У к р а и н с к а я академия аграрных наук Национальный научный центр « И н с т и т у т почвоведения и а г р о х и м и и им. А . Н . С о к о л о в с к о г о » В. В. Медведев Твердость почвы Х А Р Ь К О В - 2009 УДК 631.41 В.В.Медведев. Твердость почв. Харьков. Изд. КГ1 «Городская типография», 2009, 152 с. Книга написана с целью популяризации твердости почв и ее более широкого использования в почвоведении, земледелии и земледельческой механике. Рассмотрены факторы, влияющие на твердость, значение показателя для диагностики физического состояния почв, классификации почв по твердости, методы и приборы для измерения, использование для проектирования почвообрабатывающих орудий. Приведены параметры твердости в почвах различного генезиса, состава и свойств. Показаны примеры выбора с п о с о б о в и орудий обработки по данным твердости почв. Подробно оценены перспективы использования твердости для изучения пространственной неоднородности почвенного покрова и использования в точном земледелии. Книга предназначена для научных работников, преподавателей сельскохозяйственных вузов и специалистов в области почвоведения, земледелия и земледельческой механики. V.V.Medvedev. Soil Penetration Resistance. Kharkiv. «13 Press», 2009, pp. 152 The book is written with the purpose of popularization of soil penetration resistance (SPR) and its wider use in soil science, agriculture and agricultural mechanic. The factors influencing on SPR, value of a parameter for diagnostics of a soil physical condition, classifications on SPR, methods and devices for measurement, use for designing soil-cultivating instruments are considered. Parameter of SPR in soils various genesis, composition and properties are resulted. Examples of a choice of methods and instruments of soil tillage according to SPR are shown. Prospects of use of SPR for studying spatial heterogeneity of a soil cover and use in precise agriculture are in detail estimated. The book is intended for science officers, teachers of agricultural high schools and experts in the field of soil science, agriculture and agricultural mechanic. Рецензенты: проф., доктор с.-х. наук, академик УААН А.Г.Тарарико, проф., доктор с.-х. наук, член-корреспондент УААН Р.С.Трускавецкий Книга рекомендована к печати Ученым Советом ИНЦ «Институт почвоведения и агрохимии им. А.Н.Соколовского» (протокол № 1 2 от 15 сентября 2009 г.). ISSN № 978-966-1664-30-1 © Национальный научный центр «Институт почвоведения и агрохимии им. А.Н. Соколовского» СОДЕРЖАНИЕ Предисловие 5 1. Определение 8 2. Факторы, влияющие на твердость почв 14 3. Методы и приборы для измерения 17 4. Классификации почв по твердости 35 5. Твердость в почвах различного генезиса, состава и свойств 37 6. Твердость как индикатор физических, физико-механических и технологических свойств почв 53 7. Твердость и конструирование почвообрабатывающих орудий..63 8. Твердость и выбор способов обработки 69 9. Твердость как средство контроля качества почвообработки ....80 10. Твердость и нормирование механизированных полевых работ 83 11. Твердость и продуктивность сельскохозяйственных культур 85 12. Твердость в точном земледелии 88 13. Перспективы использования твердости в мониторинге, почвенных исследованиях и агрономической практике 112 Заключение 116 The General Conclusion 121 Литература 125 Приложения : 133 1. Структура базы аналитической информации о свойствах почв Украины, собранной в рамках международного проекта ЕС INCOCOPERNICUS "Subsoil overcompaction of the Central and Eastern European countries" (фрагмент твердость почв) 133 2. Примеры измерений твердости в почвах Украины 134 3. l-D-диаграммы твердости почв Полесья и Лесостепи 139 3 The contents The foreword 5 1. Definition 8 2. The factors influencing on soil penetration resistance 14 3. Methods and devices for measurement 17 4. Classifications of soil penetration resistance 35 5. Penetration resistance in soils of various genesis, composition and properties 37 6. The soil penetration resistance as the indicator of physical, physical-mechanical and technological soil properties 53 7. The soil penetration resistance and designing of soil-cultivating instruments 63 8. The soil penetration resistance and a choice of tillage ways 69 9. The soil penetration resistance as means of quality assurance of soil tillage 1 80 10. The soil penetration resistance and'normalization of the mechanized field works 83 11. The soil penetration resistance and efficiency of agricultural crops 85 12. The soil penetration resistance in precise agriculture 88 13. Prospects of the soil penetration resistance use in monitoring, soil researches and agronomical practice 112 The General Conclusion 121 The literature 125 Appendices 133 1. The structura of analytical information for databases on soil properties of the Ukraine, collected in the framework of international project of EC INCO-COPERNICUS "Subsoil overcompaction of the Central and Eastern European countries" (part on penetration resistance).. 133 2. The examples of penetration resistance measurements in soils of the Ukraine 134 3. 1-D-diagram of soil penetration resistance for soils of Polyssja and Forest Steppe 139 4 ПРЕДИСЛОВИЕ Твердость - важный генетический и агропроизводственный показатель, с помощью которого характеризуют физикомеханические свойства почв, точнее сопротивление почвы росту корней, либо сопротивление почвы, которое нужно преодолеть почвообрабатывающему рабочему органу в процессе ее обработки. Впервые твердость почв стали измерять еще в 19 веке с появлением соответствующих приборов. Объективности ради следует отметить, что вначале твердость изучали вовсе не с агрономическими целями. Оказалось, что с помощью показателей твердости можно было прогнозировать оползень (сдвиг почвы по склону), устанавливать строение геологических слоев быстрее и дешевле, чем это делалось бурением скважин. Наконец, по данным твердости даже прогнозировали сход снежных лавин, ибо сила сцепления между гранулами снега при определенном увлажнении стремилась к нулевому значению и была точным предвестником лавины. Твердость нашла широкое применение в строительном деле для контроля прочности дорог, дамб, аэродромных полос, других земляных сооружений, в инженерной геологии, но, конечно, более всего в агрономии, почвоведении и земледельческой механике. Однако до сих пор, несмотря на существенно возросший уровень измерения (даже в режиме on-line одновременно с проведением обработки почв) определение твердости не получило широкого распространения ни в агрономической практике, ни в конструировании почвообрабатывающих орудий. Да и в исследовательской работе при проведении полевого опыта по обработке почв, либо в почвенно-географических и мелиоративных обследованиях этот показатель не пользуется популярностью. Нам представляется такое отношение к твердости, исключительно информативному и легко определяемому показателю, несправедливым. В книге, которая предлагается Вашему вниманию, мы хотели бы изменить сложившееся положение. В частности, будут продемонстрированы значительные возможности оценить по твердости обрабатываемый слой как среду функционирования корней, выбрать тот или иной способ либо глубину обработки, получить, наконец, ясное представление о качестве выполнения практически любой агротехнической операции, связанной с рыхлением почвы. Твердость в почвах изменяется в широких пределах - от О, когда почва находится в текучем состоянии, до примерно 1000 кПа, когда почва практически лишена свободной влаги и 5 максимально консолидирована. В силу значительной зависимости твердости от влажности объективно сложно сопоставлять данные различных объектов между собой. Однако если учесть, что обработка большинства почв и особенно весной проводится в состоянии увлажнения, равного или близкого к физической спелости, то сравнения показателей между собой становятся вполне корректными. Более того, выясняется, что твердость зависит не только от влажности почв, но и от содержания в почве органического вещества, состава поглощенных катионов, соотношения структурных агрегатов, и очень заметно от гранулометрического состава. Твердость явилась важным критерием начальных процессов слитообразования. Все это обусловливает перспективность использования твердости не только в агрономических, но и в почвенногенетических исследованиях. Во время роста корня, при передвижении почвообрабатывающего орудия в почве происходят разнообразные физикомеханические процессы расклинивания, сдвига, преодолеваются силы внутреннего сцепления. Обобщенным адекватным индикатором этих процессов, конечно же, является твердость. С помощью твердости легко установить конфигурацию плужной подошвы и решить вопрос о том, нужно или не нужно ее разрушать. В равной степени это же можно отнести к почвенной корке, твердость которой определяет выбор орудия для рыхления почвы и в этом случае. Твердость - незаменимый показатель для оценивания условий прорастания семян и их развития на первых этапах онтогенеза, в том числе оценивания способности корневых волосков осваивать не только меж-, но и внутриагрегатное пространство. Значит, показатель твердости способен оценить не только прочность комка, но и качество сложения, причем такую оценку практически нельзя получить, используя традиционный показатель плотность сложения. Для твердости продолжают находить новые сферы приложения. Например, с помощью пенетрометрирования, пожалуй, впервые, создали 2-х и 3-х-мерные почвенные карты, нашедшие в дальнейшем широкое использование в точном земледелии. Более широкие перспективы использования показателя твердости в будущих почвенно-агрономических исследованиях можно связывать с диагностикой состояния почвы перед посевом, выбором способа обработки, оценкой качества обрабатываемого слоя после обработки. Но не только с этим. Твердость с помощью современных технических средств, как это будет 6 показано в книге, настолько просто измерить, что делает очень нужным использование этого показателя для изучения неоднородности физического состояния почв в пространстве поля, а, значит, в точном земледелии. Вместе с тем, мы не имеем намерения отвергать применение показателя плотности сложения как фундаментальной характеристики физического состояния обрабатываемого слоя почв и заменять ее твердостью. В контексте данной книги, да и в других наших работах, обе оценки используются как взаимодополняющие, а не исключающие друг друга. Цель данной книги - содействовать более широкому использованию показателя твердости в исследованиях и в агрономической практике. С нашей точки зрения, особенно перспективна твердость для оценки физического состояния обрабатываемого слоя весной перед проведением предпосевной обработки, когда, повторяем, негативное влияние изменчивости влажности почв на вариабельность твердости уменьшается. Использование показателя твердости в дополнение к показателю плотности сложения позволит получить более совершенную оценку физического состояния почвы, улучшить почвообрабатывающие орудия и эффективность их эксплуатации. Книга написана на основании материалов лаборатории геоэкофизики почв ННЦ «ИПА им. А.Н.Соколовского», собранных в процессе проведения полевых опытов и экспедиционных работ. В книгу включены также материалы, полученные в содружестве с Волынским т Черниговским производственными центрами охраны плодородия почв и качества продукции, Харьковским национальным агроуниверситетом им. В.В.Докучаева, а также материалы, полученные во время выполнения международного проекта, финансируемого американским фондом CRDF (Real-time technology for direct in-situ measurement of soil fertility parameters for spatial databases to support precision agriculture), а также международного проекта Европейского сообщества INCO-COPERNICUS "Subsoil overcompaction of the Central and Eastern European countries". Автор признателен всем сотрудникам, принимавшим участие в работах. Особую признательность автор выражает кандидатам с.-х. наук Т.Е.Лындиной, Т.Н.Лактионовой и И.В.Плиско, с которыми автор длительное время сотрудничал в рамках этой тематики. 7 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ Твердость - сопротивление почвы проникновению в нее тела (металлического плунжера) определенной формы. Обычно это клин (для очень твердых почв и пород), конус, шар или плоский диск (для умеренно твердых и распахиваемых почв). Измеряется в кгс/см 2 или в подобных единицах - Н/м 2 , Па, кПа, мПа (1 кгс/см 2 = 1 х 105 Н/м 2 = 1 х 10 2 Па = 1 х 10"3 кПа = 1 x 1 0 ° мПа). Показатели твердости легко трансформировать в работу (измеряемую, как известно, в джоулях), если затраченное усилие умножить на расстояние, которое преодолевает в почве наконечник твердомера. Последнее, как покажем далее, при определенных условиях может использоваться в нормировании операций по обработке почв. Твердость рассчитывается следующим образом: Т = h cp q/S, где: Т - твердость почвы, в любой из указанных единиц; hcp - величина средней ординаты на твердограмме, м или см; q - масштаб пружины, Н / м или кг/см; S - площадь плунжера, м 2 или см2 За рубежом (больше всего в США) рассчитывают аналогичный показатель, называемый коническим индексом. Графически твердость удобнее всего демонстрировать на профильной одномерной (1-D) диаграмме, пример и интерпретация которой приведены на рисунке 1.1. Разумеется, наиболее низкую твердость имеют верхние слои распахиваемых почв. Обычно в посевном слое (0-10 см) твердость редко превышает 5-10 кгс/см 2 . В случае прохождения плунжера через слои с более крупной структурой или с более высокой плотностью показатели твердости несколько возрастают. Глубже в зависимости от времени спустя после последней глубокой обработки твердость сохраняет постоянные значения либо постепенно возрастает в переделах 10-20 кг/см 2 . Наибольший подъем соответствует переходу от пахотного к подпахотному слоям, где размещается плужная подошва. Здесь твердость может возрасти до 30-40 кгс/см 2 и выше. Глубже твердость несколько снижается и далее остается постоянной. Как видно из рисунка, равновесная твердость достаточно ясно корреспондирует с равновесной плотностью сложения и наличием в почве глыбистой структуры. Чем ее содержание выше, тем выше и твердость. На такую особенность твердости обратил внимание П.В.Горохов (1990). На рисунке определения вы- полнены в мае, спустя 50 дней после последней культивации на глубину 10-12 см. Рис. 1.1. Характерные показатели твердости, плотности сложения и структурного состава чернозема типичного тяжелосуглинистого в равновесном состоянии (п. Коммунар, Харьковского района, Харьковской области, средние измерения в мае). Старейшим способом определения твердости является большой палец руки, с силой вводимый в почву. Правило «большого пальца» таково: палец, погруженный в почву полностью, дает значение твердости 1 мРа, до первого сустава 0,5 мРа, до второго - 0,25 мПа. Когда на почву действует клин или конус, то в результате мы оцениваем сопротивление почвы расклиниванию, плоский диск (как в твердомере Ревякьна) или шар - скорее сопротивление почвы сдавливанию. При этом фактически оценивается сопротивление почвы уплотнению. Не случайно иногда твердомеры, имеющие в качестве плунжера плоский диск, не совсем точно называют плотномерами. Более того, эти недоразумения были даже закреплены в ГОСТе СССР 2911-54, согласно которому сопротивлению почвы сдавливанию (сжатию) называлось средней плотностью почвы, а прибор - плотномером. Твердость обычно измеряется твердомерами различных конструкций, с плунжерами различной формы. П.У.Бахтин (1969) обобщил ранее известные данные об изменении сопротивления почвы от типа плунжера. Например, в исследованиях Афанасьева сопоставлялись плунжеры с площадью поперечного сечения от 5 до 0,7 см 2 .Оказалось, что кривая удельного сопротивления вдавливанию резко возрастала с уменьшением поперечной площади наконечника. Это сопротивление подчинялось уравнению гиперболы: 9 Y w = d /Хр, где Y - сопротивление вдавливанию (кг); a - постоянный коэффициент; X - поперечная площадь плунжера (см 2 ); показатель степени Тот же эффект достигался и при уменьшении периметра плунжера. Существенное изменение сопротивления в зависимости от параметров плунжера объяснялось различной деформацией почвы при вдавливании плунжера. Если поперечное сечение невелико, то почва в большей мере разрезается, чем сминается. П.У. Бахтин, в конце концов, нашел оптимальное соотношение между боковой и поперечной поверхностями плунжера для получения сопоставимых результатов при изучении сопротивления генетически различных почв. Этим же исследователем были сопоставлены величины сопротивлений в зависимости от типа плунжера - цилиндра, конуса, шара, эллипса. Различия в величине сопротивлений были очень значительны. Результаты этих работ находились в противоречии с исследованиями М.Х. Пигулевского (1936), у которого форма плунжера не влияла на величину сопротивления вдавливанию. В этих работах под плунжером независимо от его формы образовывалась «луковица» - зона распространения давления, затухающая с глубиной, ставшая впоследствии классической моделью описания деформации под колесом трактора. Но, как оказалось, это всего лишь частный случай вертикального приложения статической либо динамической нагрузки. В действительности, деформация почвы в зависимости от параметров деформатора может приобретать самые разнообразные формы и даже не образовываться вовсе, если деформатором выступает клин с небольшим углом атаки. К сожалению, интерес к такого рода работам у почвоведов и конструкторов почвообрабатывающих рабочих органов со временем пропал. А напрасно! Ведь большое разнообразие почв и их прочностных характеристик определяет необходимость соответствующего разнообразия рыхлящих орудий. Стандартные рабочие органы, какие доминируют сейчас, должны быть заменены на адаптивные, приспособленные к разнообразию почвенных условий. Принципиально различный конечный результат получают в зависимости от угла атаки клина. В США в качестве стандарта используется клин с углом атаки 30° (ASAES, 313.3,1999). В связи с этим в США твердость чаще всего называют «Soil Cone-Penetration Resistance». В других странах ю используются твердомеры с углом атаки клина от 30 до 60°. Кстати, чем больше угол атаки плунжера твердомера (и соответственно расклинивающего рабочего органа почвообрабатывающего орудия), тем выше сопротивление почвы (и соответственно более энергоемка ее обработка). Такие орудия нужны для плохо крошащихся почв (например, солонцов или уплотненных почв). Напротив, для суглинистых черноземов с хорошей структурой предпочтение следует отдать рабочим органам с минимальным углом атаки рабочих органов. Имеет значение и направление приложения нагрузки во время измерения твердости. Следует указывать вертикально или тангенциально погружается в почву твердомер. Кстати, результаты при этом получаются различными в силу анизотропности строения почвы. По данным П.У.Бахтина (1969), твердость и влажность связывает преимущественно нисходящая прямолинейная зависимость типа (рис. 1.2): Т = - 0,472W + 59,15, где Т - искомая твердость (кгс/см 2 ); W - относительная влажность почвы ( % ) Т. кг/см" 50 40 30 20 10 о 0 140 Wo, % Рис.1.2. Изменение твердости в пахотном слое чернозема обыкновенного (1) и дерново-подзолистой (2) почв в зависимости от влажности Примером решающего влияния влажности на показатели твердости служит рисунок 1.3, заимствованный нами из работы Young et al. (2000). 11 Объемное содержание влаги (м"'м 3 ) 0.18 0.22 0.26 0.30 0 34 Рис.1.3. Влияние влажности на сопротивление пенетрации, установленное с помощью твердомера с коническим наконечником Как увидим далее, зависимость твердости от влажности близка к линейной. Это обстоятельство открывает путь к более широкому использованию показателя твердости в производственных условиях. Например, по твердости установить, спелая почва или нет, выбрать активный или пассивный способ подготовки почвы к посеву или для проведения основной обработки. Для этого всего лишь нужно найти для зоны своей деятельности зависимость твердости от влажности и для ключевых ее диапазонов (например, для состояния спелой почвы, когда проводится обработка весной, или для состояния пониженного увлажнения, когда почва пашется) и нормативы оценки прочности почвы. Например, обычно весной чернозем типичный тяжелосуглинистый в посевном слое в состоянии влажности физической спелости имеет показатели твердости в пределах 3-10 кгс/см 2 . В этом случае предпосевное рыхление почвы для большинства культур, за исключением мелкосемянных, не требуется. Если же почва при том же состоянии физической спелости имеет твердость в посевном слое свыше 10 кгс/см 2 , то рыхление почвы обязательно. Осенью оценки твердости почвы осуществляются с учетом поправки на пониженную влажность, которая примерно составляет 0,60-0,65 от физической спелости (В.В.Медведев и др., 2007). Следует обратить внимание на то, что параметры твердости супесчаной дерново-подзолистой почвы при равной влажности почти на 10-15 кгс/см 2 меньше в сравнении с тяжелосуглинистой почвой. Конечно, это сравнение не совсем корректно, так как почвы содержат неодинаковое количество ор12 ганического вещества. Тем не менее, этот факт подтверждается во многих других случаях: почвы легкого гранулометрического состава менее тверды, чем почвы тяжелые. В зависимости от гранулометрического состава меняются абсолютные показатели твердости (легкая плохо оструктуренная почва имеет более высокие показатели, чем хорошо оструктуренная почва среднего грансостава), но соотношения в показателях твердости между сухой и влажной почвами остаются практически неизменными. Сухая почва в 2-3 раза тверже влажной. Следовательно, при определении твердости нужно обязательно указывать, с помощью какого плунжера и каким образом (при каких условиях) были произведены измерения. С одной стороны, такой разнобой получаемых оценок, кажется, требует стандартизации. И это, вероятно, было бы полезно. С другой, использование разных методов измерения твердости позволяет получить углубленную оценку различных видов сопротивлений почвы, что, кажется важным как в агрономическом отношении, так и особенно для конструирования энергоэкономных рабочих органов почвообрабатывающих машин. Не кажется нам недостатком, что измерения производятся in situ (непосредственно в полевых условиях при естественной влажности почв). Ведь почва в зависимости от уровня увлажнения может быть пластичным, упругим либо почти твердым телом. Исследование прочности почвы в каждом из этих состояний представляет практический и теоретический интерес. Ведь плотность сложения как оценка массы сухой почвы в единице объема имеет при этом куда более скромные информационные возможности. Таким образом, в отличие от плотности сложения, являющейся весовой, массовой характеристикой почвы, твердость - силовая, прочностная характеристика. С ее помощью оценивают величину сопротивления почвы при воздействии на нее тел определенной формы. Именно поэтому твердость является явно предпочтительной характеристикой при оценке почвы как среды для функционирования корней или как объекта механической обработки. 