В растениеводстве

Значительная часть биологического потенциала растений теряется в результате воздействия негативных факторов (природно-климатических условий, деятельности человека, нарушения технологий возделывания и уборки культур и т.д.). На рис.6.1 представлена диаграмма снижения биологического потенциала зерновых в процессе выращивания, уборки и переработки [26].

Наибольшие потери энергии происходят при обработке почвы и уборке урожая зерновых. Эта тенденция в той или иной степени относится и к другим культурам, поэтому сокращение потерь при проведении данных технологических процессов является важнейшей задачей энергосбережения.

Рис.6.1 Снижение биологического потенциала зерновых: 1- потенциаль-ный урожай; 2- обработка почвы; 3- посев и уход; 4- уборка; 5-послеуборочная обработка; 6 - хранение; 7 – переработка.

Важным аспектом оценки энергетической эффективности является структура энергетических затрат на производство единицы продукции. Зная соотношение затрат топлива, электроэнергии и других составляющих энергетического баланса можно снижать затраты не нанося существенного урона технологии в целом, адаптировать технологию к местным социально-экономическим и природным условиям. Очевидно, основным источником экономии должно стать сокращение затрат энергии по наиболее энергоемким составляющим.

6.2.1. Энергоресурсосберегающие приёмы обработки почвы

Обработка почвы – наиболее важная и энергоёмкая часть технологического процесса получения продукции растениеводства. В структуре совокупных энергетических затрат технологии возделывания, уборки и первичной обработки (доработки) продукции зернового и кормового севооборотов топливо составляет 21-45%, и примерно половина его расходуется на обработку почвы. В процессе обработки почвы решаются следующие основные задачи: рыхление пласта и формирование равномерной структуры почвы, уничтожение сорняков, заделка растительных остатков и удобрений, создание условий для образования питательных веществ и формирования гумуса.

Спецификой процесса обработки почвы является то, что его энергия не используется непосредственно растениями, а овеществляется в них по каталитическому механизму, когда работа машин и орудий обеспечивает высвобождение и доступность для растений энергии почвы, солнца, воды и воздуха. Выбор системы обработки почвы должен быть таким, чтобы затраты на рыхление пласта были минимальными. Наибольший эффект дает переход на нетрадиционные почвозащитные (бесплужные, сокращенные, минимальные и нулевые) системы обработки почвы.

Равномерная структура почвы обеспечивает благоприятный воздушно-водный режим, способствует интенсификации обменных процессов и биохимических реакций с участием дышащих растений и аэробной микрофлоры почвы, а также способствует ускорению реакции фотосинтеза. Формирование структуры - длительный процесс, связанный с коагуляцией и слипанием первичных частиц в микро- (до 0, 25 мм) и макро- (0, 25...7 мм) агрегаты почвы. Кроме структуры, о качестве почвы можно судить по ее пористости, плотности, влажности, каменистости, способности к крошению, твердости, удельному сопротивлению при пахоте, липкости, и др. Хорошо обработанной рыхлой считается почва, в которой объем пустот в 1, 5 раза выше объема твердых частиц. Плотность должна составлять от 1, 0 до 1, 1 г/см³ (для абсолютно сухой почвы). При увеличении плотности выше 1, 2 г/см³ растёт доля затрат энергии роста растений, которая тратится на преодоление сил физического взаимодействия структурных агрегатов. В результате снижается скорость развития корневой системы, что в свою очередь ограничивает доступ растения к питательным веществам и к влаге почвы.

