Московский экономический журнал 2/2017

image_pdfimage_print

УДК 631/635

Bezymyannyj-12

ОПРЕДЕЛЕНИЕ И РАЗРАБОТКА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ САМОПОЛИВНОГО ВЛАГО-КОНДЕНСИРУЮЩЕГО СПОСОБА ЗЕМЛЕДЕЛИЯ (на примере Оренбургской области)

А.Х. Ашиккалиев1, аспирант кафедры экологии и природопользования М.Х. Ашиккалиева2, аспирантка кафедры экономики недвижимости

1Оренбургский государственный университет

460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13

2Государственный университет по землеустройству

105064, г. Москва, ул. Казакова, 15

Email для переписки: ashinkaliev-alty@mail.ru (А.Х. Ашиккалиев)

Аннотация. Разработан инновационный способ земледелия по выращиванию зерновых культур в засушливых регионах страны, который основан на внутрипочвенном самополиве атмосферной парообразной влагой. Главной задачей способа является борьба с засухой. Установлены необходимые внутрипочвенные  условия и свойства агроэкосистем (температура почвы, увлажненность, глубина, архитектура корневой системы), при которых эффективность способа будет максимальной.  Предложено техническое решение для оптимизации процессов внутрипочвенной конденсации парообразной влаги в непосредственной близи от корневой массы зерновых культур. Скомбинированы некоторые положительные стороны существующих технологий (прямого посева, ресурсосберегающего земледелия, бинарных посевов) в единую систему земледелия, которые дополняют разработанный способ и  повышают его эффективность.

Ключевые слова. Зерновые культуры, засуха, бинарный посев, атмосферная парообразная влага, конденсация влаги, подпочвенные воздуховоды.

DETERMINATION AND DEVELOPMENT OF BASIC PARAMETERS AND ENGINEERING SOLUTIONS OF SELF-WATERING MOISTURE CONDENSING AGRICULTURAL TECHNIQUE

(by the example of Orenburg region)

A.Kh. Ashikkaliev1, post-graduate student of the Department of ecology and nature management

M.Kh. Ashikkalieva2, post-graduate student of the Department of economics of immovable property

1Orenburg State University, 460018, Orenburg, prosp. Pobedy, 13

2State University of Land Use Planning

105064, Moskow, Kazakov street, 15

corresponding e-mail: ashinkaliev-alty@mail.ru (A.Kh. Ashikkaliev)

Abstract. An innovative agricultural technique of crop growing in droughty regions based on subsurface self-watering with aerial vaporous moisture is developed. The main goal of the technique concerned is to control a drought. The subsurface conditions and agroecosystem properties (soil temperature, moisture, depth, configuration of root system) providing the highest efficiency of the technique are established. An engineering solution for optimization of the processes of subsurface vaporous moisture condensation in close vicinity to the root system of crops is suggested. Some strength elements of the existing technologies (direct sowing, resource-saving agriculture, binary sowing) were united into a single agriculture system; these elements supplement the developed technique and increase its efficiency.

Key words: Crops, drought, binary sowing, aerial vaporous moisture, moisture condensation, subsoil airlines.

Данная работа является стартовым этапом разработки самополивного влаго-конденсирующего способа земледелия, направленного на выращивание зерновых культур в регионах с засушливыми природными условиями, где наличие влаги в почве является основным критерием, определяющим объемы урожая. Главной задачей предлагаемого способа является повышение увлажненности агропочв, а, соответственно, и урожайности этих культур, объемы которой должны быть удовлетворительными вне зависимости от частоты возникновения и продолжительности почвенной засухи. Таким образом, предлагаемые технологии предназначены для борьбы с засухой, которая, как известно, до сих пор является открытой проблемой для сельхозтоваропроизводителей южных регионов страны, в том числе и Оренбургской области.

Методика. При подготовке данной работы использовались научные труды известных ученных – Овсинского И.Е., Мальцева Т.С., Лагуткина Н.В., Зеленского Н.А. и др. Опираясь на опыт уже существующих и оправдавших себя приемов и методик земледелия, о которых будет упомянуто ниже, в настоящей работе произведена комбинация их положительных сторон в единые технологии, которые дополняются личными разработками авторов данной статьи.