13 2. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ТВЕРДОСТЬ ПОЧВ Итак, твердость - мера механической проницаемости почв. Можно сразу же установить две группы факторов, от которых зависит твердость почвы. Это конструктивные особенности плунжеров и собственно почвенные факторы, определяющие способность почв к сопротивлению. Обычно при исследовании распахиваемой почвы предполагается, что ее сопротивление невелико. Поэтому рабочая поверхность (форма) плунжера выбирается преимущественно плоская. Но уже при определении сопротивления более глубоких горизонтов профиля плоский плунжер не годится и его нужно заменить клином или конусом. При этом нужно точно учесть площадь контакта конуса с почвой при его погружении в почву. Если применяется большой набор сменных плунжеров, и все они снабжены соответствующими параметрами (угол атаки, площадь контакта, усилие трения почва-сталь и другие), то манипулирование плунжерами в процессе исследований позволяет получить многочисленные прочностные характеристики почвы: - несущую способность (начало разрушения почвы при применении плоского плунжера, или, если в качестве объекта взят макроагрегат, то его структурную связность); - относительную плотность (усилие сдавливания почвы до начала ее разрушения); - боковой сдвиг (усилие разрезания почвы конусом или клином); - размеры зоны пластичного и непластичного сжатия почвы в контактной зоне плунжера с почвой. Такие исследования позволяют развить теорию формирования, динамики и разрушения прочности почвы. К сожалению, в почвоведении эти измерения не получили распространения, хотя они безусловно дали бы новую информацию для интерпретации роста корней и работы почвообрабатывающих орудий в зависимости от прочностных особенностей почв. Да и для интерпретации процесса разрушения почвы под действием атмосферных осадков. Ведь механизмы этих казалось столь различных процессов фактически подобны - речь идет о преодолении сопротивления почвы и формировании либо нового тела, когда почва необратимо разрушается, либо мягком пластичном варианте, когда почва лишь видоизменяется. Одновременно подчеркнем: исследования твердости с помощью разнообразных плунжеров проливают свет на процессы 14 физической деградации почв и ее причины, а также содействует формулированию требований к воздействиям, которые не приводили бы к необратимым деформациям. Конические плунжеры также должны различаться, если полученные результаты измерения твердости предполагается использовать для интерпретации данных о росте корней либо о работе почвообрабатывающих орудий. Ведь параметры сопротивления в том и другом случаях существенно различны. Для этого плунжеры должны снабжаться так называемыми коэффициентами проницаемости. В США разработаны нормативы (стандарты) для такого рода коэффициентов (ASAES, № 313.3, 1999). Коэффициент проницаемости конического плунжера означает соотношение между степенью и силой проницаемости. Первый показатель определяется параметрами плунжера, второй - степенью рассеяния давления в самой почве. В результате при небольшом коэффициенте воспроизводится процесс проникновения корней в почву, когда же коэффициент растет - процессы, приблизительно подобные взаимодействию рабочего органа орудия с почвой. Кроме угла атаки конуса на величину сопротивления пенетрации оказывает влияние шероховатость поверхности конуса и скорость погружения плунжера в почву. В уже упоминаемом стандарте США не рекомендуется применять конические пенетрометры с шероховатой поверхностью, так как, чем она более выражена, тем выше сопротивление почвы. Сопротивление проницаемости состоит из двух основных сил: (i) силы, деформирующей почву наконечником конуса, и (ii) силы трения почвы о металл. Для любого диаметра конуса, если его угол уменьшается, неизбежно увеличение его длины, а это значит, что значительно увеличивается площадь поверхности. Конус с углом 30° использован как компромиссное решение, ибо для конуса с углом менее 30° сопротивление обычно уменьшается, а для конуса с углом, превышающем 30°, сопротивление увеличивается. Взаимное трение почвы становится доминантной сопротивления, когда тело почвы формируется на поверхности конуса из-за возрастания угла конуса. Увеличение (величина, амплитуда) влияния угла конуса зависит от величины силы сцепления почвы и его взаимодействия с зондом. Трение почвы о металл также имеет свой стандарт, обоснование которого приведено выше и взято из соответствующего документа США (ASAES, 313.3, 1999). Американский институт стали разработал 416 видов конусов с углом атаки 30° с 15 известными параметрами шероховатости, которые используются в поправках к измерениям твердости. Не менее важен вопрос о диаметре рабочей поверхности конуса пенетрометра в связи с его использованием на почвах с разной структурой. Нельзя допустить такую ситуацию, когда фактически будет измеряться не твердость почвы, а усилие, необходимое на преодоление межагрегатной связности и формирование трещин, либо на преодоление сопротивления отдельного агрегата. В первом случае сопротивление почвы будет очень низким, во втором - высоким. Такая ситуация возможна во многих почвах с негомогенной структурой. К сожалению, в литературе нам не удалось найти рекомендаций (и уж тем более стандарта), как поступить в этом случае, когда имеется лишь конический пенетрометр и есть необходимость провести сравнительные исследования на различных почвах. Ясно, что, кроме конического (в этом и не только в этом случаях) нужно использовать пенетрометр с плоским наконечником. Из почвенно-физических факторов, управляющих проницаемостью, на первое место следует поставить содержание воды в почве и ее энергетическое состояние. Далее из физических факторов - гранулометрический состав, плотность сложения, структурный состав, размер пор и соотношение крупных и тонких пор и другие. Как считает J.Morrison (1999), перечисленные факторы решающим образом влияют на показатель силы конуса и способность почвы сжиматься. В той же работе приведено соотношение между содержанием в почве глины и песка и изменением так называемой величины конического показателя (то есть, сопротивления почвы) в связи с ее увлажнением. Как и следовало ожидать, сопротивление почвы возрастало с уменьшением ее увлажнения независимо от соотношения глины и песка. Однако, такие процессы в почве как цементация и образование корки, динамика плотности сложения при обработке вносили коррективы в устоявшиеся зависимости. В частности, собраны данные о том, что при одинаковых величинах плотности сложения и увлажнении показатель силы конуса в почвах разного генезиса неодинаков. 16 3. МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ Для измерения твердости почв применяют пенетрометры устройства, предназначенные для введения в почву металлических тел (плунжеров) определенной формы с минимальным нарушением строения почвы. Пенетрометры бывают динамические и статические. В первых из них плунжер вводится в почву с помощью удара или падающего веса (массы). Статические пенетрометры вводят плунжер в почву медленно и постепенно, избегая динамического эффекта. Следует обратить внимание на важное и очень необходимое условие о минимальном нарушении почвы при проведении измерений. Оно соблюдается лишь при использовании конического плунжера с небольшой площадью поперечного сечения. Во всех остальных случаях и, особенно при применении плоского диска со значительной площадью поперечного сечения, в почве происходят кроме расклинивания деформации типа сдавливания и смятия. Иначе говоря, в этом случае мы измеряем комплексную сопротивляемость п 1чв к различным типам деформации. Не случайно, поэтому в США, стандартизированы и используются в практике лишь твердомеры с коническим плунжером. Жаль, что эта особенность измерения на советском и постсоветском пространстве не была учтена. Для измерения твердости почвы существует огромное количество приборов. Наиболее распространены из них твердомеры Горячкина, Качинского, Голубева, Ревякина, Высоцкого, Оганесяна. Большинство твердомеров описано в широко известных руководствах (Методическое руководство ..., 1969; П.У.Бахтин, 1969; А.Ф.Вадюнина и др., 1973). Твердомер Ю.Ю. Ревякина в силу его простоты и надежности и особенно после сравнительных испытаний, предпринятых П.У.Бахтиным (1954), постепенно вытеснил многочисленные другие приборы на советском, а впоследствии и на постсоветском пространстве и получил наибольшую известность. П.В.Горохов (1990), удлинив шток и планку для крепления диаграммы, предложил еще более удобную конструкцию твердомера Ревякина, позволяющую проводить измерения до глубины 45 см. В зарубежной практике также имеется большое количество твердомеров (пенетрометров) разнообразных конструкций (табл.3.1), особенно в тех странах, где исследования физикомеханических свойств почв, достаточно популярны (США, Великобритания Германия, Япония). В США, как уже было упомянуто, используется преимущественно конический нако17 нечник, параметры которого (угол атаки и площадь сечения) стандартизированы. Считается, что стандартизация позволяет сопоставить данные твердости, полученные на разных объектах и разными авторами. По мнению П.В.Горохова (1990), наиболее совершенный твердомер предложили J.-F. Billot et al. (1977). В качестве регистрирующего элемента в нем используется тензозвено, а погружение плунжера в почву осуществляется с помощью направляющей, что повышает точность измерений. В исследовательской практике восточно-европейских стран также использовали большое количество пенетрометров (Кирице, Кунце, Флореску-Зелингера, Гетке, Бориша и других). Отличительной их особенностью было использование не только плоских и клиновидных плунжеров, но и многих других форм. Это расширяло возможности исследования различных видов сопротивлений почв. В нашей практике был использован твердомер Ю.Ю.Ревякина, имеющий плоский плунжер с рабочей поверхностью 1 см 2 . В специальных модельных опытах применяли также другие формы плунжеров. В полевых условиях глубина погружения плунжера в почву достигала 30-40 см, охватывая пахотный и верхнюю часть подпахотного слоев, включая плужную подошву. Погружали плунжер в почву медленно, без рывков, с равномерным усилием. Количество повторностей - не менее 10 с равномерным их размещением на элементарной делянке. Обязательно определяли влажность на глубинах 0-5, 15-20, 30-40 см не менее чем в 3-х кратной повторности. Миллиметровую бумагу для помещения в самописцы готовили заранее. Заготовок было столько, сколько предполагалось выполнить погружений твердомера в течение рабочего дня. Конечным результатом определений была профильная (1D - одномерная) твердограмма с непрерывным распределением твердости по глубине. Исходные данные снимали с миллиметровки, а потом переводили в кг в соответствии с предварительной калибровкой. 1мм на миллиметровой бумаге соответствовал 1 кгс/см 2 твердости. 18 19 20 21 22 23 Широко использовали также 2-D- и 3-D (соответственно 2-мерная и 3-мерная) диаграммы. Они получаются в случае измерения твердости на поле при закладке регулярной сети точек и последующей обработки данных с помощью геостатистических средств. Примеры таких диаграмм будут продемонстрированы в книге далее. К твердомеру прилагается несколько пружин с диаметром проволоки - 3, 4 и 5 см. В зависимости от диапазона параметров твердости почв в работе использовали 1-2 пружины. Калибровали их ежегодно перед началом измерений. Калибровку проводили в лабораторных условиях, постепенно увеличивая нагрузку на пружину и одновременно записывая сжатие пружины. Нам представляется целесообразным упомянуть о некоторых новых приборах, значительно более совершенных по сравнению с известными ранее. Новые приборы позволяют вести измерения в режиме непрерывной регистрации одновременно с обпаботкой почвы, измерять влажность и некоторые другие показатели, аккумулировать результаты, статистически и графически их обрабатывать. Это твердомеры американского (www.specmeters.com) и голландского (www.eijkelkamp.com) производства, которые серийно выпускаются, а также твердомеры из Словакии (B.C.Bajla et al., 2003) и Швеции (Е. Bollenius et al., 2006). Подобные разработки ведутся и в Украине (М.М Сурду i ш., 2002; В.В. Медведев i ш., 2004). В твердомере М.М.Сурду из Украины искомый показатель получают из соотношения пуансона при его погружении в почву и величины остаточной деформации. Тензометрический датчик крепится к лапе культиватора и измерения твердости осуществляются во время выполнения обработки почвы. Изменяя форму пуансона, можно оценить сопротивление почвы различным видам деформации и использовать полученные данные не только при выборе интенсивности и глубины обработки, но и в конструировании почвообрабатывающих рабочих органов. Влажность в момент измерения твердости получают, используя кондуктометрический метод, а температуру - с помощью сопротивления медного датчика. Подобный твердомер был разработан и испытан в Швеции. Конусообразные пенетраторы с углом атаки в 30° и диаметром 6,3 см были укреплены на стойках глубокорыхлителя и позволяли производить измерения твердости на глубинах 10, 30 и 50 см. Пенетратор был соединен с сенсором фирмы Bosch, способным измерять усилия в широком интервале зна24 чений. При скорости обработки почвы 1,5 м/с твердомер фиксировал измерения каждую секунду с одновременным позиционированием (с помощью Trimble SweeEight). Итак, если измерять твердость почвы в режиме on-line с помощью наиболее совершенного твердомера (позволяющего одновременно измерять влажность почвы), можно выработать рекомендации о дифференциации обработки почвы. Нельзя не упомянуть также о многочисленных разработках, проводимых в США, с целью усовершенствования пенетрометра. В последние годы в этой стране разработаны пенетрометры с возможностью определения влажности почвы. Это достигается разными способами, в том числе наиболее перспективным из них TDR (Time Domain Reflectometer) - рис. 3.1. Соответствующий датчик вставляется в наконечник и измеряет влажность в режиме реального времени по мере погружения наконечника в почву. Наиболее известный из них пенетрометр J. Morrison (В. Lowery et al., 2002). Расширение аналитических возможностей пенетрометра повлекло за собой увеличение глубины зондирования. Появились пенетрометры с возможностями измерения нескольких характеристик (влажности, гидравлической проводимости и других) до глубины 1,5 м. В самое последнее время появились пенетрометры, оборудованные лазерно-волокнистой флуоресцентной оптикой, что позволило получать информацию о загрязнении почвы. Рис. 3.1. Синхронные измерения твердости и влажности (твердомером Моррисона) и плотности сложения (J.Morrison et al., 2000) Информационные способности пенетрации почвы еще более возросли, когда стали применять пенетрометры с разными ти25 пами наконечников (в том числе плоскими, которые ранее в США не использовались) и разной скоростью их погружения в почву. Механическое погружение стержня (почти до 2-х метров) позволило произвести глубокое морфометрирование профиля, а использование плоских наконечников расширило применение пенетрометров для изучения вспаханных поверхностей. Встречающиеся сегодня в мире твердомеры можно сгруппировать следующим образом: - лабораторные приборы. Обычно большого размера, тяжелые устройства с регулированием скоростей погружения в почву и зондирования на небольшую глубину (не более 20см). Состоят из камеры и датчика линейного потенциометра с регистрацией данных в таблицах или внесением их в журнал цифровой базы; - миниатюрные (hand-held) портативные (карманные) пенетрометры являются пружинными со скользящим индикатором. Могут быть оснащены любым типом наконечника и калиброваны. Данные наблюдаются непосредственно и регистрируются вручную; - портативные (hand-pushed) легкие устройства, обычно состоящие из стержня не более 1 м длиной, активным элементом конического типа, Т-образной ручкой для ручного применения силы на стержень. Сила может регистрироваться пружиной сжатия, гибким кольцом, электронной камерой или миниатюрной камерой, электронным линейным потенциометром. Скользящим магнитным обручем и другими устройствами регистрируется глубина погружения. Скорость погружения устанавливается оператором в зависимости от его оценки почвенных условий. Технология записи данных - от наблюдений и записей вручную до полностью автоматизированного внесения данных в журнал. Разрешающая способность измерений колеблется от 5 см для моделей со стержнем с отметками и гибкого кольца до высокого в 0,005 см в специализированных высокоскоростных цифровых моделях; - портативные мощные (powered) пенетрометры состоят из поддерживающей рамки, которая переносится и устанавливается на исследуемом участке поля вручную. Пенетрометр укрепляется в этой поддерживающей подставке и вводится в почву гидравлическим, электрическим моторизованным элементом или линейным ударом, соответствующим требуемой глубине погружения. Скорость погружения является постоянной и контролируется. Переносные пенетрометры могут применяться в поле, не повреждая сельскохозяйственные культуры и не уплотняя почву. Эти приборы, как правило, автома26 тизированные с высоким разрешением данных. Сила может регистрироваться гидравлическими датчиками или миниатюрными камерами. Глубина погружения фиксируется электронным линейным потенциометром или другим устройством со стабильным сигналом. Эти пенетрометры содержат специальные конструкции для горизонтального погружения активного элемента в профиль почвы; - мобильные пенетрометры - устройства, укрепляемые на колесах мобильного средства, на трейлерах или грузовиках. Их доставляют на исследуемый участок вместе с моторами, электробатареями или другими источниками энергии. Добавление мобильного устройства или веса грузовика увеличивает потенциальный максимум силы погружения, а длина проникающего удара может быть увеличена без ограничения требуемого веса по сравнению с другими типами пенетрометров. Эти устройства снабжены мультипенетрометрами для одновременного исследования нескольких участков, чтобы получить данные о трехмерной пространственной характеристике твердости почвы для построения соответствующей карты. Имея достаточно значительный опыт исследования твердости самых различных почв, мы хотели бы сформулировать агротребования к конструкции твердомера, которые с нашей точки зрения, в наибольшей степени удовлетворили потребности почвоведов. О глубине погружения твердомера. Измерениями желательно охватить пахотный, подпахотный и наиболее активную часть корнеобитаемого слоя почв. В этом случае оптимальная глубина погружения должна составить не менее 80 см. Конечно, не на всех почвах такая глубина окажется достижимой при условии использования ручного способа погружения. Вероятно, иллювиальные и оглеенные горизонты, особенно в подсушенном состоянии не удастся зондировать. Но в большинстве случаев возможность глубокого зондирования расширяет диагностические способности твердомера не только в агрономическом, но и в почвенно-генетическом направлениях. О разрешающей способности твердомера. Принципиально важно получить как можно более детальную характеристику твердости при погружении твердомера. Кажется вполне оправданной такая информация через 1 см. В этих условиях удастся получить данные о малейших изменениях твердости в вертикальном профиле, а при достаточной повторности и по горизонтали. Объединение таких данных позволит (пожалуй, впервые) получить реальное представление об анизотропности почвенного тела в объеме поля. Нет нужды доказывать, на27 сколько важны такие данные для обоснования точных способов обработки почв. О точности измерений. Учитывая, что точность измеряемой характеристики - управляемая величина и зависит от числа повторностей, необходимо, чтобы удовлетворительная точность достигалась при умеренном количестве повторений. Иначе говоря, примерно 8-10 измерений на площадке 10-20 м2 должны обеспечить точность не ниже 5%. Конечно, это очень приблизительные параметры, которые должны быть уточнены в полевых исследованиях на различных объектах. Главное твердомер должен давать хорошо воспроизводимые результаты. Тогда появится возможность уменьшить число зондирований до минимума (даже до одного) и одновременно увеличить их число в пространстве. При этом соответственно появится возможность изучать твердость практически в любом сложном по пестроте поле и получать надежные границы между контурами. О форме наконечника твердомера. Наиболее часто встречается клинонидная форма наконечника, которая при погружении в почву имитирует рост корня. Угол атаки наконечника 30°. В специальных исследованиях в твердомерах используются наконечники других форм - цилиндрические плоские, шаровидные и другие. Такого рода наконечники дают величины твердости, отличающиеся от клиновидных. Полученные при этом данные характеризуют взаимодействие с почвой различных почвообрабатывающих орудий и используются в расчетах затрат энергии на обработку почв и оптимизации форм рабочих органов. Конечно, оптимальным решением в этом случае было бы использование в твердомере разнотипных наконечников, что расширило бы число возможных пользователей прибора. Есть еще одно немаловажное обстоятельство. Оно касается плоского наконечника. В связи с большим возрастанием интереса к изучению