Вспашка - наиболее энергоемкая операция по обработке почвы, на которую приходится свыше 50% общего расхода топлива. Уменьшение глубины вспашки с 20...22 см до 16...18 см, зачастую, не снижает урожайность озимых культур и позволяет сэкономить до 12% топлива. Чередование направлений вспашки, а также проведение культивации и боронования в диагонально-перекрестном направлении относительно пахоты позволяет снизить затраты топлива на выравнивание поверхности поля после вспашки в свал и развал на 4, 5...5 кг/га. Значительная экономия топлива может быть получена от применения оборотных плугов. Движение пахотного агрегата челночным способом сокращает расход топлива на холостой ход во время поворотов и переездов, который при традиционном способе вспашки в свал и развал составляет более 10% от общего расхода. Применение оборотных плугов исключает необходимость проведения операций разбивки поля на загоны и регулировки плуга для прохода первой борозды. Эти операции занимают много рабочего времени и в реальных условиях часто проводятся не качественно, в результате увеличиваются энергетические затраты на заделку стыковых борозд, гребней и огрехов пахоты на границе загонов. Современные конструкции оборотных плугов снабжены пружинными, гидравлическими и разрывными предохранителями, что существенно расширяет возможности их использования на каменистых почвах.

Замена вспашки полей, чистых от многолетних сорняков, на дискование, плоскорезную обработку и чизелевание позволяет значительно (до 5 кг/га) снизить затраты топлива на основную обработку. При безотвальной обработке не тратится энергия на подъём и оборот пласта. При обороте пласта лёгких почв с высокой фильтрующей способностью питательные вещества, накопленные в прикорневой зоне, которая оказывается на дне борозды, быстро вымываются в нижние слои и становятся недоступными для растений. Безотвальная обработка лишена данного недостатка и позволяет сохранить питательные вещества в верхних пластах.

В Беларуси 52% песчаных, супесчаных и торфяных почв, часть которых загрязнена радионуклидами. Плоскорезная и чизельная обработка снижает интенсивность водной и ветровой эрозии почвы и является неотъемлемой частью почвозащитной системы земледелия. Не заделанные растительные остатки защищают верхний слой от выдувания и вымывания талыми и дождевыми водами и способствуют сохранению почвенной влаги. Расход топлива на дискование на 28...36% меньше по сравнению с плужной обработкой. Обработка почвы чизельными культиваторами и плугами, а также рыхлителями-щелевателями со стрельчатыми рыхлящими лапами позволяет в 1, 3...1, 5 раза уменьшить общие энергозатраты, а также улучшает агрофизические свойства почвы и повышает урожайность культур. В настоящее время для условий Беларуси разработаны безотвальные почвозащитные технологии, включающие в себя лущение стерни на глубину 8...10 см, рыхление на глубину 20...25 см в сочетании с предпосевной обработкой почвы в различных вариантах. В целом применение безотвальных технологий позволяет снизить расход топлива на 13, 4...27, 8 кг/га, металла - на 11, 6...12, 9 кг/га и затрат труда - на 0, 9...1, 33 чел-ч/га. Однако безотвальная обработка не обеспечивает решение задачи заделки и уничтожения сорняков, что в условиях влажного климата Беларуси существенно сужает возможности её применения. Длительное применение безотвальной обработки приводит не только к накоплению сорной растительности, но и обуславливает дифференциацию плодородия и плотности по слоям почвы, поэтому целесообразным является чередование вспашки с дискованием, плоскорезной обработкой и чизелеванием в рамках севооборота (табл. 6.2).

Таблица 6.2

Энергетический баланс выращивания и уборки культур зернового севооборота возделываемых по трём системам основной обработки почвы на тяжёлых суглинках

Как видно из таблицы, замена вспашки чизелеванием под отдельные культуры севооборота обеспечивает экономию топлива 3, 7...3, 8 кг/га севообортной площади, а дискованием до 5, 3 кг/га.

Представляет интерес использование почвообрабатывающих машин с активными рабочими органами. Современная промышленность выпускает большое количество моделей горизонтальных, вертикальных и возвратно-поступательных фрез. Несмотря на высокую энергоемкость, фрезы обеспечивают качественную обработку почвы за один проход. В результате экономия может быть достигнута за счет сокращения операций. Применение фрез затруднено высокой каменистостью почв в Беларуси. Наиболее эффективны фрезы при улучшении и перезалужении лугов и пастбищ, когда замена традиционных способов обработки почвы фрезерованием обеспечивает экономию топлива до 10 кг/га.