Всем известно, используя технологии минимальной обработки почв, подразумевающей рациональное комбинирование технических средств, можно сэкономить до 25 – 30 % затрат на топливо [1]. Например, при ресурсосберегающем земледелии, включающей осеннее мульчирование верхнего слоя пашни измельченной соломой с неглубокой запашкой на 5-10 см, в отдельных случаях себестоимость зерна может снизиться на 31,3% по сравнению с традиционным возделыванием [2]. При нулевом земледелии, полностью исключающей вспашку, и основанной на прямом посеве, себестоимость зерна может снизиться до 44,3%, а производственные затраты – до 38,5% [3].

Как показывают исследования ученых, корневая система зерновых культур в полуметровой толще почвы распределяется неравномерно, и зависит от способа обработок почвы. Для противоэрозионных плоскорезных обработок в первых 10 см концентрация корневой массы составляет 58,5%, в слое от 10 до 20 см – около 19%, в слое 20-30 см – около 10%, ниже 30 см находится всего лишь 12-13% корней [4].

Наряду с этим, установлено, что в верхнем обогащенном кислородом слое почвы (0-6 см), где ярко выражена жизнедеятельность аэробных микроорганизмов, образуется 24 единицы гуминовых кислот, а в более низких слоях (14 – 20 см) образуется всего лишь одна подобная единица. Это означает, что процесс гумификации наиболее интенсивен в аэробных условиях. Анаэробные же условия, наоборот, благоприятны для протекания процессов брожения и образования, токсичных для растения веществ – уксусную, масляную, пропионовую кислоты [2]. Поэтому, органические удобрения в виде растительных остатков должны вноситься непосредственно в верхний слой, что собственно и предлагается в ресурсосберегающем земледелии и отчасти в нулевом земледелии. Однако именно этот слой особенно подвержен водной эрозии, дефляции, различным загрязнениям, а главное, в условиях засушливого сухостепного климата под действием палящих солнечных лучей, этот слой почвы быстро теряет влагу и уже к середине июня может быть абсолютно иссушенным, оставив почти 59% корней без воды.

Для решения этой проблемы необходимо термоизолировать поверхность почвы путем создания на нем мульчированного слоя, и осуществления посева многолетних бобовых трав в виде кулис, между которыми будет произведен высев зерновой культуры. На сегодняшний день технологии бинарных посевов не так интенсивно практикуются в нашей стране, однако уже существует ряд научных работ, публикаций и даже патентов на эту тему, доказывающих их эффективность. Доктор с-х наук, профессор Зеленский Н.А. в своих исследованиях доказал, что параллельное произрастание зерновых культур вместе с бобовыми не приводит к их конкуренции за влагу и питательные вещества, т.к. их корневые системы расположены в разных ярусах и имеют разную архитектуру. Помимо этого, бобовые культуры, в частности люцерна, угнетают сорняки, удерживают влагу в почве, затеняют и охлаждают её, а также обогащают азотом, который необходим для вегетации зерновых культур. Многие ученые считают, что люцерна стремительно испаряет влагу из почвы. Однако Зеленский Н.А. на своем примере доказал, что подобные бинарные посевы, наоборот, повышают увлажненность поля [5]. Подобно люцерне, второстепенной культурой могут выступать  донник, эспарцет, озимая вика и другие многолетние бобовые травы.

Наряду с влагой и питательными веществами, сельскохозяйственные культуры нуждаются в солнечной энергии. В свое время Тимирязев К.А. отмечал, что 95% органики создается за счет фотосинтеза. На степных агроландшафтах Оренбургской области, где в основном преобладают открытые равнинные местности, вероятность недостатка солнечной энергии для сельскохозяйственных культур относительно мала, и обусловливается лишь кратковременными погодными условиями (дождевые тучи, облака). Для оптимальности процесса фотосинтеза необходимо, чтобы на участок в 1 кв. м растений приходилось не менее 4 кв. м листовой поверхности органики. Иначе эффективность солнечной энергии приобретет обратный характер, что приведет к повышению испарения влаги примерно в десятикратном размере. Зерновые культуры в Оренбургской области имеют площадь листовой поверхности в среднем 13,15 тыс. кв. м­­ на 1 га – весьма низкий показатель. Однако, если будут использоваться вышеупомянутые бинарные посевы бобовых трав вместе с зерновыми культурами, средний коэффициент листья/участок на 1 кв.м увеличится за счет высокого показателя многолетней травы. Так, на 1 кв. м клевера приходится 26 кв. м листовой поверхности, люцерны – 83 кв. м, эспарцета – 38 кв.м, и т.д. [2,6].