уплотнения почвы под действием ходовых систем мобильных средств и достаточно большими методическими трудностями изучения этого вопроса, представляется вполне целесообразно снабдить твердомер наконечником плоского типа. При зтом появится возможность моделировать явление деформации почвы под действием нагрузки и довольно простым способом получать заслуживающую внимания характеристику. О размере наконечника. Учитывая, что твердомер должен работать на разных агрофонах - на пашне, в лесу, на целине, на многолетних травах, во влажных и сухих условиях, на каменистых, оглеенных и других почвах, размер наконечник 28 должен варьировать. Наиболее общая рекомендация, которая здесь уместна, такова: чем меньше твердость объекта, тем больше должен быть размер наконечника. К сожалению, такого рода исследования нам не известны, поэтому мы не можем дать более точных рекомендаций. Этот вопрос должен быть уточнен по мере накопления экспериментальных данных. О скорости погружения наконечника в почву. В имеющихся методиках измерения твердости почв требуется погружать наконечник твердомера в почву с равномерной скоростью или, как это рекомендуется фирмой Eijekamp, 2 см/сек. Опыт показал, что и то, и другое выдержать трудно, особенно в дифференцированнных почвах с неравномерным сложением. Конечно, трудно в условиях ручного погружения и вполне достижимо, когда наконечник погружается в почву с заданной скоростью механическим путем. Если же механическое погружение не будет предусмотрено из-за необходимости усложнения прибора и использования дополнительного оборудования, желательно каким-то образом учесть скорость, с которой наколечник будет реально погружаться в почву. Учет этой величиды, а также усилия, потраченного на деформацию почвы, позволит получить новую важную энергетическую характеристику почвы. О сопряженном измерении влажности почв. Учитывая сильную зависимость твердости от влажности почв во время измерений, очень желательно предусмотреть изучение влажности. Идеальным был бы вариант, когда твердость и влажность почв измерялись бы одновременно. Однако, так так в серийных пенетрометрах такая возможность пока отсутствует, можно предложить более простой подход. Так как влажность почв в автоморфных (и выравненных) условиях обычно определяется рельефом (повышенные места обычно подсушены, пониженные - увлажнены), поле следует разбить на однотипные по рельефу участки и определить влажность почв только в контрастных участках. Таким образом, количество мест для определения влажности почв можно резко сократить. Сопряженное измерение твердости и влажности почв на всего лишь на нескольких делянках позволяет найти зависимость твердости от влажности, получить соответствующую кривую или поправки и рассчитать достаточно точные значения твердости на всех остальных делянках. Об организации измерений твердости почв в полевых условиях. Этот раздел мы решили рассмотреть подробно, так как на его основании должны быть разработаны технические требования к твердомеру, программные средства автоматиза29 ции получения, накопления и последующего использования информации, и, главное, компактный, недорогой и легкий твердомер. При исследовании твердости почв в зоне Полесья 1 точка (как одно измерение) закладывается на 4-5 га, Лесостепи 10-15 га, Степи - 20-30 га. Названные нормативы мы рассматриваем как экспертные, подлежащие уточнению по мере накопления массовых данных. Такого рода придержки пригодны в случае крупномасштабного картирования. В иных случаях (при детальном картировании) нормативы не известны, ибо подобные работы не проводились из-за отсутствия подобного оборудования. Если цель работы состоит в определении сравнительной твердости почв на отдельных вариантах опыта, то соответствующие измерения производят на делянке, используя всю ее площадь. Точки в двух названных случаях размещаются во взаимно перпендикулярных направлениях через равные промежутки. План опробования составляется заранее. На план поля или делянки наносится сеть. Измерения осуществляются в точках пересечения направлений. Если необходимо установить, как изменяется твердость в зависимости от типа ходовой системы ходовой сельскохозяйственной техники, то измерения производят в колеях и рядом с ними, выбирая не менее 10 повторений в каждом варианте. Схемы размещения точек для 3-х описанных случаев показаны на рис 3.1. Рис.3.1. Схемы размещения точек при исследовании твердости почв в поле (а), в опыте (б) и в колее движения мобильных агрегатов (в). 30 Учет измерений следует вести, сопровождая их следующими данными: - объект (название хозяйства, близлежащего населенного пункта); - фамилия исследователя; - номер поля, варианта; - географические координаты (начальной точки); - название и состояние агрофона (пахота, стерня, культура и т.д.); - тип наконечника в твердомере; - номер измерения (см. рис.3.1); - дата измерения (число, месяц, год); - на панели прибора желателен счетчик, учитывающий количество произведенных измерений или количество остающихся неиспользованных измерений). Если между соседними точками опробования твердости будет отмечена большая разница (больше чем 100-150 кПа), то шаг уменьшают в два раза. Если различия продолжают оставаться значительными, шаг уменьшают еще раз. Это означает, что нужно вернуться на 1/2 или на 1/4 пройденного пути от предыдущей точки. Измерения желательно осуществлять в кгс/см 2 или в кПа. Шкала в приборе должна быть в широком диапазоне от 0 до 80 кгс/см 2 . При этом, примерно начиная с 50 кгс/см 2 нужно использовать наконечник малого размера, в пределах этой величины - максимального размера. Некоторые требования к обработке данных твердости почв. Кажется, наилучшим и экономным может быть вариант, когда в поле будут осуществлены измерения, полученные данные пространственно зафиксированы, упорядочены, собраны на современном носителе (flash-memory) и доставлены в лабораторию. При этом объем исследований и соответственно минимальный объем памяти носителя должен быть рассчитан на один полный рабочий день. Разумеется, если исследования предполагается вести в экспедиционном режиме (без длительного возвращения в лабораторию), требования изменяются в сторону существенного увеличения памяти носителя. 31 Доставленные в лабораторию данные должны в первую очередь быть подвергнуты вариационно-статистической обработке с целью выявления средних значений, их ошибок, точности, коэффициента вариации и др. Далее, компьютерная обработка данных должна: описать распределение твердости почв в двухмерном виде в единичном профиле, отдельном слое, горизонте и в случае необходимости получить синтезированную картину для поля или его части; - описать твердость почв в трехмерном измерении (в объеме поля или его части, слое, горизонте); выявить и оконтурить (в случае картографического изображения) оптимальные и неоптимальные (сильно отклоняющиеся от оптимума) величины (зоны); - - предусмотреть выдачу на дисплей (после демонстрации карт твердости почв) рекомендаций типа: на этой части поля (с соответствующим показом) требуется глубокое рыхление, так как твердость превышает критические величины 40 кгс/см 2 ; на этой части поля (также с показом) не требуется никаких обработок, так как твердость находится в оптимальном диапазоне - 15-20 кгс/см 2 ; на этой части поля требуется прикатывание, так как твердость почв ниже 5 кгс/см 2 . Возможен другой вариант решения, когда все этапы обработки данных осуществляются непосредственно в поле, а конечный их результат в виде готовой директивы поступает в почвообрабатывающий агрегат, снабженный устройством для восприятия информации и способный осуществить дифференцированную (точную) обработку. Некоторые дополнительные требования. Выше рассмотрены агрономические требования к твердомеру при условии его использования с целью: - изучения распределения твердости в профиле почв до глубины 80 см; - планирования точных дифференцированных по глубине и, возможно, по способу или орудию технологий обработки. 32 Вместе с тем, использование показателей твердости в других целях может потребовать удовлетворения некоторых дополнительных требований. Твердость как важный и относительно просто определяемый энергетический показатель может использоваться при разработке новых вариантов почвообрабатывающих орудий. Цель таких исследований может состоять в разработке энергомалоемких рабочих органов для рыхления так называемых проблемных почв - сцементированных, слитых, плотных, плохо поддающихся крошению и не создающих после прохода оптимального строения почв. В этих случаях вместо стандартных наконечников должны использоваться прототипы самых разнообразных крошащих почву рабочих органов, на основании сравнения которых (например, в условиях исследования в почвенном канале) удастся разработать оптимальные по основным техническим элементам (форме, углу атаки, площади контакта и др.) орудия. Твердость может использоваться вместо удельного сопротивления почв - очень популярного и пока незаменимого показателя, используемого в нормировании механизированных полевых работ. Кстати, удельное сопротивление пахотных почв последний раз в Украине проводилось 30-40 лет назад и с тех пор ни разу не повторялось. Нет нужды даже комментировать, насколько устарели эти данные и особенно в связи с тем, как изменился за это время состав используемых в сельском хозяйстве машинно-тракторных агрегатов. Поэтому вопрос обновления нормативов на обработку почв становится чрезвычайно актуален. Если использовать для этих целей твердость (а с теоретической точки зрения такая замена вполне корректна), то необходимо данные твердости при погружении наконечника в почву пересчитать в работу и вывести их на дисплей. Если при этом предусмотреть получение в сопряженном режиме данных расхода горючего во время обработки, то может быть решена важная народно-хозяйственная задача. Подобного рода преобразования данных твердости позволят расширить прикладные аспекты использования твердомера. Например, при оценке эрозионной устойчивости почв. К сожалению, в большинстве моделей, описывающих процесс эрозии, 33 вместо корректных в этом случае прочностных показателей обычно используются массовые характеристики водоустойчивости. А ведь процесс эрозии - это не разрушение почв в результате взаимодействия с водой по типу методики Саввинова или распространенной в США подобной методики Иодера, а разрушение почв в результате сдвиговых явлений. Использование в этих случаях твердости несравненно корректнее. Для того, чтобы такая замена стала возможной, нужно всего лишь использовать наконечник с минимальным углом атаки и процесс измерения адаптировать к процессу эрозии. Еще более перспективно использование твердомера при решении ряда агрономических вопросов. Кроме отмеченных, укажем еще два. Это использование твердомера для определения несущей способности почв, важного явления при интерпретации буксования мобильных агрегатов и их проходимости в сложных условиях. К сожалению, использование твердомеров в этих целях не исследовано (нам, по крайней мере, такие работы не известны). Можно лишь обозначить перспективным использование специальных наконечников, имитирующих форму шин или гусениц. Наконец, кажется актуальным использование твердомера для определения физической спелости почв. Здесь вероятно не потребуется каких-то особенных дополнительных преобразований. Потребуется лишь более тщательная обработка зависимости твердости от влажности и выявление на этой кривой диапазона показателей твердости, соответствующих мягкопластичному состоянию, при которых почва наилучшим образом крошится с минимальными затратами энергии. 34 4. КЛАССИФИКАЦИИ ПОЧВ ПО ТВЕРДОСТИ Н.А. Качинский, П.У. Бахтин (1969) и другие разработали классификации почв по твердости (табл. 4.1). Так как твердость зависит от формы наконечника и влажности во время измерения, классификация учитывает эти параметры. Правда, повторим, от формы и размеров плунжера зависит характер его взаимодействия с почвой. В частности, плоский плунжер значительного размера не столько разрушает почву, сколько ее сжимает и лишь после исчерпания сопротивления почвы сжатию начинается ее разрушение. Для того чтобы классификационные оценки по твердости соответствовали существу прочностных процессов, которые при этом имеют место, слова «плотная» и их уменьшительные аналоги заменены на «твердая» и им подобные. К сожалению, в то время, когда разрабатывалась классификация, было очень мало исследований по твердости почв. Поэтому классификация не дифференцирует параметры твердости в зависимости от типов почв, грансостава, требований культур, влажности почв. Все это важные показатели, оказывающие значительное воздействие на величину и динамику твердости. Однако и сегодня, как и 40-50 лет назад, данных твердости для такой дифференциации недостаточно. Таблица 4.1. Классификации почв по твердости в воздушно-сухом состоянии 35 Существует также несколько частных классификаций твердости, построенных на анализе местного материала, Одна из таких классификаций твердости приводится в табл. 4.2. Таблица 4.2. Показатели сложения пахотного слоя южных карбонатных черноземов Крыма (П.С.Смородин и др., 1969) 36 5. ТВЕРДОСТЬ В ПОЧВАХ РАЗЛИЧНОГО ГЕНЕЗИСА, СОСТАВА И СВОЙСТВ Твердость - информационно очень емкая характеристика. С ее помощью можно судить о многих свойствах и в целом плодородии почвы. Твердость является интегральным показателем физического состояния, находящегося в функциональной зависимости от гранулометрического состава, структуры, плотности и влажности почвы (S. Grunuark et al., 2001). Высокая твердость почвы наблюдается на переуплотненных почвах, в условиях деградированной распыленной структуры и низкой влажности. При вертикальном зондировании профиля по твердости легко устанавливаются границы генетических горизонтов в случае дифференцированного его строения и вообще любые перепады сложения. Например, в большинстве почв с дифференцированным строением диагностируются различные генетические горизонты. Если в верхнем хорошо гумусированном и оструктуренном гумусовом горизонте чернозема твердость даже в подсушенном состоянии редко превышает 20-25 кгс/см 2 , то в переходных горизонтах твердость возрастает - в черноземе типичном до 30 - 35 кгс/см 2 , в оподзоленном и солонцеватом - до 40 - 50 кгс/см 2 , а в глее-солоди даже до 100 кгс/см 2 . Зная, что корни даже с самой активно проникающей корневой системой (например, как у многолетних трав) преодолевают сопротивление в пределах 45-50 кгс/см 2 , легко сопоставлять агрономические достоинства корнеобитаемого слоя генетически различных почв, а также подбирать смеси трав для окультуривания почв. Учитывая отчетливые различия в твердости между обработанной пашней и пастбищем, легко найти и перенести на карту границы между ними. Более того, если дополнительно учесть влажность и плотность сложения различных агрофонов, в том числе по глубине профиля, можно прогнозировать оструктуренность почв и вообще их физическое состояние (C.Vagans et al., 2004). Как правило, уплотнение почвы увеличивало твердость и другие физико-механические показатели, увлажнение и улучшение оструктуренности - снижало твердость. Эти же авторы отмечают, что информация о свойствах почв существенно обогащается, если одновременно применяются статический и динамический пенетрометры. Пенетрометрирование почв позволяет создать 3-х-мерные карты ландшафтов, причем со значительной экономией 37 средств в сравнении с обычными ландшафтногеографическими методами. Это мы можем продемонстрировать на карте, заимствованной нами у S.Grundwald et al. (2000). Первый опыт описания стратиграфических слоев в геологии D. Rooney et al. (2001) относит к 1917 году. Заметим, что одним из первых карту удельного сопротивления почв хозяйства составил А.П.Оганесян (1962), используя для этого данные твердости почвы. На карте ясно выделялись 4 группы почв с различным сопротивлением, на которых соответственно по-разному планировали расход горючесмазочных масел, износ деталей, нормы выработки и оплаты труда. Рис.5.1. Трехмерная карта почвенных ландшафтов, построенная по данным пенетрометрирования Есть целый ряд почв, повышенная твердость которых является их отличительной генетической особенностью. Это почвы, сцементированные карбонатами, гипсом, окислами железа, кремния. Как правило, высокая твердость у каменистых почв. Особое место среди них занимают слитые и солонцеватые почвы, которые во влажном состоянии мягки и пластичны, а в подсушенном - исключительно тверды. Повышенная слитость в них - следствие процессов консолидации почвы за 38 счет возникновения особых межчастичных и межагрегатных связей и изменения поверхностных свойств частиц (Э.А.Корнблюм и др., 1977). Аналогичные изменения, упрочняющие почвы, возможны при длительном применении орошения минерализованными водами (С.П. Позняк, 197%; В.В.Медведев и др., 1982). Твердость на пашне, как и плотность сложения, изменчива во времени и примерно после 1 - 2 месяцев после последней обработки и при отсутствии изменений в увлажнении характеризуется равновесной величиной (табл. 5.1). Также почти постоянна твердость в слоях, которые не обрабатываются. Это также можно наблюдать по твердости в подпосевном и в подпахотном слоях спустя некоторое время после последней, обработки. Вместе с тем, как увидим далее на многочисленных примерах, на твердость наиболее заметно влияет влажность. Таблица 5.1. Изменение твердости чернозема типичного под ячменем в течение вегетационного периода (твердость, кгс/см 2 , - 1; влажность, %, - 2) Изучение твердости по вертикали и по горизонтали профиля - достаточно объективный способ изучения анизотропности почв и ее меры. Например, при изучении твердости (микротвердомером Голубева) при одновременном изучении видимой пористости в шлифах вертикальной и горизонтальной ориентации было установлено, с одной стороны, наличие анизотропности в строении черноземных почв, а с другой, отчетливая связь твердости и видимой пористости. Как и следовало ожидать: чем выше показатель пористости, тем ниже твердость (табл. 5.2). Нельзя не заметить (хотя это прямо не относится к тематике настоящей книги): в процессе воздействия на почву современного почвообразования почти изотропное строение подстилающей породы лесса трансформируется в отчетливое анизотропное строение со всеми вытекающими из этого следствиями для свойств почвы и условий произрастания корневых систем. 39 40 Наиболее сильно, как мы неоднократно подчеркивали, и будем подчеркивать далее, твердость зависит от влажности. Так, с уменьшением влажности черноземных почв с 34.5 до 13.3% (в 2.5 раза) твердость увеличивается в 7 раз (П.У. Бахтин, 1969). Другим примером изменения твердости в течение вегетационного периода на различных вариантах по обработке служат материалы, заимствованные у D.J. Reinert et al. (2001). Практически все варианты опыта независимо от того, присутствовало предварительное уплотнение или нет, с июня по июль, всего лишь через месяц существенно упрочнились. Правда, следует подчеркнуть, что за это время влажный период года сменился засушливым. Хотя изучение твердости почвы в генетическом направлении является исключительно интересным и, судя из приведенных работ, вполне результативным, все же исследований с твердостью в агрономическом направлении намного больше. Приведем часто встречающиеся в литературе результаты изучения изменений свойств почв и, в частности, твердости под влиянием уплотнения ходовыми системами наиболее широко распространенных марок тракторов (рис. 5.2, П.И. Слободюк, 1998). Как и следовало ожидать, наибольшее упрочнение почвы отмечалось после проходов трактора Т-150К - трактора 41 наибольшего веса и наибольшего удельного давления на почву. С увеличением числа проходов возрастала твердость и лишь после 10 проходов отмечалась тенденция к затуханию деформации. Табличные данные из этой книги показывают, что уплотнение под колесами Т-150К ощущалось до глубины 50-60 см. Следовательно, при использовании энергонасыщенных тракторов создаются условия для аккумуляции упрочнения почвы в подпахотном слое, что крайне нежелательно, ибо процессы разупрочнения в этих слоях замедленны. Твердость непосредственно связана с составом поглощенных оснований. У черноземов, насыщенных кальцием, твердость меньше в 10-15 раз (в одинаковом интервале увлажнения). Хорошо гумусированные почвы, насыщенные двухвалентными основаниями, характеризуются меньшей твердостью, чем малогумусированные. По многочисленным данным (П.У. Бахтин, 1969), твердость реагирует на особенности агрофона, глубину окультуренного слоя, плужную подошву, пропашную культуру либо культуру сплошного сева. Если к пахотному слою припахивается ниже лежащий иллювиальный горизонт показатели твердости растут. С помощью изучения показателей твердости удается распознать любую уплотненную прослойку природно42 го либо искусственного происхождения (например, подзолистые или солонцеватые горизонты, плужную подошву). Чем глубже обрабатывается почва, тем меньше ее твердость и тем дольше она сохраняет пониженные значения в последействии. В этом смысле твердость хорошо «запоминает» прошлую обработку. По данным В.Ю. Бондаревой (1982), характер изменения твердости пахотного слоя дерновоподзолистой почвы с глубиной неодинаков и зависит от возделываемой культуры. Под яровыми и подсолнечником наблюдается большая дифференциация слоя 0-20 см по твердости, чем в полях клевера и озимых культур. В связи с небольшой дифференциацией пахотного слоя по твердости почвы в полях клевера первого года пользования и озимых зерновых культур для оценки этого свойства почвы для всего пахотного слоя можно ограничиться определением его в верхнем слое. Влияние глубокого безотвального рыхления почвы проявилось в слоях 15-20 и особенно 25-30 см, где твердость снижается по сравнению с обработкой на 20-22 см. Последействие глубокого безотвального рыхления, проводимого в полях пропашных культур, отмечается под всеми остальными культурами севооборота. Подобные выводы можно сделать из наблюдений за твердостью в опытах с различными способами обработки, проведенными в Украине (см. приложение, табл. 2) - как правило, твердость почв несколько ниже там, где почва обрабатывается плугом, и эта обработка осуществляется на обычную глубину. В соответствии с этим, если почва не обрабатывается (нулевая технология), твердость возрастает, особенно заметно в верхнем слое (W.E.Riedell et al., 2006). Правда, в этой работе увеличение не превысило критического уровня для исследованной почвы среднего грансостава - 20-25 кгс/см 2 (рис. 5.3). Опыты проводили в штате Дакота (США). Иначе говоря, просматривается аналогия с изменением плотности сложения почв на фоне нулевой обработки (В.