При возделывании зерновых и других сельскохозяйственных культур по обычной технологии с применением однооперационных специализированных машин движителями тракторов и колёсами сельскохозяйственных машин уплотняется свыше 60% площади поля. Отдельные участки подвергаются 3...9 - кратному воздействию, что снижает урожайность сельскохозяйственных культур, в том числе зерновых колосовых на 10%, сахарной свеклы на 15%, картофеля на 50%. Обычными однооперационными машинами не удаётся полностью загрузить скоростные энергонасыщенные тракторы, особенно на полях малых размеров, с неровным рельефом и на орошаемых землях. Совмещение операций одним комбинированным агрегатом при подготовке почвы к посеву вместо применения набора однооперационных машин является перспективным направлением, позволяющим уменьшить затраты энергии, топлива, труда и сохранить плодородие почвы. Наибольшее распространение получили комбинированные агрегаты (рис. 6.2), включающие орудия для поверхностной обработки (культиваторные лапы; вырезные, сферические, игольчатые и клиновидные диски; планчатые кольчато-шпоровые и кольчато-зубовые катки; зубовые, шлейф- и пружинные бороны и др.)

В последнее время все большее применение находят машины, совмещающие в себе орудие для основной (плоскорежущие лапы, чизельные и оборотные плуги) и предпосевной обработки почвы, которые позволяют за один проход машинотракторного агрегата полностью подготовить почву к посеву и посадке культур. Такой подход позволяет более эффективно использовать тяговые характеристики энергонасыщенных тракторов и за счет небольших габаритов агрегата сократить расход топлива на холостой ход. По данным белорусских учёных, применение комбинированных агрегатов позволяет снизить расход дизельного топлива: при совмещении вспашки и прикатывания - на 12...16%; культивации, боронования и прикатывания - на 15...20%. При этом существенно повышается и производительность труда. В тоже время комбинированные машины можно применять только на хорошо окультуренных почвах. На тяжёлых и засоренных пыреем почвах применение этих агрегатов не всегда даёт положительный результат.

Рис. 6.2. Варианты совмещения операций в комбинированных агрегатах: 1 - диски; 2 - катки; 3 - вертикальные (или горизонтальные) фрезы; 4 - глубокорыхлящие лапы; 5 - культиваторные лапы; 6 - бороны; 7 - оборотные плуги.

Современные комбинированные агрегаты ведущих мировых производителей снабжены системами автоматического контроля и пространственной ориентации, которые, работая совместно с бортовым компьютером трактора, позволяют проводить дифференцированную обработку почвы по электронной карте. Автоматическое изменение глубины обработки безотвальными орудиями позволяет сэкономить до 50% топлива.

Высокие требования должны предъявляться к комплектованию машинотракторного парка. Ограниченные возможности приобретения почвообрабатывающих орудий с различной производительностью и шириной захвата затрудняют правильное комплектование машинно-тракторного агрегата. Неправильный выбор машин приводит к тому, что тракторы оказываются либо перегруженными, либо недогруженными. В результате повышается расход топлива и уменьшается ресурс двигателей. Механизатор вынужден изменять скорость движения, что приводит к нарушению агротехнических требований проведения работ и дополнительным энергозатратам. Применение современных плугов, в конструкции которых предусматривается возможность плавного изменения ширины захвата, обеспечивает максимально эффективное использование тяговых характеристик трактора в различных условиях работы.

Важным аспектом энергосбережения при обработке почвы является снижение влияния пространственных факторов на энергетическую эффективность процессов. Правильная организация работ, выбор способа движения, разбивка поля на загоны должны свести до минимума затраты топлива на поворотах и переездах почвообрабатывающих агрегатов, которые иногда превышают 20 % от общего расхода. В большинстве регионов республики Беларусь имеет место сложная конфигурация, рельеф и контур полей с различными условиями работы по участкам. Исследования показали, что: изменение угла склона на 2...3⁰ при возделывании зерновых связано с потерями энергии до 1500 МДж/га, что составляет 8...10 % от общих затрат; увеличение степени изрезанности полей препятствиями - на 10...15 % - до 2000 МДж/га (12...15 %); длины гона - на 100...200 м - до 70 МДж/га (около 5 %).