Потребность в воде у растений достаточно высока – для образования одного грамма сухого вещества сельскохозяйственной культуры необходимо от 0,2 до 1 литра воды. Однако около 80% земель России страдают от дефицита влаги, и в первую очередь это территории степных районов. Для решения этой проблемы, было изучено следующее природное явление, которое собственно и составляет основу предлагаемого способа земледелия. Это процессы конденсации влаги в почве – так называемое атмосферное орошение. В своей монографии Лагуткин Н.В. пишет, что в умеренных широтах за одну только ночь на одном гектаре в верхнем почвенном слое может образоваться от 0,1 до 0,5 мм влаги. Содержание влаги в росе составляет от 10 до 30% годовой суммы осадков, но в отличие от последних, процессы конденсации происходят в почве более равномерно, обеспечиваярегулярность подпитки растений влагой [2,7].

Для образования росы, требуется, чтобы почва имела достаточное количество пор, вследствие чего обеспечится необходимая проницаемость ее воздухом, который в своем составе принесет в почву влагу в газообразном состоянии. Для того чтобы процесс конденсации осуществился, температура почвы должна быть существенно ниже температуры воздуха. В период времени с мая до сентября на глубине до 1,37 м разница этих температур достигает 12 градусов по Цельсию. Этого вполне достаточно для конденсации частичек воды на стенках пор [2].

Однако корни зерновых культур если и достигнут указанной глубины, то лишь незначительной своей частью, когда их длина станет максимальной, и до этого времени будут подвергнуты засухе, которая приведет к неизбежной потере урожайности, что и наблюдаться на сельскохозяйственных угодьях Оренбургской области. В таком случае атмосферное орошение не будет приносить никакой пользы. Как замечалось ранее, основная масса корневой системы подавляюще сосредоточена в верхних слоях почвы (до 50 см), и поэтому целесообразно рассмотреть процесс ирригации именно на этой глубине. Несомненно, солнце в жаркие дни будет достаточно хорошо прогревать этот слой земли, вследствие чего температура почвы повысится и станет неблагоприятной для процессов конденсации. Однако, при создании вышеуказанного термоизоляционного буфера из слоя мульчи и затеняющих многолетних бобовых трав, процесс непосредственной инсоляции элиминируется, и почва будет нагреваться в основном только за счет воздуха, а это уже более низкие температуры.

Более того, согласно одному из законов Фурье, сроки наступления максимальных и минимальных температур в суточном ходе запаздывают пропорционально глубине: на каждом 10-сантиметровом слое, по мере углубления, суточные экстремумы отстают на 2,5-3,5 часа. Учитывая, что максимальная температура поверхности почвы в Оренбургской области отмечается примерно в 13 часов дня, на глубине в 50 см суточный максимум, согласно этому закону, будет наблюдаться только после полуночи, когда атмосферный воздух начнет охлаждаться. И, соответственно, суточный минимум на этой глубине наступит в дневное время суток, когда воздух уже будет достаточно нагретым [7].

Таким образом, температура почвы на рассматриваемой полуметровой глубине, в данном случае, будет всегда резко отличаться от температуры атмосферного воздуха, что дает надежду на возникновение в почве эффективных процессов конденсации влаги.

Для увеличения количества циркулируемого воздуха в почве, а также для улучшения процесса его охлаждения, в данной статье предлагается прокладка поперек склона горизонтальных подпочвенных воздуховодов (рис.1) диаметром в 5 см. на глубине 40-50 см., которые выполняются прямолинейно на максимальную длину без изгибов, поворотов и перемычек. Площадь внутренней поверхности такого воздуховода значительно больше площади стенок естественных почвенных пор (также как и объем), соответственно увеличится количество конденсируемой из воздуха влаги. Одним из главных технических параметров, при этом, является обязательное уплотнение стенок воздуховода, что приведет к повышению их теплопроводности – чем выше плотность стенок, тем интенсивнее их тепло будет передаваться недрам, что позволит внутренней поверхности воздуховода всегда оставаться прохладной. В дополнение, посредством перфорирования создаются вертикальные подводящие каналы, осуществляющие доступ воздуха в воздуховод, и предназначенные для интенсификации воздухообмена между почвой и атмосферой. Этим и достигается поставленная задача.