В. Медведев i iH., 2006). Как можно убедиться, из данных, помещенных в приложении, в немногочисленных опытах с нулевой обработкой на чорноземах и дерново-подзолистых почвах в Украине прослеживается аналогичная закономерность: без обработки почвы упрочняются, но сверхвысоких значений твердости не отмечается. 43 Рис. 5.3. Влияние нулевой обработки на твердость почвы в зависимости от предшественника. Символами обозначены средние значения и стандартное отклонение для твердости почв на каждом сантиметре измеряемой глубины Об аналогичном и в целом незначительном увеличении твердости почвы в верхнем слое при применении нулевой обработки (в сравнении с обычной обработкой) сообщают также аргентинские ученые (C.R.Alvarez et al., 2009). В этой работе обобщены данные многих опытов, проведенных на основных почвах страны легко-, средне- и тяжелосуглинистого грансостава. В исследовании D.M. Halfmann (2005), твердость используется как интегральный показатель для оценки эффективности разных систем содержания почвы - природной степной, в условиях обычной и нулевой обработок, а также при орошении. Наиболее низкие показатели твердости отмечены для степи, наивысшие - при обычной обработке без орошения. Твердость, как и другие физические и водные свойства, на фоне нулевой обработки и орошения приближались к показателям степи, в то 44 время как та же нулевая обработка без орошения характеризовалась существенно худшими показателями. A.M. Лыков (1973) установил значительное уменьшение довольно высоких исходных параметров твердости в дерновоподзолистой почве после внесения навоза и особенно навоза в смеси с кальцийсодержащими веществами. Правда, это касалось только верхнего слоя почвы (табл. 5.3). Аналогичные выводы следуют из подобных опытов в Украине (см. приложение, табл. 2). Таблица 5.3. Твердость почвы в длительном опыте ТСХА Особенно низка твердость на почвах, подвергнувшихся плантажной обработке. П.У. Бахтин (1969) в своей обобщающей работе ссылается на интересный опыт В.К. Михновского, у которого на почве с минимальной твердостью получен и минимальный урожай. Естественно напрашивается аналогия с многочисленными данными о влиянии плотности сложения на урожай, который также снижается при особенно низких ее величинах (В.В. Медведев и др., 2004). Значит, как высокая, так и низкая плотность сложения (и в равной мере и твердость) негативны для развития растений и их продуктивности. В опыте с 18-летним воздействием плоскорезной обработки обнаружилось явное уменьшение твердости в плужной подошве (табл. 5.4), что одновременно было подтверждено на45 блюдениями за водопроницаемостью вариантов, обрабатываемых плугом и плоскорезом. Верхние слои пропускали воду за 10,5 и 2,6 сек. соответственно. Подпахотный слой, включающий плужную подошву - 22,5 сек, при бессменной плоскорезной обработке - за 6,5 сек. (В.В. Медведев и др., 1981). Таблица 5.4. Твердость и некоторые агрофизические свойства чернозема южного при вспашке и плоскорезной обработке Наибольшей твердостью характеризуются агрофоны с многолетними травами. И даже способ обработки (с оборотом или без оборота пласта) оказывается различается по показателям твердости. Во втором случае твердость устойчиво выше (Л.И.Акентьева, 1981). Различия в оценках влияния плоскорезной обработки на твердость почвы, обнаруженные в двух последних опытах, видимо, объясняются тем, что во втором случае продолжительность опыта была намного короче. Давно орошаемые почвы также отличаются повышенной твердостью в сравнении с неорошаемыми. По нашим данным (В.В.Медведев и др., 1982), показатели твердости и сопротивления сдвигу свидетельствуют о том, что при равных условиях увлажнения энергоемкость обработки орошаемой почвы выше, чем неорошаемой. Показатели твердости составляют 46 соответственно 7,0 и 9,2 кгс/см 2 , сопротивления сдвигу (при нагрузке 0,5 кгс/см 2 ) - 0,55 и 0,74 кгс/см 2 . Высокая твердость почвы имеет целый ряд отрицательных последствий. Прежде всего, она оказывает сопротивление корневым системам сельскохозяйственных культур и ограничивает их рост в глубину почвенного профиля. Прорастание семян при высокой твердости затруднено, всходы изреженные и недружные, что негативно сказывается на дальнейшем развитии растений и урожае. С твердостью непосредственно связана такая важная технологическая характеристика почвы как сопротивление ее обработке. В обычном интервале влажности сопротивление почвы находится в прямой зависимости от твердости. Высокая твердость почвы в каком-либо слое почвы способствует уменьшению движения влаги в целом через профиль почвы и ограничивает распространение корневой системы (Д.Н Липатов. 2000; С.A. Laboski et al., 1998;), т.е. имеет негативное экологическое влияние на почву и растения. Твердость, как интегральный показатель агрофизического состояния широко используется в различных направлениях исследований: • исследование разных почв и их генетических особенностей; • исследование сложения обрабатываемого слоя пахотных почв; • при составлении картограмм удельного сопротивления почв при пахоте; • при определении физической спелости почвы; • для оценки несущей способности почвы; • для оценки податливости почвы эрозионным процессам; • при исследовании принципиально новых почвообрабатывающих орудий. Особое место занимает твердость почвы в исследовании качества обработанного слоя почв. Использовать этот показатель при оценке почвы как объекта для обработки предложил Н.А. Качинский (1937). Ю.Ю. Ревякин (1956) предложил использовать твердость для оценки качества обработки и фактической ее глубины, а также потребности в проведении той или иной операции рыхления во время посева (надобность рыхления, число культиваций либо боронования, вид и форму рыхлящего рабочего органа и т.д.). Для оценки качества обработки почвы твердость широко используется и в современных ис47 следованиях (П.В. Горохов, 1990; П.И. Слободюк, 1997; В.А. Семыкин, 2002; P. Unger, 1994; W. Bussoher et al., 2000; J. Zahradnijek et al., 2001.). Данные многих авторов, которые проводили параллельные наблюдения за твердостью и плотностью, свидетельствуют, что твердость является достаточно наглядным, объективным показателем для оценки качества обработки почвы. Степень изменения значений твердости намного выше, чем изменение плотности. По нашим данным (В.В. Медведев, 1988), твердость чернозема типичного тяжелосуглинистого при механической нагрузке возрастает по отношению к контролю по сравнению с плотностью значительно быстрее (300-800 % в сравнении с 15-20 %) при сохранении одинакового характера зависимости. Кроме того, распространенные способы оценки качества обработки почвы по крошению и плотности характеризуются существенной погрешностью, ограниченной информативностью и высокой трудоемкостью измерений. Поскольку твердость находится в тесной зависимости с размером агрегатов, составляющих структуру, и плотностью, а также непосредственно определяет условия произрастания растений, применение этого показателя в качестве критерия необходимости проведения той или иной обработки почвы перед посевом является более предпочтительным ( в сравнении с плотностью либо крошением) и обоснованным. Применение твердомера в исследовании степени рыхления (качества обработки), позволяет детально зафиксировать на поле зоны с разной степенью деформации, не обнаруживаемые другими способами исследований. Это позволяет подготовить поле к посеву в полном соответствием с реальным физическим состоянием в каждой его отдельной части. И при этом учесть и требования растений к физическим параметрам (оптимальное агрофизическое состояние). То есть, используя твердость как критерий оценки физического состояния и качества обработки почвы, можно выбрать оптимальный вариант обработки в соответствии с принципами точного земледелия. Высокая твердость почвы является признаком плохих физико-химических и агрофизических свойств почвы. При большой твердости почвы требуются большие затраты на обработку, качество обработки неудовлетворительное (образуется много глыб). Высокая твердость оказывает, повторяем, сопротивление корневым системам сельскохозяйственных культур, значительно ограничивая их рост в глубину почвенного профиля. Прорастание семян при высокой твердости затруднено. Всходы при этом появляются с опозданием, они недружные и изреженные. В почвах, характеризующихся значительной твердостью, нарушаются водный, воздушный и биологический 48 режимы, что отрицательно сказывается на развитии растений и урожае. Заметное влияние на твердость оказывает структурное состояние почвы. Деградированная распыленная почва оказывает значительно большее сопротивление пенетрации или проникновению корневых систем, чем хорошо оструктуренная почва. Прямое влияние на твердость оказывает гранулометрический состав. Наименьшую твердость имеют почвы легкого гранулометрического состава, а также хорошо гумусированные, оструктуренные, свеже вспаханные почвы, с увеличением в составе гранулометрических фракций глинистых частиц и особенно при подсыхании почвы твердость заметно растет. Твердость тяжелых глин после высушивания достигает 150-180 кгс/см 2 (А.Н. Соколовский, 1956). С твердостью связана такая важная технологическая характеристика как сопротивление ее любой обработке. Как правило, сопротивление почвы находится в прямой зависимости от твердости. О величинах твердости для наиболее распространенных в Украине черноземных и дерново-подзолистых почв дает представление табл. 5.5. Показатели твердости получены с помощью метода Ревякина. Для их интерпретации наилучшим образом подходит классификация В.П. Горячкина. Таблица 5.5. Твердость некоторых пахотных почв Украины 49 Демонстрируемые в таблице данные относятся к весеннему периоду и получены в посевах яровых зерновых культур. В черноземах при иссушении посевного слоя возрастает плотность и твердость, затем после достижения некоторой величины увлажнения и, если не происходит быстрого нарастания температур и цементации поверхности, измеряемые показатели уменьшаются, хотя и не достигают критических величин. В дерново-подзолистых супесчаных почвах показатели твердости (как и плотности) весьма высоки и при уменьшении влажности (и связности) также несколько уменьшаются, оставаясь все же высокими. При проходе по почве колеса трактора показатели твердости чернозема способны существенно возрасти, в то время как дерново-подзолистой почвы изменяются мало. В летние месяцы при достижении почвой равновесного состояния показатели твердости большинства почв среднего и тя келосуглинистого гранулометрического состава близки к 25-3J кгс/см 2 . Такие показатели следует рассматривать как наиболее часто встречающиеся при проведении основной обработки, хотя, конечно, отклонения могут быть достаточно значительными в зависимости от сочетания факторов, влияющих на формирование твердости. В контексте данной книги нам представляется важным, опираясь на очень многие публикации (В.П. Андриука, 1989; П.У. Бахтин, 1969; В.Ю. Бондарева, 1982; А.Ф. Вадюнина и др., 1973; В.П. Горд1енко i iH., 1998; П.В. Горохов, 1990; А. Зимагулов, 1980; Н.А. Качинский, 1937; Д.Н. Липатов, 2000; Т.е. Личук, 2007; И.К. Макарец, 1962; В.В. Медведев, 1988; Ю.Ю. Ревякин, 1986; П.И. Слободюк, 1997; В.П. Смагин и др., 1981; В.М. Сорочкин и др., 1979; А.Н. Урсулов, 1938; B.C. Bajla et al., 2003; B.C. Ball et al.,1982; E. Bolenius et al., 2006; W.J. Bussoher et al., 2000; D. Ermich et al., 1982; S. Granark et al., 2001; D.W. Grimes et al.,1972; L.E. Hammel, 1989; C.A. Laboski et al., 1998; J. Lipiec et al., 1990; J.E.Ir. Morrison et al., 1987; D.J. Reinert et al., 2006; Jan Vachel et al., 1998: J. Zahradnijek et al., 2001) отметить основные закономерности изменения твердости в зависимости от определяющих ее факторов: 50 - высокая чувствительность к влажности почв. Например, если плотность сложения с изменением влажности в диапазоне влажность разрыва капиллярной связи (ВРК) - наименьшая влагоемкость (НВ) изменяется в пределах 1,25-1,18 г/см 3 , то твердость - от 30 до 12 кгс/см 2 (для исследованного нами чернозема типичного тяжелосуглинистого). Еще разительнее разница - до 5-7 раз, если влажноть изменяется в более широком диапазоне (НВ - влажность завязания, ВЗ); - высокая чувствительность к агрофону. Например, плотность сложения на целине и пашне при влажности, близкой к ВРК (опять-таки для верхнего слоя чернозема) различается примерно так: 1,10-1,20 г/см 3 . Твердость соответственно 40 и 10 кгс/см 2 . С помощью показателей твердости хорошо различаются посевы пропашных культур и культур сплошного сева. Последние, как правило, имеют твердость на 5-10 кгс/см 2 больше; - такая же более высокая чувствительность изменение в почве содержания гумуса, поглощенных оснований, соотношения структурных агрегатов, и даже гранулометрического состава. Иначе говоря, использование показателей твердости перспективно не только в агрономических целях, но и при проведении почвенно-генетических исследований; - возможность диагностирования изменений твердости по профилю в посевном, пахотном и в целом корнеобитаемом слое. В отличие от плотности, которая позволяет оценивать минимальную толщину слоя лишь в 5 см, твердость легко диагностируется для каждого сантиметра. Конечно же, это позволяет значительно точнее установить параметры плужной подошвы. Есть удачные примеры диагностирования с помощью показателей твердости прочности почвенной корки (Т.С.Личук, 2007), и решить вопрос об орудии, которое следует использовать для ее разрушения; - твердость значительно точнее, чем плотность, характеризует условия роста и развития корневых систем. Даже малейшие изменения твердости отражаются на росте и развитии корней. Особенно ценна такая информация на стадии прорастания семян и появления всходов, а значит, это можно ис51 пользовать при выборе способа и глубины предпосевной обработки почв. Изучение твердости как диагностического показателя физического состояния почв показало, что с его помощью можно достаточно надежно определить, на какую глубину и с какой интенсивностью следует рыхлить почву перед посевом культуры, определить качество рыхления почвы после обработки, фиксировать зоны с различной степенью деформированности, выбрать оптимальный вариант обработки в соответствии с принципами точного земледелия. Еще раз подчеркнем, что количество данных о динамике твердости в различных почвенно-агрономических условиях никак нельзя сравнить с числом подобных работ по плотности сложения почв. Возникла парадоксальная ситуация: плотность - популярный в исследованиях показатель, хорошо изучена его диш.мика в зависимости от типа почв, способов механической обработки, известны требования большинства культур к нему, но в производстве он не находит применения из-за отсутствия современного метода. Твердость, напротив, кажется, легко может быть измерена, но вместе с тем плохо исследована. Результат такого положения ясен - физическое состояние в производстве не определяется, соответствующих данных для выработки обоснованных управляющих решений недостаточно. 52 6. ТВЕРДОСТЬ КАК ИНДИКАТОР ФИЗИЧЕСКИХ, ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЧВ В этой части книги мы имеем намерение доказать, что твердость, если она измеряется с применением плунжеров разнообразной формы, может служить достаточно корректным индикатором физических (и среди них плотности сложения, прежде всего), физико-механических (различных видов сопротивлений, в том числе наиболее важного в прикладном аспекте удельного сопротивления почв при вспашке), и технологических свойств почв, подразумевая под последними физическую спелость, трение и реологические характеристики. Нам представляется из упомянутых трех задач первая, пожалуй, наиболее сложная, ибо нужно сопоставить принципиально различные оценки - весовую (массовую) и прочностную. Вначале справедливо поставить вопрос, корректен ли вообще поиск зависимости между весовой и прочное пной характеристиками почвы. Ведь факторы, которые влияют на те и другие свойства почвы, достаточно независимы друг от друга. В первом случае это главным образом соотношение органической и минеральной частей. Во втором - прочность внутри - и межагрегатных связей. В то же время качественный состав органической и минеральной частей (степень преобразованности органического вещества, наличие в нем агрегатообразующих гуминовых компонентов, с одной стороны, и размер, вещественный состав и коллоидные свойства тонкодисперсной части, с другой стороны) влияют на обе характеристики почвы. Именно это обстоятельство является нужным аргументом, теоретически оправдывающем правомерность подобных поисков. В литературе можно найти доказательства этой гипотезы, хотя объективности ради отметим, что таких работ нам встречалось немного. В одной из них (D.J. Reinert et. al., 2006) предпринята попытка найти связь между плотностью сложения (в исходном состоянии и после приложения различной статической нагрузки) и серией физико-механических прочностных характеристик (деформацией, компрессионными индексами и величинами сдвиговых усилий. Полученные зависимости оцениваются удовлетворительным уровнем коэффициентов детерминации. Наиболее важный вывод, который следует из этой работы: весовые и прочностные показатели связаны между собой. Связи могут быть описаны удовлетворительными линейными 53 педотрансферными моделями, однако уровень связей и вид модели, видимо, требуют уточнения. Далее рассмотрим несколько вариантов педотрансферной модели, связывающей твердость и плотность, что позволило в целом успешно решить задачу объединения больших информационных возможностей плотности сложения с относительной легкостью измерения твердости непосредственно в полевых условиях. Для выяснения вида зависимости твердости почвы от плотности (с учетом влажности и грансостава) была проанализированы собственные данные, а также некоторые литературные материалы, в которых измерения твердости сопровождались нужными для поиска моделей сопутствующими наблюдениями. Вся информация, использованная для поиска адекватних моделей, отражена в табл.6.1. Таблица 6.1. Исходные данные для поиска модели, описывающей твердость почв (Т) по другим показателям (плотность сложения Пл., влажность в момент определения твердости - Вл., Содержание гумуса - Н и физической глины - Фг). Измерения проведены в пахотном слое. 54 55 56 Более надежная информация оказалась в том случае, если различные объекты объединялись в один. Было разработано несколько моделей: 57 В результате проверки наилучшей признана модель [2], которая рассматривает влияние на твердость почвы плотности сложения, влажности и гранулометрического состава. Вместе с тем, совпадение экспериментальных данных с расчетными было признано недостаточным. Поэтому поиск более адекватных моделей следует продолжить. Еще одну попытку поиска связей между весовой и прочностной характеристикой мы сделали, использовав сопряженные измерения плотности сложения и твердости в полевых модельных опытах за несколько лет на черноземе типичном тяжелосуглинистом. Если не принимать во внимание изменяющуюся влажность почв, то связь между искомыми показателями описывается степенной постепенно затухающей кривой (рис. 6. 1). Если же учесть влажность, то зависимость резко усложняется (рис.6.2). 58 Рис.6.2. Зависимость между плотностью сложения, твердостью и влажностью (в долях от физической спелости) Причина, как нам кажется, - в различном поведении весовой и прочностной характеристик почвы при изменении влажности. Весовая характеристика при изменении влажности изменяется постепенно, прочностная - в силу особого (мало прочного) реологического состояния почвы при влажности физической спелости (из-за «провала» кривой при 0,68 НВ, что хорошо видно на правой части рис. 6.2) - изменяется непропорционально. Это одна из причин того, что найти надежную связь между прочностной и весовой характеристиками не так-то просто. При поиске подобных взаимосвязей не менее важна сопоставимость данных, вовлекаемых в анализ. Ведь обычно массовые данные, использованные в математической обработке, получают при различных погодных и агротехнических условиях, различными техническими средствами, в разных лабораториях. Если удается улучшить сопоставимость данных, вовлекаемых в обработку, как это продемонстрировал И.К. Макарец (1962), то надежность связи между прочностной и весовой характеристиками увеличивается до 0,8-0,9. Заметим, что ранее успешные попытки установить связь между твердостью, плотностью сложения и и другими свойствами почв предприняли Г.С. Смородин и др. (1969), а А.А. Вилде (1978) даже нашел модель связи между твердостью, плотностью и влажностью. Причем многие исследователи обращают внимание на то, что твердость является более 59 удобным показателем в сравнении с плотностью в силу простоты и точности измерения. 2-ая задача - найти связь между твердостью и физикомеханическими свойствами (и в их числе удельным сопротивлением) - кажется нам корректнее и проще, ибо твердость по сути, и есть сопротивление почв. Если же твердость измеряется с помощью плунжеров различной формы, то тем самым имитируется сопротивление расклиниванию, сжатию, разрыву, то есть, почти все виды сопротивления, которые преодолевает плуг в процессе вспашки. Оценить удельное сопротивление почв при вспашке по твердости - простому и легко измеряемому показателю чрезвычайно актуальная задача, если учесть важность удельного сопротивления почв для конструирования почвообрабатывающих орудий и нормирования машинно-тракторных работ в сельском хозяйстве. Н.А.Качннский (1937) был одним из первых, кто обосновал использование показателя твердости в расчете удельного сопротивления. Такая возможность теоретически была обоснована еще В.