры и качества её обработки опрыскиванием. Согласно таблице комплексной защиты подсолнечника обработка производится и зависит от фазы развития, обусловленной ростом стебля и количеством пар листьев. Так, при росте до двух пар листьев проводится сплошная обработка защиты от сорняков, вредителей и болезней [3]. При достижении растением высоты 0,5 м сплошную обработку от болезней и листовую подкормку производить нецелесообразно. Кроме того верхние и нижние ярусы листьев будут перекрываться друг другом, а значит, качество обработки будет страдать. Для анализа данного предположения были произведены замеры подсолнечника, определены зависимости роста стебля культуры от ширины слоев листьев верхних и нижних ярусов. Верхние листья перекрывают нижние ярусы листьев, а значит капли рабочего раствора на данной фазе развития подсолнечника не будут в достаточной степени попадать на стебель, обратную и внешнюю стороны листьев, прикрытые верхними ярусами [3].

Все это будет приводить к развитию болезней и вредителей, меньшему эффекту от внесения от жидких комплексных удобрений и, в конечном итоге, снижению качества и количества урожая [9, 10]. Поэтому, на второй стадии научных исследований потребовалось изучить влияние угла наклона оси конуса распыла от вертикали на параметры опрыскивания, для форсунок с конусом распыла 80° и 65°. Исследования проводились для углов наклона оси конуса распыла на 35°, 45° и 55° (рисунки 2, 3,

4). Изучено поведение верхних и нижних ветвей конуса распыла и определены зависимости влияния давления на геометрию боковых сторон конуса распыла.

4 атм/ 4atm атм 4

• • е— 3атм/ 3atm

• ■ ▲■•■ атм 3

* - 2атм/ 2atm

• ■    - атм 2

• ■    1атм/ 1atm

  • &.Ч*-- 1атм/ 1atm

    

    0     100   200   300   400   500   600   700   800   900   1000

    расстояние от вертикальной оси форсунки, мм/ distase frome the vertical axis of the nozzel, mm

    
    

    Рисунок 2 – Зависимость геометрии абриса конуса распыла в поперечной плоскости от давления в системе для угла 35°

    

    расстояние от вертикальной оси форсунки, мм /distance frome the vertical axis of the nozzel, mm

    
    

Рисунок 3 – Зависимость геометрии абриса конуса распыла в поперечной плоскости от давления в системе для угла 45°

Экспериментальными исследованиями установлено, что форма конуса распыла сохраняется идентичной той, которая образуется при вертикальном распыле при отклонении потока от вертикальной оси форсунки на 0,6–0,8 м. Далее форма изменяется под действием гравитации и зависит от размера капель и интенсивно- сти потока. При этом нижняя ветвь отклоняется от вертикальной оси в пределах 0,08 до 0,19 м. Соответственно, при слиянии двух противоположных потоков рабочий раствор переносится с необработанной части междурядья на обрабатываемую полосу (рисунок 5).

расстояние от вертикальной оси форсунки, мм/ distance frome the vertical axis of the nozzel, mm

Рисунок 4 – Зависимость геометрии абриса конуса распыла в поперечной плоскости от давления в системе для угла 55°

отклонение нижней ветви от вертикальной оси угол 35/deviation of the lower branch from the vertical axis angle 35

отклонение нижней ветви от вертикальной оси угол 45/deviation of the lower branch from the vertical axis angle 45

отклонение нижней оси от вертикальной оси угол 55/deviation of the lower branch from the vertical axis angle 55

давление в системе, атм/ pressure in the sistem, atm

Рисунок 5 – Зависимость положения нижней ветви конуса распыла от давления в системе при разных углах отклонения оси форсунки

Определение данного факта экспериментальным путем позволяет сделать вывод относительно уменьшения загрязнения междурядья химическими растворами. Комплексное решение задачи в части перераспределения раствора позволяет при постоянной норме вылива на объект обработки (растение) уменьшать гектар- ную норму внесения рабочего раствора. Важным аспектом в проведении химической обработки посевов является чувствительность качественных показателей и индикаторов безопасности к погодным условиям при одновременном соблюдении агротехнических сроков обработок. Предлагаемый техпроцесс и техническое реше- ние по его выполнению способствуют решению проблемы влияния погодных условий, так как при слиянии боковых потоков новый образуемый поток характеризуется большей стабильностью, а снижение колебаний штанги в процессе работы опрыскивателя позволяет опускать штангу ниже к верхушкам культурных растений [2]. Это способствует снижению риска чрезмерного загрязнения окружающей среды. Применение предлагаемой технологии полосовой химической обработки и нового способа нанесения раствора на растение в будущем дает возможность оценить энергоэффективность и экономию рабочего раствора. С точки зрения практического подхода, на поле это будет выглядеть как улучшение объема захвата растения при направлении оси конуса распыла под углом 45°. Следствием является улучшение качественных показателей процесса распыления в части покрытия боковых листьев культуры. Если говорить о процентном соотношении, то захват покрытия увеличивается на 87,5% [13].

Выводы. Таким образом, по результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы. В применяемых технологических процессах химической обработки посевов подсолнечника не в полной мере учитываются архитектурные особенности растения, из-за чего снижается качество опрыскивания в фазе развития 2–8 пар листьев. Наиболее эффективным будет считаться новый способ нанесения раствора на растения с учетом перераспределения раствора с междурядья на обрабатываемую полосу. Для этого разработано техническое решение, которое позволяет смешивать потоки рабочих растворов, направленные навстречу друг к другу, с образованием нового потока. Применение бокового способа распыла позволяет при слиянии преобразовывать потоки распыла от каждой форсунки в новый, более стабильный поток, имеющий постоянные геометрические параметры с большей площадью покрытия у верхушки растений и неизменяемой при вертикальных колебаниях штанги опрыскивателя.

На основании теоретических расчетов с учетом предварительно полученных данных лабораторных и полевых испытаний снижение расхода рабочего раствора при обработке подсолнечника с междурядьем 0,7 м составляет 20–22%. В перспективе данную технологию можно успешно применять при производстве овощных и бахчевых культур, а при обработке хлопчатника с междурядьем 0,9 м данная технология особенно актуальна, так как позволит достичь снижения объема химических веществ на 35–40%. Волгоградская область занимает одно из лидирующих мест по производству овощных культур, которые также можно выращивать по полосовой технологии. Также данная технология имеет хорошие перспективы при реализации на бахчевых культурах и лекарственных травах.