Screenshot_1

Рис. 1. Схема залегания подпочвенной конвекционной системы:

А – продольный разрез, В – поперечный разрез, 1 – подпочвенный воздуховод, 2 – подводящий канал, 3 – кулисы из люцерны, 4 – мульча, 5 – слой обитания аэробных микроорганизмов, 6 – образуемая влага, t1 и t2 – температуры воздуха и почвы.

Результаты. Принцип действия способа следующий. В подпочвенные воздуховоды 1, под действием атмосферного давления, через вертикальные подводящие каналы 2 нагнетается теплый воздух (в жаркие дни Оренбургской области его температура достигает 30-35ºС). При этом он будет подвергнут постоянной циркуляции в них по причине периодичной смены суточных температурных экстремумов, в результате чего атмосферное давление будет то повышаться (в ночное время), то понижаться (в дневное). К тому же, значение атмосферного давления в течение одного светового дня не постоянно, и может колебаться с определенной амплитудой. Более того, учитывая внушительную протяженность подпочвенного воздуховода – равной длине или ширине поля, – выходы на поверхность подводящих каналов на противоположных концах воздуховода окажутся в разных температурных средах. По мере движения солнца, некоторые из них будут затенены кулисами, некоторые останутся под его лучами. Периодически эта ситуация будет меняться. В этом и заключается основная движущаяся сила циркуляции воздуха в подпочвенной системе.

Процесс взаимодействия теплого воздуха с относительно прохладными стенками воздуховода, приведет к образованию на них частичек влаги. Капли воды будут скатываться на его дно и пропитывать почву в непосредственной близи от корневых систем зерновых культур, что позволит использовать влагу без потерь – своего рода аналог капельному орошению, применяемому в Израиле, Японии, Китае и Северной Африке.

В конечном итоге, для общего представления о предлагаемом способе земледелия, далее приводится последовательность его выполнения. Прежде всего, в весенний период осуществляется посадка кулис из многолетних бобовых трав в виде полос, отстоящих друг от друга на  70 – 80 см. Осенью, во время последнего укоса, на поле из зеленной массы бобовых трав создается мульчированный слой. На следующий год, когда кулисы окрепнут, производится высев зерновой культуры в межкулисье параллельно рядкам бобовых трав, с одновременной прокладкой подпочвенных воздуховодов и вертикальных подводящих каналов специально оборудованным агрегатом. Его отличительной особенностью является наличие рабочего органа «крот» диаметром 5 см с плунжерным гидравлическим принципом действия, находящемся между двумя сошниками прямого посева, но в отличие от них заглубляющимся в почву на 40-50 см, за которым следуют прикатывающее колесо шириной 12 см, вертикальный перфорирующий бур диаметром 2,5 см, и распределительная планка, предназначенная для равномерной укладки слоя мульчи между кулисами после прохода агрегата.

Список использованной литературы

  1. Мамиев Д., Гериева Ф. Адаптивно-ландшафтные системы земледелия РСО-Алания: проблемы и задачи // СК НИИ ГПСХ, с. Михайловское, РСО-Алания – 2014 – С.4.
  2. Лагуткин Н.В. Разумное земледелие. Пенза, 2013. С.15-72.
  3. Буренок В. П., Язева Л. А., Кукшенева Т. П. Прямой посев при нулевой обработке почвы.// Достижения науки и техники АПК. 2009. № 9. С. 25-27.
  4. Орешкин М.В. Агроэкологические особенности оптимизации содержания гумуса // Политематический сетевой электронный научный журнал КубГАУ. 2010. №61. С. 314-330.
  5. Патент 2260929 РФ, МПК7 А 01 В 79/02. Способ создания пролонгированного кулисного пара [Текст] / Н.А. Зеленский, Е.П. Луганцев, М.В. Орешкин.- № 2003131217. – Заявлено 23.10.03; опубл. 20.05.05.-Бюл.№27.
  6. Гулянов Ю., Досов Д. Особенности формирования площади листьев и фотосинтетического потенциала при различном сочетании приёмов удобрения озимой пшеницы на чернозёмах южных оренбургского Предуралья // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2014. №3. С. 26-29.
  7. Полякова Л.С., Кашарин Д.В. Метеорология и климатология. Новочеркасск, 2004. 107 с.