П. Горячкиным - основателем земледельческой механики, который описал силу тяги плугов через сумму различных коэффициентов, главным из которых был коэффициент деформации. Последний, по сути, и представлял собой удельное сопротивление почв. В дальнейшем формула В.П. Горячкина была усовершенствована многими учеными. Н.А.Качинский рассматривал твердость как интегральную характеристику всех свойств почвы, влияющих на удельное сопротивление. Н.В. Щучкин предложил простую формулу расчета удельного сопротивления, одним из членов которой было трение почвы по металлу (определяемое с помощью прибора Г.П. Синеокова), а другим - средняя твердость с учетом ширины захвата плуга и глубины обработки. B.C. Волкановский нашел коэффициент перехода между удельным сопротивлением, определенным динамометром, и твердостью, измеренной горизонтально (параллельно движению плуга). Этот ученый рекомендовал определять удельное сопротивление, используя лишь коэффициент. Примерно также рекомендовал поступать А.П. Оганесян, который к тому же предложил конструкцию твердомера с 60 плунжером треугольного сечения. А.П. Оганесян (1962), используя твердомер собственной конструкции, впервые составил картограммы сопротивления почв. Оценка физической спелости почв и других технологических характеристик по твердости может быть осуществлена только с учетом влажности почв. Хорошо известно, что физическая спелость означает такое соотношение между твердой и жидкой фазами почвы, при котором почва легче всего поддается крошению и этот процесс сопровождается наибольшим выходом агрономически ценных комков. В зависимости от содержания тонко дисперсной фракции грансостава, гумусированности и состава обменных катионов каждая почва характеризуется определенным уровнем влажности оптимального крошения. При рыхлении почвы в состоянии физической спелости наблюдаются преимущественно щадящие расклинивающие деформации, фактически не происходит избыточного сдавливания, резания, скручивания почвы и вообще грубого воздействия деформаторов на почву. Вследствие згого не образуются глыбы и пыль. Обычно физическая спелость наступает, когда влажность почвы находится в диапазоне от 0,6 до 0,9 наименьшей влагоемкости, либо когда консистенция почвы близка к нижнему пределу пластичности, либо, наконец, когда сопротивление сдвигу достигает минимальных значений. Важно подчеркнуть: зависимость твердости от влажности, как мы отмечали выше, имеет преимущественно линейный характер, а показатели, определяющие крошение (сдвиг, сцепление и внутреннее трение) подчиняются гиперболической форме связи с минимальным проявлением указанных свойств в точке, соответствующей нижнему пределу Аттерберга. Следовательно, найти простую модель, связывающую твердость с физической спелостью принципиально возможно, но затруднительно вследствие нелинейности и сложности модели. Мы попытались найти ключевые параметры твердости для состояния влажности, соответствующей оптимальному крошению, воспользовавшись картой физической спелости почв (В.В.Медведев и др., 2007) и имеющейся в нашем распоряжении базой зависимостей твердости от влажности почв, а также данных П.У. Бахтина (1969). Сводка этих данных приведена в табл. 6.2. 61 Таблица 6.2. Диагностические параметры твердости основных почв (средние данные для пахотного слоя) при влажности физической спелости 62 7. ТВЕРДОСТЬ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ ОРУДИЙ Твердость почвы может использоваться для обоснования конструктивных особенностей почвообрабатывающего орудия. Как известно, в большинстве орудий в качестве рыхлящего рабочего органа используется клин, отличительными особенностями которого являются угол атаки и число рабочих поверхностей. Чем больше угол и число поверхностей, тем выше крошащая способность рабочего органа. Естественно предположить, что при конструировании такого орудия нужно опираться на сопротивление почвы расклиниванию, ибо в процессе работы клина преодолевается именно такой вид сопротивления почвы. Причем важно иметь в виду, что расклинивание почвы может происходить по межагрегатной пористости (это количественно наименьшее сопротивление почвы, аналогичное сопротивлению разрыва) и в этом случае нет никакого смысла использовать орудие с большим углом атаки и большим числом рабочих поверхностей. Совсем иная ситуация возникает, когда гри обработке почв нужно преодолеть сопротивление сдвигу. Численно оно много больше, чем предыдущий вид сопротивления, потому что при этом нужно преодолеть силы сцепления агрегата. Конечно, в этом случае и угол атаки рабочего органа и число его поверхностей нужно увеличить, но это увеличение должно быть соизмеримо с сопротивлением почв сдвигу, а не превышать его во много раз, как это имеет место в современных типах рабочих органов. В таблице 7.1 приведены данные основных видов сопротивлений почв Украины, полученные научным сотрудником В.Г. Цыбулько под нашим руководством. Таблица 7.1. Различные виды сопротивления чернозема типичного тяжелосуглинистого в зависимости от исходной плотности сложения и влажности 63 Анализируя приведенную таблицу можно получить несколько важных следствий, которые нужно иметь в виду при конструировании и эксплуатации почвообрабатывающей техники: - минимальное сопротивление почвы - сопротивление разрыву. В этом случае затраты энергии на его преодоление незначительные, они примерно в 3-4 раза ниже, чем на преодоление сопротивления сдвигу. Если бы в процессе обработки почвы рыхле?ше сопровождалось нарушением лишь межагрегатных (наименее энергоемких) связей и выходом достаточного количества агрономически ценных агрегатов, то крошение можно было бы осуществить клиновидным рабочим органом с минимальным углом атаки и соответственно минимальным расходом энергии. Нужно подчеркнуть, что в черноземе типичном среднего гранулометрического состава, хорошо гумусированном и хорошо оструктуренном крошение (при влажности физической спелости) именно так и осуществляется. Здесь не нужны повторные и глубокие культивации, почва легко крошится, как говорил в свое время В.В. Докучаев, лишь от прикосновения к почве. Необходимость дополнительных обработок возникает по двум причинам - вследствие быстрого отрастания сорняков и неизбежного подсушивания почвы. Последнее вызывает цементацию слабых связей в агрегатах и возникновение крупных прочных комков, которые необходимо удалять из посевного слоя в силу их негативного влияния на рост и развитие растений; - при повышении связности почвы интенсивность ее рыхления должна усиливаться и соответствовать (точнее превышать) сопротивление сдвигу, что достигается, как мы уже упомянули, за счет увеличения угла атаки клина либо за счет создания дополнительных поверхностей на рабочем органе; 64 - идеальным орудием для оптимального крошения почв может быть орудие, в котором предусмотрено вначале разрушение непрочных связей по линии межагрегатных связей с помощью клина с минимальным углом атаки, а затем разрушение (при необходимости) более прочных связей по линии внутриагрегатных связей (но без разрушения агрегатов агрономически ценного размера), что достигается клином с увеличенным углом атаки либо увеличением числа рабочих поверхностей; - двухступенчатый характер обработки, основанный на преодолении вначале сопротивления разрыву, а затем сопротивления сдвигу, кажется, наиболее приемлемым для обработки консолидированных от природы (например, солонцеватых или орошаемых) либо искусственно уплотненных почв. Такое сочетание рабочих органов на основе удара и резания, кажется перспективным направлением в конструировании почвообрабатывающих машин; - в качестве контроля проведения предпосевной и основной обработок почв могут служить данные твердости почвы. В первом случае показатели не превышают 10 кгс/см 2 ; во втором - показатели твердости в диапазоне 10-30 кгс/см 2 . Итак, при конструировании адаптивных рабочих органов почвообрабатывающих машин их воздействие на почву должно соизмеряться с сопротивлением почв разрыву (это приблизительный аналог сопротивления почв расклиниванию, полученный с помощью твердомера с клиновидным плунжером с небольшим углом атаки) и сопротивлением почв сдвигу (это приблизительный аналог сопротивления почв расклиниванию, полученный с помощью твердомера с плунжером, имеющим большой угол атаки). Сумма этих двух видов сопротивлений должна образовать величину допустимого воздействия на почву, которое, как мы уверены, предотвратит машинную деградацию почв. Заметим, кстати, что с учетом выше сказанного широкое применение твердомера Ревякина с плоским плунжером никак не обосновано. Ведь твердость, которая определяется с его помощью, не адекватна ни одному из выше перечисленных сопротивлений. Как мы уже отмечали, эта твердость отражает, скорее всего, комплексное сопротивление почв сжатию (сдавливанию) и сдвигу (резанию) по периферии плунжера. 65 Заранее можно утверждать, что рабочие органы почвообрабатывающих машин, построенные с учетом комплексного сопротивления, не будут иметь нужного почвоохранного значения. Отдельного обсуждения заслуживает сопротивление почв сжатию. Это, как мы установили (В.В. Медведев, 1988), наиболее грубый вид воздействия на почву, после которого нарушается способность почвы восстанавливать присущие ей параметры. Это происходит вследствие консолидации почвы, выдавливания влаги из тонких пор и в целом абиотизации почвы. Неумеренно сжатая почва, лишенная живых корней и микробиологической активности, может пребывать в таком состоянии неопределенно долгое время, чего допускать никак нельзя. Поэтому воздействия, преодолевающие в процессе обработки сопротивление почвы сжатию, должны быть исключены. К сожалению, конструкторы рабочих органов почвообрабатывающих машин не учитывают достаточно сложные механизмы формирования прочностных свойств почв. Рабочие органы в основном унифицированы, а их воздействия на почву, как правило, превышают соответствующие силы сопротивления почв. Если почвообрабатывающие орудия будут конструироваться и далее таким образом, то неизбежно возникновение действия излишних сил, направленных на разрушение почвы. Отсюда также неизбежно разрушение агрономически ценной структуры и развитие деградационных процессов. Далее изложим наш опыт исследования деформации с помощью плунжеров различной формы с целью обоснования энергосберегающего рабочего органа почвообрабатывающей машины. Изучали крошение предварительно сформированных (при давлении 2,0 кг/см 2 ) почвенных монолитов с помощью деформаторов различной формы (рис. 7.1). Рассчитывали удельное сопротивление почвы раздавливанию (как отношение усилия в момент разрушения образца к рабочей площади деформатора) и удельное усилие разрушения (отношение усилия к исходному объему образца). Полученные результаты показали, что уплотненная почва обладает повышенными прочностными свойствами и плохо подвергается крошению. При этом заметно лучше был плоский деформатор, хотя его энергоемкость оказалась в 2-2,5 раза большей, чем клиновидного и шаровидного деформаторов (табл. 7.2.). Изучение крошения уплотненных влажных монолитов почв с помощью пассивных деформаторов показало следую66 щее: во-первых, крошение такой почвы любым типом деформаторов сопряжено с большими затратами энергии (удельное усилие разрушения находилось в пределах от 0,09 у клиновидного до 0,23 кгс/см 2 у плоского деформатора); во-вторых, даже плоский деформатор (его способность крошить почву оказалась наиболее высокой) позволил получить структурный состав почвы, в котором 80% составляли комки крупнее 30 мм. Следовательно, разделать предварительно уплотненную и увлажненную почву до удовлетворительного для посева состояния с помощью существующих пассивных рабочих органов практически невозможно. Можно полагать, что для обработки уплотненных почв перспективно применение орудий активного типа с повышенной способностью крошить почву. По нашим данным, наилучшие результаты следует ожидать от таких конструкций, в которых будет учтена интенсивная крошащая способность плоского и низкая энергоемкость клиновидного деформаторов. Необходимо подчеркнуть, что предельное напряжение разрыва в орошаемых почвах существенно ниже, чем на богаре (соответственно 7,4 и 12 кгс/см 2 ). Это, видимо, является важным свидетельством специфики длительно орошаемых почв, которую нужно учитывать при разработке конструкций почвообрабатывающей техники, предназначенной не столько для резания, сколько для ее «разрыва» и последующего дробления. Эти же факты дают основание предположить, что в целях снижения энергоемкости обработки орошаемых почв следует шире использовать навесные орудия, требующие меньше горючего на единицу мощности тяги, чем прицепные. Поэтому, наиболее эффективно и энергоэкономно почву вначале подвергнуть разрыву, а затем сдвигу. То и другое, вероятно, осуществимо при сочетании клиновидных рабочих органов с различным углом атаки. Вначале на почву следует воздействовать клином с небольшим углом атаки, и лишь после ее дезинтеграции - клином с увеличенным углом атаки и, если нужно, снабженным дополнительными поверхностями для улучшения состава агрегатов в обработанном слое. Таким образом, контроль с помощью твердости различных видов сопротивлений, безусловно, окажется полезным при разработке принципиально новых почвофильных рабочих органов почвообрабатывающих машин. 67 Рис.7.1. Типы деформаторов: I - клиновидный, II- клиновидный вогнутый, III- плоский, IV - клиновидный выпуклый, V -шаровидный Таблица 7.2. Крошение предварительно уплотненной почвы различными деформаторами (плотность сложения почвы в монолитах перед деформацией составила 1,27-1,35 г/см 3 , влажность 14,0-16,3 % от массы почвы) 68 8. ТВЕРДОСТЬ И ВЫБОР СПОСОБОВ ОБРАБОТКИ Учитывая значительные информационные возможности твердости для диагностирования физического состояния почвы, логично предположить, что с помощью показаний твердомера окажется корректной рекомендация о дифференциации обработки в зависимости от состояния почв перед ее проведением. Такую попытку собрать и обработать соответствующие данные мы предприняли совместно с Т.Е. Лындиной. Результаты отражены в табл. 8.1. Источником для составления таблицы послужили данные стационарных опытов с различными способами обработки, в которых в качестве сопутствующих наблюдений имелись данные твердости, плотности сложения и урожая. Оказалось возможным собрать соответствующую информацию для чернозема типичного (среднетяжелого грансостава) Лесостепи и дерново-подзолистой супесчаной почвы Полесья. При разработке рекомендаций принималось во внимание, что наилучшие физические условия в почве формируются при небольших (не более 10-15 кг/см 2 ) параметрах твердости. Если исходить из рис. 6.1, для соответствующих показателей плотности сложения это соответствует не выше 1,301,35 г/см 3 . Далее с упрочнением почвы физические свойства ухудшаются и требуется более интенсивная ее разделка для получения благоприятного физического состояния. Таблица 8.1. Параметры твердости, качественная оценка пашни и рекомендации по предпосевной обработке почв 69 Как следует из таблицы, с ростом твердости почвы число и глубина механических предпосевных рыхлений возрастает. Конечно, было бы заманчиво привести обрабатываемый слой к оптимальному состоянию по твердости, прибегая к минимальному механическому воздействию на почву. Вероятно, это станет возможным в будущем по мере разработки комбинированных почвообрабатывающих машин. Вопрос о глубине и способе основной обработки также может быть решен с помощью наблюдений за твердостью почвы. При этом принципиально важно принять (аналогично тому, как это допускается при использовании данных плотности сложения), что при оптимальных параметрах твердости основная обработка минимизируется как в отношении способа, так и глубины вплоть до полного отказа от ее проведения вообще. Последнее становится вполне оправданным, если по наблюдениям за несколько лет при возделывании различных культур твердость не поднимается до величины 20-25 кгс/см 2 в течение вегетации культуры, в том числе не выше 30 кгс/см 2 - в наиболее засушливый период года. Используя модель 2 для расчета твердости и необходимые для этого данные влажности почв, соответствующие физиче70 ской спелости, содержания физической глины и равновесной плотности сложения в пахотном слое (В.В.Медведев и др., 2007), мы получили равновесную твердость почвы, на основании которой можно выработать рекомендации о необходимости (или ненужности) основной обработки почвы и даже о ее глубине (табл.8.2). Учитывая, что влажность почв осенью перед проведением основной обработки была на 10-20% ниже влажности физической спелости, равновесные показатели твердости оказались приблизительно на такую величину выше твердости, данные которой демонстрируются в табл. 6.2. По сравнению с рекомендациями о возможности минимализации обработки по данным плотности сложения использование в этих целях дало несколько иные результаты. Для почв Полесья и, особенно для почв Степи, зона возможной минимализации обработки стала существенно меньше, в Лесостепи - осталась приблизительно в прежних размерах. Несовпадение рекомендаций по основной обработке почв, разработанных с привлечением данных плотности сложения и твердости, объясняется многими причинами. Их рассмотрение, вероятно, целесообразно осуществить в отдельной работе. Здесь лишь укажем, что крайне важным является измерение твердости произвести твердомером с коническим плунжером, ибо модель 2 разработана с привлечением преимущественно данных, полученных именно такими твердомерами. Вместе с тем, следует также учесть, что в данной книге мы привели немало аргументов в пользу того, чтобы физико-механические характеристики почв оценивать адекватным прочностным, а не весовым показателем, каковым и является твердость почвы. Иначе говоря, основываясь на полученных расчетных данных (хотя, как мы отмечали ранее, модель 2 и не отличается высокой надежностью), мы склонны уточнить ранее опубликованные данные о площадях пригодности почв к минимальной и нулевой обработкам в сторону их уменьшения. Однако, повторяем, этот вопрос требует отдельного рассмотрения. 71 Таблица 8.2. Диагностические (расчетные) параметры равновесной твердости основных почв перед проведением основной обработки Таким образом, проведя соответствующие измерения твердости в период, предшествующий проведению основной обработки (твердомером с коническим наконечником) и сопоставив полученные данные с табличными, можно решить вопрос, обрабатывать поле или нет. Если измеренные величины плотности оказались меньше табличных для соответствующей почвы, в проведении основной обработки нет никакой необходимости. Конечно, как и в случае с плотностью сложения, нужно иметь в виду, что это вывод характеризует потенциальные возможности данной почвы не упрочняться выше допустимой величины. Твердость - надежный показатель для решения вопроса о проведении дополнительных обработок, направленных на уничтожение плужной подошвы, поверхностной корки, послеплужных рыхлений и т.д. Агроном сегодня не располагает необходимым инструментарием для оптимального решения вопроса о нужности или ненужности перечисленных обработок. Твердость в этом плане может служить как раз таким вспомогательным инструментарием. 72 О плужной подошве. Несмотря на принимаемые профилактические меры уплотненная прослойка на границе перехода между пахотным и подпахотным слоями присутствует практически всегда, потому что при проходе плуга в зоне контакта его лезвия и почвы формируются чрезвычайно высокие давления (по некоторым данным, до 1000 кгс/см 2 ). К сожалению, ни о конфигурации плужной подощвы, ни о степени вреда, который она наносит плодородию почв и урожаю, ясности нет. Опираясь на собранные нами данные, можно утверждать, что твердость в плужной подошве, превышающая 3540 кгс/см 2 , оказывает вред растущим корням, ограничивая их рост в глубину профиля. Это значит, что при такой твердости уменьшаются адаптивные возможности культур, особенно в условиях недостатка доступной почвенной влаги. Одновременно это же означает, что с плужной подошвой следует бороться и не только пассивными профилактическими приемами, но и с помощью периодического глубокого рыхления. Обобщение стационарных полевых опытов с углублением пахоты до 30-32 см и даже 34 см (В.П. Горд1енко i iH., 1998), проведенных в различных зонах страны, показали неэффективность такого углубления. Однако, в большинстве опытов не было контроля твердости и опыты вели, напоминаем, в условиях достаточно высокой культуры земледелия, где плужной подошвы могло и не быть. Поэтому мы полагаем, что при наличии указанных нами критических величин твердости периодическое углубление основной обработки может быть целесообразным. Во всяком случае, эта гипотеза требует проверки. Определенное представление о степени выраженности плужной подошвы и ее параметрах в некоторых полях Полесья и Лесостепи дает представление табл. 8.3, полученная в результате их обследования с помощью твердомера. Хорошо заметна высокая пестрота проявления плужной подошвы - от полного отсутствия (вследствие повышенного увлажнения изза плохо работающей осушительной системы) до заметного преобладания в почвенном покрове поля с параметрами, которые, как мы полагаем, требуют принятия мер по ее устранению. Из показанных данных вытекает очень важный практический вывод - обследование полей на твердость в плужной подошве необходимо, тем более, что оно занимает сравнительно немного времени. Так, обследование одного поля по предварительно намеченной регулярной сетке элементарных делянок вместе с обработкой и построением карты потребует не более одного рабочего дня. 73 О распространении плужной подошвы в некоторых полях Полесья и Лесостепи можно получить представление и из l-D-диаграмм, помещенных в приложении. Таблица 8.3. Твердость в плужной подошве, превышающая 40 кгс/см 2 , в некоторых полях Полесья и Лесостепи Украины Почвенная корка - чрезвычайно актуальный объект для исследования с помощью пенетрометра. Измерения прочностных параметров корки практически отсутствуют, а орудия для уничтожения корки выбирают «на глазок», не соизмеряя механические воздействия с ее прочностью. Такое отношение к корке ничем не оправдано, особенно если учесть ее распространение и вред, который она приносит, снижая урожай. По нашим данным, корка в той или иной мере проявляется на 38% пашни страны (В.В. Медведев и др., 2006), а снижение урожая, может быть от 10 до 100% (А.И. Каспиров, 1954; Л.И. Ворона и др., 1983; Т.е. Личук, 2007; М. Agrawal, 1992; Е. Amezketa et al., 2003). Т.е. Личук (2007) измерил прочность корки твердомером и получил следующие данные (табл. 8.4). На контроле (вариант 1) она достигла 5,85 мПа, на ва74 риантах с почвозащитной обработкой (вариант 2) и внесением гипса и извести на поверхность одновременно с посевом (вариант 4) существенно снизилась (рис. 8.1). Нас более всего заинтересовал вариант 2, где посев пшеницы был осуществлен по клеверу, посеянному годом ранее и использованному в следующем году в качестве мульчи с покрытием 50%. В этом случае обычная подготовка поля под посев оказалась достаточной для эффективного предотвращения корки. Рис. 8.1. Изменение прочности корки в результате применения агротехнических приемов. Содержание вариантов обозначено в тексте С коркой можно бороться, не только повышая устойчивость агрегатов против слакирования, но и уменьшая интенсивность подачи поливной воды в условиях орошения. Так, в частности, поступили G. Lehrsch et al. (2006). После уменьшения интенсивности подачи и размера капель поливной воды образование корки значительно ослабло, и мелкие семена сахарной свеклы ее сравнительно легко преодолевали. Найден параметр кинетической энергии поливной установки (10,6 джоуль/кг), при котором не происходит разрушения структуры поверхности почвы. Этот параметр, нужно понимать, не превосходит структурной связности агрегатов и принят в качестве критического для данной почвы (пылеватый суглинок Durinodic Xeric в американской классификации). Выше мы попытались использовать данные твердости для обоснования выбора основной и предпосевной обработок, а 75 также в ряде специальных случаев - для уничтожения плужной подошвы и корки. Конечно, мы отдаем себе отчет в том, что твердость при этом используется как вспомогательный, но достаточно объективный критерий, способный оптимизировать выбор способа, интенсивности и глубины обработки. Вместе с тем обсуждая вопросы выбора способа подготовки почвы при возделывании культур нельзя не высказаться критически по адресу сложившейся и не всегда эффективной системы. Напомним, что выбор технологии обработки почв в Украине осуществляется на основании длительных, стационарных полевых опытов, которые проводятся практически в каждой области. Исследования ведутся в севообороте с применением различных уровней удобрений. Результаты служат основой зональных (областных) технологий основной, предпосевной и междурядной обработок под выращиваемые в области сельскохозяйственные культуры. В контексте нашей книги необходимо обратить внимание на недостатки такого подхода. Прежде всего, это пассивный способ решения вопроса, требующий многократного повторения результатов. Опыты сопровождаются, как правило, ограниченным количеством сопутствующих наблюдений (а твердость и многие другие важнейшие показатели, вообще среди них отсутствуют). Поэтому интерпретация урожайных данных недостаточна. Причины пониженных урожаев обычно не раскрываются, наиболее распространены в этих случаях ссылки на непогоду. О динамике почвенных процессов, поступлении питательных веществ в растения, формировании урожая и его качества из таких опытов сделать выводы достаточно затруднительно. Так как, к тому же, опыты ведутся лишь в автоморфных условиях на наиболее распространенных почвах, разработать полноценную систему управления плодородием всех пахотных земель области на их основании невозможно. Ограничиваются обычно общими рекомендациями, которые не охватывают всех возможных ситуаций в конкретном хозяйстве. Например, если бы мы имели возможность оценить реальное физическое (и, конечно, не только физическое) состояние весной перед посевом, мы смогли более обоснованно выбрать способ и глубину обработки и учесть при этом требование высеваемой сельскохозяйственной культуры. 76 Теперь, кажется, мы готовы сформулировать предложение: мы уверены, что усилия нужно направить не на умножение вариантов, опытов и число годоопытов (слово-то какое «замечательное!») а на сопровождение возделываемых растений (предпочтительно в контролируемых производственных условиях) изучением ключевых показателей почв (физических, физикомеханических, физико-химических, микробиологических, агрохимических и других), растений и погоды. Таким путем можно скорее и точнее установить требования возделываемых растений и выработать адекватные технологии. Благо современные математические и технические средства позволяют такого рода задачи формализовать и успешно решить. В настоящее время основные направления совершенствования управления сводятся к экологизации и возможно более точной обработке и внесению удобрений с учетом пестроты свойств почв (точное земледелие, подробнее рассмотрим далее). Экологизация означает устранение или профилактика негативных последствий от чрезмерно интенсивной обработки, загрязнения и других деградационных проявлений и решается путем тщательного нормирования всех антропогенных воздействий на почву. Точное земледелие - это путь гармонизации требований технологии и свойств почв, способ получения урожая за счет рационального использования почвенных запасов, минимизации и наиболее эффективного использования дополнительных источников. Причем обработка и внесение удобрений в точном земледелии должны иметь исключительно точный (локальный) характер. Ясно, что реализация перспективных подходов возможна только при использовании новых подходов в оперативном измерении параметров почвенного плодородия в пространстве и во времени. В завершенном виде новые подходы должны предусматривать не только освоение режимов on-line и in-situ, но и, кроме того, устранение всех промежуточных рутинных операций, автоматизированную обработку полученных данных, использование необходимых нормативов и выдачу управляющих рекомендаций на современных носителях и их последующее использование для выработки конкретных директив сельскохозяйственным агрегатам. Только при этих условиях появятся возможности внедрить в сельскохозяйственное производство по настоящему новые и эффективные технологии управления плодородием почв. 77 К сожалению, физическое состояниб почв никогда не было объектом массовых исследований. Показатели физических свойств почв не изучались в процессе крупномасштабного почвенного обследования, не измеряются они при агрохимической паспортизации полей. Такие данные фактически вообще редко используются при обосновании мероприятий по повышению плодородия почв. Это при том условии, что в течение многих лет их исключительное значение для формирования благоприятного урожая и экологической обстановки никогда и никем не оспаривалось. Лишь в последние несколько десятилетий в связи с глобальными явлениями потери почвами структурности и усиления эрозии (из-за дегумификации и других причин), переуплотнения, повсеместного проявления корки внимание к ним постепенно возрастает. Больше стали измерять плотность сложения и устойчивость структуры в опытах по обработке, с мелиоративными целями. Обосновано представление об оптимальной и равновесной плотности. Уточнены требования к плотности сложения у разных культур. Все это послужило основой для дифференциации способов обработки в зависимости от почвенно-климатических условий и требований культур. Установление параметров плотности сложения корнеобитаемого слоя стало настолько распространенным, что даже появились соответствующие нормативы, на основании которых оказалось возможным выбрать ту или иную обработку или даже полностью отказаться от нее (нулевая технология). Все же, несмотря на возросшую популярность и информативность плотности сложения этот показатель в массовом порядке пока не измеряется. Причина - совершенно неприемлемый, не поддающийся автоматизации весовой метод измерения. Его суть, как известно, заключается в отборе образца почвы'ненарушенного сложения в металлическое кольцо определенного объема, взвешивании и последующем определении влажности. Процедура измерения такова, что не может быть и речи о ее воспроизводстве в сельскохозяйственном предприятии. Нужны кольца, приспособления для их вертикального погружения в почву, бюксы, сушильные шкафы и определенные навыки. Поэтому такой важный с агрономической точки зрения показатель не находит применения в производстве, а выбор способов обработки осуществ78 ляется, не в соответствии с параметрами конкретного поля, а по неким усредненным региональным рекомендациям. В контексте данной книги предлагается для оценки физического состояния почв использовать другой показатель, который можно было бы просто измерить и который был бы связан с плотностью сложения достаточно воспроизводимой моделью. Тогда оказалось бы возможным использовать накопленный ранее нормативно-справочный материал. В качестве такого показателя нами настоятельно рекомендуется твердость. В контексте данной книги нам представляется важным доказать, что твердость может с успехом использоваться в качестве интегрального показателя физического состояния почв. Более того, он даже имеет явные преимущества в сравнении с плотностью сложения. Для этого мы воспользовались литературными и собственными данными о динамике твердости почвы в связи с обработкой и разработали предварительные рекомендации о существе предпосевной обработки на почвах различного грансостава и выборе соответствующих орудий. Основной критерий выбора - твердость посевного слоя. Конечно, недостаток оригинальных данных не позволяет рассмотреть нормативные и прикладные аспекты твердости в полном объеме. Уверены: накопление соответствующих данных позволит развить обозначенное направление. Тогда твердость по праву займет достойное место в агрономических, почвенных, мелиоративных, экологических и инженернотехнических исследованиях. В контексте данного материала главное - сформулировать концептуальные агрономические и технические требования к посевному слою на основании его параметров твердости, рассматриваемому нами в качестве интегрального показателя их физических свойств. 79 9. ТВЕРДОСТЬ КАК СРЕДСТВО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПОЧВООБРАБОТКИ Как мы упоминали выше, применение твердомеров оказывается полезным в вопросах контроля качества выполненной операции рабочим органом почвообрабатывающей машины. Здесь используется высокая чувствительность твердомеров на появление в обработанном слое уплотненных прослоек, крупных комков, нежелательного изменения глубины обработки и других отклонений от нормы. По данным П.В.Горохова (1990), только что вспаханное поле или поле после проведения культивации не должно иметь параметров твердости выше 10 кгс/см 2 (максимально допустимая величина), но обычные ее параметры в пределах 5-6 кгс/см 2 . Особенно важен такой контроль после плантажной вспашки, когда на поверхность и в верхние горизонты профиля вовлекаются нередко переуплотненные слои, которые при рыхлении склонны к образованию глыб. Точно также невыравненность (пестрота) пашни может возникнуть после проведения коренного окультуривания пастбища, вспашки солонцеватых почв. Нет необходимости доказывать, насколько измерение твердости упростит операцию контроля качества выполненных работ и с помощью сравнительно доступного инструмента окажет содействие агрономической службе предприятия. Например, в определении глубины обработки - основной, предпосевных культиваций либо даже боронования. Плоский плунжер при погружении твердомера в почву любой перепад твердости диагностирует сравнительно легко. Но требуется определенный опыт в проведении измерений. Ведь применяемая для этого пружина при увеличении твердости на 1 кгс/см 2 добавляет к обычно плавному ходу твердограммы лишь 1 мм. Обычная мерная линейка, которая предназначена для этого контроля, и по времени замера и точности существенно хуже твердомера. Твердомер также применим, если нужно оценить (разумеется, очень приблизительно) степень достигнутого рыхления почвенного слоя после обработки. Ю.Ю. Ревякин (1950) назвал этот показатель условной связностью почвы и предложил примерные его требуемые величины после обработки разных агрофонов (табл. 9.1). 80 Таблица 9.1. Примерные требуемые величины твердости после обработки разных агрофонов По мнению Ю.Ю. Ревякина, параметры твердости, превышающие указанные в таблице, считаются неудовлетворительными. Для нормального развития всходов высаженных культур они потребуют уменьшения. Для этого нужны дополнительные обработки агрофонов. Если в хозяйстве будет налажен систематический контроль твердости и выяснена специфика твердости каждого поля севооборота, то такой контроль улучшит систему обработки почв и приведет ее в соответствие с особенностями полей и требованиями культур. В заключение приведем примерные показатели твердости, с помощью которых оценивают физическое состояние корнеобитаемого слоя как такое, что не требует применения дополнительных рыхлений (табл. 9.2). Как и ранее, приводимые показатели пригодны для оценки почв среднего и тяжелого грансостава. 81 Таблица 9.2. Примерные показатели твердости для различных видов обработки, когда дополнительное рыхление не требуется Если же показатели твердости после проведения соответствующей обработки превышают приведенные в таблице величины, обрабатываемый слой нуждается в дополнительной разделке. Разумеется, эта рекомендация не касается прикатывания, выбор орудия для проведения которого осуществляется с учетом необходимого доуплотнения. 82 10. ТВЕРДОСТЬ И НОРМИРОВАНИЕ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ ПОЛЕВЫХ РАБОТ Большое разнообразие почв страны и значительная вариабельность их удельного сопротивления затрудняет получение таких данных, а вместе с этим и решение многих вопросов, где этот показатель крайне необходим. Это и конструирование почвообрабатывающих орудий, и обоснование оптимального режима их эксплуатации, и нормирование производительности труда при выполнении технологических операций. Последнее следует подчеркнуть особо, ибо прямые определения удельного сопротивления почв, выполненные для этих целей еще в 50-60-ые годы, теперь, конечно, устарели. К тому же в те годы измерения были проведены только для прицепных машин, ибо навесных, которые доминируют сегодня, в те годы в производстве практически не было. Да и методика, по отзывам ведущих специалистов (П.У. Бахтин и др.), была несовершенна. К сожалению, сегодня вряд ли реален позторный тур технологической паспортизации полей, тем более на новой, более совершенной основе. Скорее всего, дело ограничится уточнением ранее полученных данных с использованием косвенных методов. Поэтому понятен столь большой интерес к разработке непрямых методов изучения удельного сопротивления. Ранее мы уже упоминали о подходах к определению удельного сопротивления по твердости, предпринятых Н.А. Качинским, B.C. Волкановским, Н.В. Щучкиным. К этому ряду исследователей следует добавить В.В. Коцыгина (он оценивал удельное сопротивление по скорости распространения напряжения в почве), А.Р. Дарджиманова (по влажности и сопротивлению сдвигу), А.П. Оганесяна (с помощью ротационного твердомера). Словом, попыток было много, но, насколько нам известно, ни одна из них широко не используется в производстве для целей нормирования. В производстве наряду с прямым динамометрированием находит применение тяговый работомер РТТК-АФИ, который, к сожалению, также не лишен недостатков (в частности, не учитывает возрастающие трудности на обработку при буксовании). В наших исследованиях мы попытались использовать твердомер. Правда, в отличие от прежних работ испытали твердомер со сменными плунжерами - конусом и плоским 83 диском. Причем гипотеза состояла в том, что конечный результат пенетрации оценивается по сумме двух видов сопротивлений, считая, что их сумма в большей мере соответствует усилиям, которые преодолевает почвообрабатывающий рабочий орган при обработке почвы. Полученные результаты (к сожалению, их пока недостаточно для формулирования ясных выводов) отражены в табл. 10.1. Мы оценили их как обнадеживающие (ведь изменение суммарной твердости было строго пропорционально удельному сопротивлению), требующие проверки при выполнении других агротехнических операций. Таблица 10.1. Удельное сопротивление и твердость почвы при проведении культивации на различную глубину Одновременно нами в рамках международного проекта, поддержанного американским фондом CRDF, в содружестве с «Хартрон-энерго» был изготовлен твердомер, на дисплее которого наряду с силой, с которой плунжер погружается в почву, показываются затраты работы (рис. 10.1). Твердомер успешно прошел предварительные испытания, однако для его использования в целях нормирования механизированных полевых работ потребуются дополнительные полевые измерения с привлечением различных агрофонов и технических средств. Кроме того, следует иметь в виду, что сопротивление почв расклиниванию, что предусматривается измерять в данном твердомере, вовсе не адекватно сопротивлению почвы, которое преодолевает почвообрабатывающий рабочий орган в процессе выполнения любой агротехнической операции. 84 Рис.10.1. Твердограмма и оценка выполненной работы при погружении пенетрометра в почву 85 11. ТВЕРДОСТЬ И ПРОДУКТИВНОСТЬ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР Значение твердости для роста и развития сельскохозяйственных культур и особенно их корневых систем очевидно. П.У. Бахтин и др. (1960), исследуя твердость на пятнах с угнетенными и нормально развитыми растениями, обратили внимание на почти 2-кратные различия в твердости почвы под растениями. Причину плохого развития растений эти авторы усмотрели в повышенной твердости. В этой же работе предлагается оптимальная величина твердости для начальных стадий развития зерновых культур при влажности, близкой к влажности физической спелости. Эта величина определена в пределах 5-8 кгс/см 2 . В дальнейшем по мере развития растений и их корневых систем величина твердости в 20-25 кгс/см 2 рассматривается как вполне допустимая. Примерно такие же величины оптимальной твердости названы в работе В.П. Смагина и др.(1981). В последней работе приведено немало интересных данных о динамике твердости на пастбищах и ее влиянии на рост корней и продуктивность надземной массы. Неудачи многочисленных попыток подсева многолетних трав в необработанную почву автор связывает с повышенной твердостью почв пастбищ на глубине 5-15 см. Твердость на этих глубинах достигает 43 - 57 кгс/см 2 . В сравнении с этими данными твердость на пашне составила всего лишь 10-11 кгс/см 2 . Высокая твердость ставит развивающееся растение в неблагоприятные условия. Если на пашне длина корешка прутняка через 2 месяца после появления всходов колеблется от 10 до 16 см, в то время как на необработанных участках «сбитых» пастбищ она не превышает 3-5 см. Молодое растение не в состоянии развивать корневую систему в твердой почве и гибнет. Л.С. Роктанен (1955) установил, что в почвах с высокой твердостью корневая система ячменя не могла развиваться в глубину и тем самым ограничивала поступление влаги в растения из ниже лежащих глубин. Кстати, именно глубокая корневая система служит гарантией выживания растений в 86 годы с недостаточным увлажнением. Поэтому, если в активной части корневой системы возникают прослойки повышенной твердости, адаптивные возможности культуры преодолевать неблагоприятные погодные аномалии резко ухудшаются. Интересные результаты получены Е. Bolenius et.al.(2000). Если ранее в Швеции пестроту урожая чаще всего рассматривали как следствие перераспределения питательных элементов в почве, то в этой работе чрезвычайно широкий разброс урожайных данных на поле (от 4,0 до 11,5 т зерна/га) объяснили вариабельностью твердости почвы. Была установлена достаточно ясная закономерность: урожай был выше там, где меньше твердость. Одновременно были установлены различия в динамике развития корневых систем в течение вегетации ячменя. По другим данным (Л.И. Ворона и др., 1983; В.П. Гордиенко, 1998 и другие), зерновые культуры вполне переносят повышенную твердость (20-25 кгс/см 2 ,, в то время как для пропашных, корнеплодов, садовых и овощных она неприемлема. Оптимальные параметры в этих случаях не превышают 5-10 кгс/см 2 Твердость выше 30 и особенно выше 40-50 кгс/см 2 сильно угнетает и даже останавливает рост корневых систем большинства культур. По мнению В.Ю. Бондаревой (1982), верхним пределом твердости почвы для большинства зерновых культур, после которого резко ухудшаются условия их развития, следует считать 15-19 кгс/см 2 , для корнеплодов - 5-10, для картофеля 5 кгс/см 2 . С точки зрения усилий, затрачиваемых при вспашке, оптимальной является твердость 10-20 кгс/см 2 . По данным W. Riedell et al. (2005), полученным для легкосуглинистой почвы из Южной Дакоты (США), урожай кукурузы отрицательно коррелировал с твердостью почвы, причем снижение урожая особенно ощущалось по фону нулевой обработки. На этом варианте твердость существенно возрастала, начиная с поверхностных слоев и примерно до глубины 60 см. Эти авторы обращают внимание на недопустимость повышения твердости по нулевой обработке в более глубоких слоях, где с ней бороться трудно и очень затратно. 87 M.W. Roque et al. (2008) установили обратно пропорциональную связь между твердостью и развитием корневой системы и урожаем сои, выращенной в орошаемых условиях. Исследования были проведены с использованием регулярной сети 60 точек и обработкой данных геостатистическим методом. То есть, наличие связи между твердостью, корнями и урожаем было подтверждено как в пространственных, так и непространственных форматах. Систему «твердость - корень» нельзя, тем не менее, представлять как только одностороннее влияние твердости на формирование и развитие корней. Корень также влияет на почву, причем в зависимости от культуры и особенностей ее корневых систем иногда это влияние достигает существенной значимости. Например, в посевах прутняка непосредственно под кустом твэрдость даже при недостатке влаги не превышает 2,0-2,5 кгс см 2 , в то время как в междурядье (в 15-25 см от растения) она колеблется от 15 до 53 кгс/см 2 (В.П.Смагин и др., 1981). Аналогичные результаты мы получили (совместно с Т.Е. Лындиной), наблюдая твердость в ряду и междурядье посевов кукурузы, сахарной свеклы и даже зерновой культуры сплошного сева при расстоянии между рядами 7см. Результаты этих исследований частично отражены в табл. 2 приложения. 12. ТВЕРДОСТЬ В ТОЧНОМ ЗЕМЛЕДЕЛИИ Изложенный выше материал о значительных возможностях показателя твердости почв для экспрессной, достаточно точной и в целом состоятельной оценки физических, физикомеханических и технологических свойств почв дает нам основание для его использования как индикатора точного земледелия и, в частности, точной механической обработки почв. Напомним, что индикаторы точного земледелия - показатели, с помощью которых устанавливается неоднородность поля по свойствам почвенного покрова и состоянию произрастающих на нем растений. Основное требование к индикаторам - способность пространственно оценить те свойства поля, используя которые можно дифференцировать технологии его обработки, удобрения, средства химической защиты от болезней и вредителей. Иначе говоря, на основании этой информации выбирают технологии дифференцированного возделывания культур. Индикаторы для точного земледелия принципиально не отличаются от индикаторов, которые обычно используются для характеристики элементов плодородия почв. Основное отличие (и трудность) - необходимость иметь пространственно распределенную информацию, то есть, требуется характеризовать поле намного большим количеством данных. Конечно же, это экономически затратно и не всегда выполнимо. Твердость в этом плане является привлекательным показателем для точного земледелия, ибо его определение даже с помощью твердомера Ревякина, не говоря уже об усовершенствованных приборах с автоматической записью измерений, представляется настолько высоко производительным процессом, что практически не имеет ограничений для оценки различных видов сопротивлений в поле любой сложности и конфигурации. Кроме того, используя твердость, мы выполняем важнейшее требование точного земледелия - получить информацию о состоянии поля непосредственно перед проведением обработки, то есть, в режиме on-line. Поэтому сегодня параллельно с внедрением точного земледелия получили развитие методы дистанционного зондирования и новые экспериментальные образцы приборов, позволяющие в этом режиме регистрировать ключевые свойства почв, необходимые для развития точного земледелия. Таких 89 приборов становится все больше и их возможности постоянно расширяются. Приборы устанавливаются на рабочие органы почвообрабатывающих машин, тракторы, комбайны и (без отбора почвенных образцов и растений, без их транспортировки в лабораторию и без камеральных аналитических работ) позволяют в процессе выполнения технологических операций (обработки почв либо сбора урожая) определять свойства почв. В этом и состоит суть режима on-line. К этому же классу приборов относятся средства аэрофото- и космической съемок, возможности которых расширяются. Вместе с тем, актуальными остаются и традиционные (наземные) средства контроля. Данные, полученные с помощью таких методов, являются эталонными. Они считаются более точными. Поэтому твердость как индикатор удовлетворяет потребностям точного земледелия - и в точности измерения, и в отношении использования режима on-line. Более того, с применением таких индикаторов как твердость могут быть усовершенствованы сами основы точного земледелия. Напомним, что в начальные этапы развития точного земледелия достаточной для его планирования считалась карта урожайности культуры, которая, казалось, давала объективную информацию для дифференцированного внесения удобрений и химических средств защиты растений. В дальнейшем стало ясно, что карты урожайности совершенно недостаточно, ибо состояние растений не всегда точно отражает уровень плодородия почвы. Причина расхождений состоит в том, что плодородие почв является очень сложным явлением, в формировании которого принимают участие природные и антропогенные факторы. Плодородие почв - результат почвообразовательного процесса, вследствие которого формируются свойства почв - физические, химические и прочие, создается запас питательных веществ и условия для эффективного их использования растениями. Одновременно с этим плодородие - результат деятельности человека. Оно может истощаться вплоть до полной утраты либо поддерживаться и пополняться за счет рационального хозяйствования. Большое значение для плодородия почв имеют климатические условия, которые могут способствовать реализации запаса питательных веществ почвы, потенциала растения и агротехнологии, либо, напротив, их консервировать. В итоге можно констатировать, что плодо90 родие зависит от многих факторов - почвенных, климатических, организационных, технологических и других. В этой сложной и нередко противоречивой (в том смысле, что действие факторов на урожай носит разнонаправленный и неодинаковый по интенсивности характер) системе трудно ожидать высокой степени соответствия между факторами плодородия и состоянием растений. Напомним, что JI.O. Карпачевский (2001), длительное время исследовавший взаимосвязь между факторами плодородия и состоянием растений, оценивает ее коэффициентом корреляции не выше 0,5. Именно поэтому карта урожайности нередко может отражать действие случайных факторов и вовсе не характеризовать их устойчивое соотношение во времени и в пространстве. Именно поэтому карту урожайности необходимо дополнять информацией о свойствах почв. Именно поэтому твердость как простой в измерении и довольно точный индикатор физического состояния почв столь важен в точном земледелии. Но не только это. Характеризуя пространственные особенности твердости поля, мы формируем предпосылки его точной предпосевной либо основной обработок и тем самым расширяем возможности самого точного земледелия, которое до этого было сосредоточено на применении удобрений и средств защиты растений. Несколько слов о подготовке к проведению пенетрометрирования почв поля в целях обоснования его точной механической обработки. На поле накладывается регулярная сеть элементарных делянок из расчета 1 делянка на 0,5-1 га. Расстояния между центрами делянок вдоль продольных и поперечных направлений должны быть равными. Делянки размещают в местах пересечения продольных и поперечных направлений. Размер элементарной делянки для пенетрометрирования и, если нужно, отбора образцов, составляет 5 х 5 м. Делянки геопозиционируются для последующего картирования, совмещения карты твердости с другими картами (процедура кокригинга), повторного пенетрометрирования, учета урожая и прочих целей. Время проведения полевых работ должно предшествовать проведению обработки почв - весной перед культивацией, осенью - основной обработкой. Число повторностей при измерении - не менее 10, глубин а — в зависимости от возможностей пенетрометра, но не ме91 нее 40 см, с тем чтобы получить показатели твердости в посевном, пахотном и подпахотном слоях, включая плужную подошву. Тем самым будет охвачена пенетрометрированием зона наибольшего развития корней. Исходные данные твердости обрабатывают для получения следующих статистических и геостатистических характеристик: - вариационно-статистические элементы (среднее арифметическое, его ошибка, точность измерения параметров (в пределах элементарной делянки), коэффициент вариации, среднее квадратическое отклонение, коэффициенты асимметрии, эксцесса, крутизны и т. д.), используя программу Statistical - специфические геостатистические параметры при необходимости детального изучения пространственной неоднородности (дисперсия, вариограмма, спектральная плотность дисперсии, порог дисперсии, радиус корреляции, наггет-эффект) - с использованием программы Surfer; - одномерные и многомерные карты - диаграммы твердости почв с расчетами площадей контуров для разделения поля на отдельные рабочие участки и последующего дифференцирования способов и глубин обработки - с использованием программ Maplnfo и Surfer. Далее рассмотрим примеры реализации пространственной информации о твердости почвы поля для дифференцирования механической обработки. Мы полагаем, что демонстрируемые твердограммы позволяют получить достаточно ценную информацию о прочностных параметрах для того, чтобы выбирать способы рыхления более обоснованно. Примерная стратегия выбора способов и интенсивности обработки в зависимости от показателей твердости в предпосевной период, полученная на основании главным образом экспертной оценки, предложена нами ранее. В зависимости от параметров и ее качественной характеристики меняется интенсивность и глубина воздействия на почву рабочим органом для предпосевной обработки почвы. В качестве объектов использовано несколько полей в Полесье и Лесостепи Украины. Характеристика объектов приведена в табл. 12.1. 92 Таблица 12.1. Общие сведения об объектах пенетрометрирования Пенетрометрирование было проведено в состоянии равновесной плотности сложения (спустя 2,0-2,5 мес. после последней обработки, непосредственно перед уборкой урожая). По этой причине полученные данные наилучшим образом были пригодны для уточнения способов и глубин основной обработки почв. Результаты статистической и геостатистической обработки пенетрометрирования отражены в табл. 12.2. Прежде всего, следует обратить внимание на величину коэффициента пространственной вариации. Для исследованных объектов он изменяется в пределах 0,10-0,27, что считается умеренной и повышенной оценкой и почти всегда гарантирует наличие пространственной неоднородности. Действительно, автокорреляционная функция присутствует, что неопровержимо доказывает наличие на всех полях определенной пространственной структуры твердости и обоснованность будущей парцеллизации поля. Иначе говоря, на каждом исследованном поле могут быть найдены рабочие участки для дифференцированного вне93 дрения разных способов обработки. Однако это теоретически, а для практики рабочие участки должны иметь определенный размер и конфигурацию для того чтобы обеспечить выгодность хозяйствования согласно принципам точного земледелия. Характерны другие особенности пространственной неоднородности твердости. Близость медианных и средних значений свидетельствует о нормальности кривой распределения и в целом незначительном влиянии асимметрии и эксцессов. Это также свидетельствует в пользу технологии точного земледелия, так как на полях не следует ожидать доминирования площадей с резко отклоняющимися значениями твердости. Твердость, как и следовало ожидать, имеет существенные различия в пахотном слое и в плужной подошве. Причем эта закономерность обнаруживается в почвах супесчаных и тяжелосуглинистых, в почвах с высоким и низким уровнем плодородия. Важно также отметить, что твердость в исследованных полях характеризуется преимущественно значительными величинами. Конечно, нужно иметь в виду, что это равновесное состояние и наконечник был плоским диском, однако, даже учитывая эти обстоятельства, нужно признать, что такие величины твердости не свидетельствуют в пользу сплошной минимализации обработки этих полей. Следующий этап обработки полученных данных связан с построением одно-, двух- и трехмерных диаграмм твердости, на основании которых, в конце-концов, мы должны получить реальное представление о пространственной неоднородности твердости (ее визуализации) и контуры рабочих участков (management units) для дифференциации способов и глубин обработок. Возможность пространственного рассмотрения твердости дают 1- D (общепринятое сокращение от английского слова «dimension» - измерение) - профильные одномерные, 2 - D (двухмерные) и 3 - D (трехмерные пространственные) твердограммы. В частности, на демонстрируемых в приложении примерах следует обратить внимание на значительный диапазон и пространственную пестроту показателей твердости. Повышенные показатели твердости, как показали результаты топографической съемки и измерения влажности, связаны с повышенным рельефом и уменьшенным увлажнением. Упомянутые l-D-диаграммы демонстрируются на рис. П3.1-П3.5 в приложении; 2-D- и З-Б-диаграммы на рис. рис. 12.1; 12.2. 94 95 96 97 98 Визуализация твердости в исследованных полях ясно показывает особенности пространственной пестроты этого показателя. Почти все l-D-диаграммы твердости почв элементарных делянок однотипны, лишь по - разному проявляется плужная подошва - по глубине и величине перепада в сравнении со смежными слоями. Характерно, что плужная подошва не имеет оплошности, следовательно, уже только по этой причине не требуется ее сплошная обработка (разумеется, при достаточно высоких показателях твердости). Не можем вновь не обратить внимание на значительный диапазон найденных показателей твердости. Они изменяются от значений, которые сравнительно легко преодолевают корни практически всех выращиваемых культур (не более 20 кгс/см 2 ), до значений, явно вредных, затрудняющих их рост и функционирование (в пределах 30-40 кгс/см 2 ). Одновременно, как мы подчеркивали ранее, для успешного прорастания семян и развития корней 1-го порядка желательно, чтобы твердость не превышала 10 кгс/см 2 , а для мелкосемянных (таких как сахарная свекла) - даже 5-7 кгс/см 2 . Исходя из этой информации, можно рекомендовать обязательную предпосевную обработку, если твердость посевного слоя превышает 10 кгс/см 2 , глубокую предпосевную культивацию - если слой глубже 7-12 см имеет твердость выше 20 кгс/см 2 . Наконец, если в плужной подошве твердость выше 40 кгс/см 2 - то хотя бы один раз в севообороте глубокую чизельную обработку. Перечисленные параметры можно рассматривать в качестве своеобразных нормативов, хотя, конечно, это лишь первое приближение, нуждающееся в уточнении применительно к тому разнообразию почв и возделываемых культур, что имеется в Украине. Если воспользоваться постулатами точного земледелия, то на поле следует найти контуры со следующими значениями твердости: - оптимальные значения, при которых не создается препятствий для роста и развития корней. В соответствии с этим такие контуры не требуют проведения рыхлений и вообще какой-либо обработки. Это первая агротехнологическая группа рабочих участков; - средние (модальные, наиболее часто встречающиеся значения), при которых обычно используются стандартные приемы 102 зональной технологии обработки. Эти контуры относятся ко второй агротехнологической группе рабочих участков; - наихудшие значения, которые потребуют применения дополнительных и, возможно, более активных приемов обработки. Это 3-я агротехнологическая группа рабочих участков. Используя эти постулаты и примерные нормативные оценки, приведенные выше, получаем требуемые рабочие участки. Рассмотрим этот вопрос подробнее. Для этого составим соответствующую таблицу 12.3 - своеобразное техникоэкономическое обоснование внедрения точной обработки на исследованных полях. Таблицу составляют на основании анализа 2-Б-диаграмм, точнее анализа площадей контуров с различными значениями твердости. Легенда к диаграммам выбирается с учетом размаха колебаний показателей твердости, а также приведенных примерных нормативных оценок твердости, в зависимости от которых выбирается тот или иной вид обработки. В прилагаемой таблице использовано лишь несколько индикаторов физического состояния почв по твердости, точнее, лишь те индикаторы, для которых качественно различное состояние диагностируется достаточно надежно, а соответствующие механические операции относительно легко подбираются. С нашей точки зрения, зная величину твердости в посевном слое, можно решить, какую по интенсивности подготовку почвы и каким орудием следует произвести. При этом, конечно, нужно учесть семена какой культуры предполагается высеять. Разумеется, наше предложение касается лишь принципиальной стороны вопроса. Поэтому мы здесь не рассматриваем степень засоренности поля, многие другие его особенности. Далее, использование твердости как диагностического критерия позволяет обратить внимание на ряд вопросов, которые традиционно игнорируются в земледельческой практике. Например, плужная подошва. Оценка твердости плужной подошвы, ее глубины и пространственной приуроченности к той или иной части поля позволяет более определенно решить вопрос о том, что с ней делать - по-прежнему игнорировать либо разрушить. Не менее важно установить физическое состояние в подсеменном слое, слое непосредственно прилегающем к семенам и определяющем эффективность функционирования корней на первом, пожалуй, наиболее важном в онтогенезе культуры этапе. 103 Например, поле в Ведильцах (дерново-среднеподзолистая почва) имеет повышенную твердость в слое, непосредственно прилегающем к высеваемым семенам (подпосевной слой), равную 20-30 кгс/см 2 . Такая величина твердости согласно многим сообщениям (В.П. Гордиенко и др., 1998) оказывает заметное отрицательное влияние на рост и развитие корней. Ясно, что эту упрочненную прослойку следует разрушить. Подчеркнем, что существующими технологиями фактически не предусматривается воздействовать на этот слой непосредственно перед посевом и после посева культуры. Лишь так называемая 2-хфазная технология возделывания культур (A.M. Мал1енко, 1997) предлагает провести обработку этого (подсеменного) слоя после появления всходов и тем самым улучшить условия развития корневых систем. Эта технология наилучшим образом зарекомендовала себя на дерново-подзолистых и других почвах, склонных к переуплотнению в подсеменном слое. Требует дополнительного обсуждения проблема плужной подошвы. В современных агротехнологиях обработки почв обычно указывается, что она образуется при проведении вспашки на одну и ту же глубину и для того чтобы уменьшить ее вред на рост корней требуется всего лишь проводить основную обработку на разную глубину. Иначе говоря, достаточно одной профилактической работы и проблема будет снята с повестки дня. При этом исследований, направленных на изучение параметров плотности и твердости в плужной подошве, ее реальном распространении и конфигурации в поле, практически не проводилось. Исследование плужной подошвы в некоторых полях Полесья и Лесостепи, проведенное нами (В.В.Медведев, 2007), показало, что плужная подошва присутствует везде, ее параметры порой чрезвычайно высоки, и, следовательно, одной профилактики будет явно мало. Нужна периодическая глубокая обработка, предположительно хотя бы один раз за ротацию севооборота. Жаль, но имеющиеся обобщающие исследования по изучению сверхглубокой обработки на урожай в зонах Полесья и Лесостепи, не показали положительных результатов. Правда, плужная подошва в этих опытах не была предметом исследования, параметры плотности и твердости в опытах не измерялись, влияния на рост и развитие корней не отслеживалось. Нам представляется, что при величине твердости выше 40 кгс/см 2 , вред от плужной подошвы на плодородие почвы очевиден и пренебрегать далее этим обстоятельством не следует. 104 105 В первом приближении мы склонны полагать, что при высоких параметрах твердости в плужной подошве и ее значительном распространении в пространстве поля, требуется чизельное рыхление. Причем, если твердость находится в пределах 35-40 кгс/см 2 , можно ограничиться слабым по интенсивности рыхлением чизелем или подобным орудием с небольшим углом атаки. В этом случае расход энергии на проведение сверхглубокого рыхления будет небольшим. Если же параметры твердости находятся в пределах 40 и выше кгс/см 2 , требуется полноценное рыхление серийным чизельным орудием. Разумеется, эта гипотеза требует экспериментальной проверки, но, повторяем, исходных данных о высокой и сверхвысокой твердости в плужной подошве так много, что провести подобные производственные испытания целесообразно. Анализируя таблицу 12.3, прежде всего, обратим внимание на площади исследованных полей, относящихся к 1-ой и 3ей агротехнологическим группам. Напомним, что в 1-ой из них показатели твердости таковы, что обработка не требуется вообще, в 3-ей - напротив, требуется, причем она должна по возможности быть интенсивной либо нестандартной, то есть, такой, какой ранее в технологии возделывания культур не было. Иначе говоря, использование твердости как индикатора физического состояния почв выдвигает новые требования к орудиям для их обработки. В соответствии с разнообразными условиями должны быть также более разнообразны и орудия. Например, если твердость лишь немного превышает оптимальную величину, для чего применять стандартный культиватор. Ведь в результате неизбежное разрушение почвы и излишние траты горюче-смазочных материалов. Следовательно, арсенал рыхлительных орудий с различным углом атаки и различным числом рабочих поверхностей должен быть расширен. Точно также, если показатели твердости неудовлетворительны, то должны быть такие орудия, которые смогли бы за один проход снизить их до требуемых величин. Площади контуров с разными показателями твердости, как упоминали, были получены путем обработки 2-П-диаграмм с помощью кригинг-метода. Как видно, контуры оказались сложны по конфигурации и различны по размерам. Агротехнологические группы контуров выделены на рис. 12.3. Использовать их в качестве рабочих участков для дифференцированной механической обработки достаточно трудно и возможно лишь при наличии машинно-технологических комплексов, способных воспринимать и исполнять соответствующие директивы. 108 109 Плужная подошва м 700 '/fe»\ щ 600 500 1 400 300 ' j lis!!1'// Щ М II I / ? ! у 11 ШЩf i r / 7 Ш (( 1 ЧЯ 1 О) I • 2 ••' ^ V//I 1 п Iri : D III м 24 гг tNj ем ш т 411 то ТО / ТО 200 " > Will 100 11 1 100 200 300 400 ILL, 100 500м Ш ^ L L С 150 4 Колки Коротыч 300 200 100 О 200 400 600 800 1000 1200 м О 100 Ведильцы 200 300 400 500 600 м Коммунар ы П 300 25 200 33 100 О О 100 200 300 400 500 600 м Романив Рис.12.3. Дробление исследованных полей на агротехнологические группы. Твердость в пахотном слое и в плужной подошве, кгс/см2, на исследованных объектах. 1- 1-ая группа с оптимальными параметрами твердости; 2- 2-ая группа со средними параметрами; 3-я группа с наихудшими параметрами. 110 Поэтому выделенные агротехнологические группы нуждаются в дальнейшей трансформации, которая состоит в максимально оправданном спрямлении сложных контуров. Тогда окажется возможной дифференцированная обработка поля с помощью серийных орудий. Итак, несмотря на недостаток данных о взаимосвязи твердости с качественными характеристиками корнеобитаемого слоя, мы все же полагаем, что твердость как прочностной показатель должна стать важным в решении вопроса о способе и интенсивности обработки. Ведь плотность сложения, к сожалению, мало на что способна при оценке силовых (энергетических) взаимоотношений, которые складываются в процессе обработки между рабочим органом почвообрабатывающего орудия и почвой. С инженерной точки зрения несравненно корректнее сформулировать задачу изменить твердость, чем плотность почвы. Эту задачу принципиально возможно решить, изменяя (и измеряя при этом взаимодействующие силы) форму, угол атаки, давления, площадь контакта рабочего органа и другие характеристики. Разумеется, плотность сложения дает разнообразную информацию об агрономической ценности обрабатываемого слоя. Но не следует забывать, что еще А.Г. Дояренко (1963) критически отзывался о возможностях этой физической характеристики, отдавая предпочтение дифференциальной пористости. Точно также весьма трудно оценивать прочностные характеристики почвы по плотности сложения. Об этом, в частности, свидетельствуют сложные нелинейные и, повторяем, ненадежные модели, связывающие плотность и твердость, установленные нами выше. Поэтому в настоящее время оптимальным решением будет извлечение максимальной пользы из большой агрономической ценности плотности сложения и всяческое развитие подхода, связанного с накоплением данных твердости, что принесет несравненно большую пользу для конструирования рабочих органов почвообрабатывающих машин. Конечно, недостаток оригинальных данных не позволяет рассмотреть нормативные и прикладные аспекты твердости в полном объеме. Уверены, что накопление соответствующих данных позволит развить обозначенное направление. Тогда твердость по праву займет достойное место в агрономических, почвенных, мелиоративных, экологических и инженернотехнических исследованиях. Еще раз подчеркнем преимущества оценки физикомеханических свойств почв по данным твердости почв. Они ill заключаются в том, что твердость состоятельно характеризует почву как среду для роста и развития корней растений, позволяет обнаружить даже малейшие отклонения от нормы в отдельных частях посевного, пахотного и подпахотного слоев, способна точно описать конфигурацию плужной подошвы, а также зависимость от влажности почв, агрофона и свойств почв (содержания гумуса, гранулометрического состава, состава поглощенных катионов, структурности). Получаемые в результате обследования твердости твердограммы - новый и важный методический инструмент прочностной характеристики в одно-, двух- и трехмерном форматах с указанием зон, требующих различного по способу и интенсивности рыхления. Кроме того, твердограммы могут найти применение в других направлениях (для оценки эрозионной устойчивости почв, в качестве альтернативы удельному сопротивлению, при определении несущей способности почв, их проходимости в зависимости от типа ходовой системы машинно-тракторных агрегатов, при конструировании рабочих органов почвообрабатывающих машин и т.д.). Вместе с " ем, мы не собираемся заменять общепринятые оценки физического состояния по плотности твердостью. Книга преследует иную цель - сделать обработку более точной, соответствующей различиям в физическом состоянии отдельных частей поля. К сожалению, сегодня точное земледелие почти исключительно используется для дифференцированного внесения удобрений. Дифференциация обработки в пределах поля не находит практического применения из-за трудностей контроля физического состояния почв в режиме on-line. В мире сейчас активизируются поиски приемлемой оценки и имеются попытки использовать в этих целях показатель твердости. Разумеется, при всех трудностях объективной диагностики физического состояния почв по твердости, использование последнего показателя существенно упрощает диагностику обрабатываемого слоя почвы перед предпосевной обработкой и открывает перспективы более точного земледелия. Так, выбор предпосевной обработки, опираясь на показатели твердости, можно осуществлять вполне обоснованно. Вплоть до полного отказа от нее вообще. Кстати, вопрос о влиянии различных условий увлажнения на показатели твердости в это время стоит не так остро, потому что влажность весной, как правило, близка к физической спелости. Жаль, что нам не удалось надежно формализовать зависимость между плотностью и твердостью, но, судя из рис. 6.1, найти такую модель после накопления информации можно. Тогда оценка физического состояния почв станет полноценной и ее прикладное значение, несомненно, возрастет. 112 13. ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТВЕРДОСТИ В МОНИТОРИНГЕ, ПОЧВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ И АГРОНОМИЧЕСКОЙ ПРАКТИКЕ Коротко напомним о несомненных преимуществах, которые обеспечивает использование твердости в качестве индикатора физического состояния почвы: - высокая информативность и производительность (карту прочностных характеристик почв поля можно составить буквально за несколько часов); - относительная простота и высокая точность измерения (обычная разрешающая способность твердомера даже устаревшей конструкции по глубине измеряемого слоя составляет 1 см, по величине усилия - в пределах 0,05 кгс/см 2 ); - возможность охвата исследованиями значительного по размерам пространства поля в режиме on-line с автоматической записью измерений, то есть, в режиме непрерывной регистрации; - одновременная возможность получения (экспериментально или расчетным путем) дополнительных > арактеристик (влажность, температура, выполненная работа). Если твердомер снабжен несколькими наконечниками с разной формой и углом атаки, можно получить возможность исследовать различные виды сопротивления почвы и удовлетворительно моделировать работу корня или почвообрабатывающего орудия со всеми вытекающими из этого следствиями для развития теории прочности почвы и для практического конструирования энергоэкономных рабочих органов. Преимущества пенетрометрирования становятся еще более очевидными, если твердомер установлен на мобильное средство, позволяющее существенно увеличить производительность этого вида обследования территории. Словом, мы имеем во многом уникальный показатель, которым могут воспользоваться специалисты разных направлений - агрофизики, мелиораторы, инженеры по земледельческой механике, агрономы - практики. Он может стать также незаменимым индикатором физических условий в почве при проведении мониторинговых работ, разумеется, при условии, что специалисты в этом направлении не будут ограничивать мониторинг только наблюдениями за поведением химических поллютантов, как это имеет место даже в развитых странах Европы (A.R. Gentile, 2001). Вместе с тем есть немало нерешенных вопросов, тормозящих эффективное использование твердомера как индикато113 pa физического состояния почвы. Прежде всего, отсутствуют полноценные методические руководства по использованию твердомеров в различных исследованиях. Такие руководства, детальные прописи выполнения всех работ и примеры использования результатов имеются, к сожалению, лишь в мало доступной зарубежной литературе (J.M. Bradford et al., 1971; Н.Т. Durgunoglu et al., 1975a; 1975b; S. Grunwald et al., 2000). Подобные руководства отсутствуют на постсоветском пространстве. Это, по меньшей мере, вызывает удивление ведь в СССР и странах восточной Европы было немало приверженцев пенетрометрирования. Но ... сказалась и продолжает сказываться недооценка этого направления исследования. В научно-исследовательских учреждениях СССР не было специализированных лабораторий по изучению физикомеханических свойств почв. Даже в Агрофизическом НИИ ВАСХНИЛ (затем РАСХН) такие исследования, за небольшим исключением, практически не велись. Инженер эГ-механики в попытке компенсировать слабую активность псчвоведов проводили самостоятельные исследования прочностных свойств некоторых почв. Такие лаборатории в СССР были в институтах механизации и электрификации сельскохозяйственного производства (ВИСХОМ, ВИМ, НАТИ и другие). Но, судя из обобщающей публикации П.У. Бахтина (1969), систематической информации на этот счет получено не было. Кроме того, инженеры-механики практически не вели исследования с растениями, их корневыми системами и вообще агрономическая сторона в этих работах оставляла желать много лучшего. В связи с этим, читая некоторые работы американских специалистов по земледельческой механике, приходится лишь удивляться грамотности их исследований, связанных с изучением воздействия физико-механических свойств на рост и развитие растений. Оказывается, все очень просто: эти работы выполнены в содружестве с почвоведами или агрономами. Более того, близкое знакомство с опытом работы некоторых подобных лабораторий США показал, что в их штатах должности агрономов и почвоведов обязательны. О полезности содружества инженеров-механиков с почвоведами свидетельствует опыт работ по созданию и экспериментальной проверке скоростных плугов (П.У. Бахтин, 1969). В 50-ые годы прошлого века на базе завода им. Октябрьской революции (г.Одесса) были сформированы группы ученых из разных специалистов, выработаны агротребования к орудиям, в краткие сроки созданы плуги, которые затем были успешно испытаны в разных почвенно-климатических зонах страны. 114 Другой пример - опыт совместной разработки инженерами-механиками и почвоведами стандарта допустимого воздействия ходовых систем мобильных машинно-тракторных агрегатов на почву (В.А. Русанов и др., 1986; В. ввтенко и др., 2007). Это поистине революционная разработка, положившая начало так называемым почвофильным МТА, способствующая приостановлению тенденции неумеренного воздействия техники на почву. К сожалению, больше подобных примеров практически нет, как и нет существенного улучшения в решении проблемы приостановления машинной деградации почв - переуплотнения, обесструктуривания, коркообразования и, конечно, упрочнения. Ключ к решению вопроса - в усилении интереса к изучению физико-механических свойств почв, выработке принципиально новых требований (скорее, ограничений) в конструировании и эксплуатации сельскохозяйственной техники. Нужно, чтобы эти свойства (и в их числе твердость) стали также популярны, как, например, изучение содержания в почве гумуса, питательных элементов, гранулометрического состава. Твердость как наиболее корректный показатель прочностных свойств почв должен получить широкое распространение в конструировании и эксплуатации почвообрабатывающей техники. Также оказалось неразработанным важнейшее направление исследований, объясняющее силовые взаимодействия корня с почвой. Очень мало данных об оптимальных и неоптимальных уровнях прочности для конкретных сельскохозяйственных культур. И еще меньше материалов о том, как не допустить быстрого наступления избыточной прочности при высыхании почвы. Использование твердости может послужить развитию некоторых важных направлений в почвоведении и земледелии. Например, картографирование физического состояния почв в целях обоснования того или иного способа обработки, глубины рыхления, необходимости разрушения плужной подошвы. Ясное представление о прочностных параметрах почв и возможной их динамике при изменении влажности почв (реологические свойства), помогло бы уточнить время наступления физической спелости почв. Ведь этот важнейший параметр до сих пор определяется «на глазок», а период, в течение которого почва пребывает в наиболее пригодном для обработки состоянии, вообще остается неизвестным. Имея твердость в качестве индикатора многих свойств почв, а пенетрометрирование как высокопроизводительный 115 метод зондирования, легко прогнозировать его широкое применение в картографировании, в том числе становлении принципиально нового типа картографирования в 2-х и 3-хмерном форматах и в особенности для развития учения о горизонтальном профиле почв (С.В. Горячкин, 2006). В зависимости от складывающихся параметров прочностных свойств оказалось бы возможным уточнить зоны применения специальных упрочненных орудий, найти вполне обоснованные нормы выработки, в том числе для орудий, которые не поддаются обычному динамометрированию. Не менее значительны перспективы применения твердости в генетическом почвоведении, например, при изучении анизотропности строения почв, при вертикальном зондировании дифференцированных профилей (не исключено, что в этом случае этот метод окажется ничуть не хуже метода электромагнитной индикации), а также в точном земледелии, в мелиоративной практике. Полагаем, что сомнений в отношении перспективности применения твердости с исследовательскими и прикладными целями у читателя не осталось. Вместе с тем, для того чтобы описанные аспекты стали реальностью, нужно еще пройти немалый путь. Нужны современные твердомеры, ибо даже наиболее популярный из них твердомер Ревякина, следует оставить в прошлом. Причем твердомеры с автоматической записью измерений и возможностью переноса результатов в порт компьютера. Такие твердомеры были бы полезны и исследователю, и агроному. Нужны четкие прописи для проведения пенетрации (в отношении ассортимента наконечников в зависимости от целей и почвенно-агротехнических условий, техники проведения измерений, обязательного учета консистенции почвы во время измерения). Нужны оценочные нормативы, причем желательно с учетом региональной специфики почв и требований выращиваемых культур. При выполнении этих условий твердость как индикатор, прежде всего, прочностных характеристик почвы, и пенетрометр как современный прибор для проведения исследований в полевых условиях станут полноценными помощниками почвоведа и агронома. 116 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Итак, книга, представленная Вашему вниманию, посвящена лишь одному показателю - твердости почв. Конечно, Вы, читатель, вправе высказать сомнение, имеет ли какую-либо перспективу подход к оценке почвы - сложной (гетерогенной, полидисперсной, анизотропной, неоднородной в пространстве и во времени) системе - по одному показателю. И, конечно, Ваши сомнения будут справедливы. Для того чтобы получить о почве хотя бы относительно полное представление понадобятся сотни показателей. Но есть в этой системе забытые или почти забытые стороны, которые традиционно остаются вне внимания исследователя и практика. Мы хотели обратить внимание на одну чрезвычайно важную сторону почвы - ее прочностные характеристики. Для оценки почвы в прочностном отношении используют показатели сдвига, трения, внутреннего сцепления и другие. Твердость в этом ряду занимает особое место. Если в качестве наконечников твердомера использовать клин, конус, диск и другие, то можно определить сопротивление почвы расклиниванию, сжатию, разрушению и разнообразные суммарные виды сопротивлений. Иначе говоря, получить почти адекватное представление о том, какие усилия требуется затратить корню растения или рабочему органу почвообрабатывающего орудия, для того чтобы преодолеть сопротивление почвы и, в конце концов, обеспечить успешное ее освоение в первом случае, и тщательную разделку при обработке - во втором. Ввиду важности этих вопросов для агрономической практики и конструирования почвообрабатывающих орудий исследование прочностных показателей получило определенное развитие, однако завершенной теории прочности почвы и ясного прикладного преломления это направление не имеет ни в почвоведении, ни в земледелии, ни в земледельческой механике. Конечно, использование твердости как индикатора прочностных характеристик имеет объективные трудности. Во-первых, большую пестроту показателей создают наконечники. Их форма и угол атаки стандартизированы лишь в США, р остальных странах (в том числе и в Украине) в этом вопрос отсутствуют сколь-нибудь ясные установки. 117 Во-вторых, острая зависимость показателей от влажности. Эти две причины явно снижают интерес к широкому использованию показателя твердости. Но никак не объясняют, почему плотность сложения - массовый (весовой) показатель, связывающийся с прочностными характеристиками нелинейными и ненадежными моделями, определить который в полевых условиях в массовом порядке практически невозможно, получил большое распространение в почвоведении, земледелии и даже активно поддерживается специалистами по механике почв, то есть, там, где в принципе его использовать не следует. Учитывая линейную зависимость твердости от влажности (во всяком случае, в диапазоне, в котором почва обрабатывается), достаточно просто привести показатели твердости к стандартной влажности. В качестве стандартной можно выбрать диапазон, соответствующий влажности физической спелости, при котором почва обычно обрабатывается весной, и диапазон несколько пониженной влажности, при котором почва обычно пашется. Определение характерных показателей твердости в эти периоды позволит разработать требуемые оценочные критерии для выбора способов и орудий механической обработки. Точно также следует поступить с формой и углом атаки наконечника твердомера - их параметры обязательно нужно стандартизировать, причем следует отдать предпочтение клину, ибо и корень, и любое почвообрабатывающее орудие преодолевают сопротивление почвы именно таким способом. Угол атаки должен составлять 30°, ибо при этом образуется оптимальное соотношение длины наконечника с площадью сечения и уменьшается шероховатость поверхности и, следовательно, сопротивление на преодоление вредного трения. Но указанные стандартные параметры нужны лишь для производственных целей. Что же касается исследований, то тут возможны любые оправданные формы и углы атаки наконечников. По нашим данным пенетрометрирования с помощью разных по форме и углу атаки наконечников, наименее энергоемким будет способ обработки почв с помощью последовательного преодоления сначала сопротивления разрыву, а затем расклиниванию, причем в последнем случае расклинивание должно осуществляться по межагрегатной пористости и не разрушать 118 агрегат агрономического ценного размера. Таким способом можно устранить опасность машинной деградации почв. Опираясь на имеющиеся наблюдения твердости в различных почвах страны и допустимые параметры твердости, преодолеваемые сельскохозяйственными культурами в ключевые фазы их онтогенеза, мы попытались выработать принципы использования параметров твердости для решения вопросов о проведении предпосевных культиваций, основной обработки, различных дополнительных обработок. Они коротко таковы: - принципиально можно принять (аналогично тому, как это допускается при использовании данных плотности сложения), что при оптимальных параметрах твердости основная обработка минимизируется как в отношении способа, так и глубины вплоть до полного отказа от ее проведения вообще. Последнее становится вполне оправданным, если по наблюдениям за несколько лет при возделывании различных культур твердость не поднимается до величины 20-25 кгс/см 2 в течение вегетации культуры, в том числе не выше 33 кгс/см 2 - в наиболее засушливый период года; - используя модель для расчета твердости и необходимые для этого данные влажности почв, соответствующие физической спелости, содержания физической глины и равновесной плотности сложения в пахотном слое, мы получили примерную равновесную твердость почвы, на основании которой можно выработать рекомендации о необходимости (или ненужности) основной обработки почвы (табл. 8.2). Проведя соответствующие измерения твердости в период, предшествующий проведению основной обработки (твердомером с коническим наконечником) и сопоставив полученные данные с табличными, можно решить вопрос, обрабатывать поле или нет. Если измеренные величины плотности оказываются меньше табличных для соответствующей почвы, в проведении основной обработки нет никакой необходимости. Конечно, как и в случае с плотностью сложения, нужно иметь в виду, что это вывод характеризует потенциальные возможности данной почвы не упрочняться выше допустимой величины; - наилучшие физические условия в почве в предпосевной период формируются при небольших (не более 10-15 кгс/см 2 ) параметрах твердости, а для мелкосемянных культур - не более 10 кгс/см 2 . Далее с упрочнением почвы физические свой119 ства ухудшаются и требуется более интенсивная и более глубокая (табл. 8.1) ее разделка для получения благоприятного физического состояния и прочности; - твердость - надежный показатель для решения вопроса о проведении дополнительных обработок, направленных на уничтожение плужной подошвы, поверхностной корки, послеплужных рыхлений и т.д. В каждом из этих случаев, используя выработанные критерии, можно решить вопрос о нужности или ненужности перечисленных дополнительных обработок Твердость в этом плане может служить вспомогательным инструментарием для агронома. Перечисленным не исчерпывается прикладная ценность твердости. Этот показатель может быть более точным и более выгодным по времени при использовании в целях оценки качества выполненной обработки почв. В книге можно найти некоторые конкретные оценочные параметры для выполнения наиболее распространенных операций на почвах среднего и тяжелого грансостава при возделывании большинства культур средней полосы. К сожалению, в литературе явно недостает данных для решения подобных вопросов в других регионах, особенно аридных и гидроморфных. Точно также требует доработки совершенно корректная идея об использовании твердости и рассчитанной по этому показателю выполненной работы в целях нормирования механизированных полевых работ. Твердомер и пенетрометрирование при этом кажутся явно предпочтительными в сравнении с устаревшим динамометрированием либо любыми другими косвенными способами оценки. В книге достаточно много внимания уделено использованию твердости в точном земледелии для исследования пространственной неоднородности физического состояния поля и последующей выработки директив для дифференцированной его обработки. Кажется, здесь преимущества твердости как индикатора точного земледелия реализуются в полной мере. Более того, мы уверены, что именно такие индикаторы как твердость способны вытянуть это направление из тупика, где оно сегодня оказалось из-за отсутствия экспрессных методов изучения пространственной неоднородности в режиме on-line. Наконец, все выше изложенное, надеемся, подтверждает высказанное в книге предложение о целесообразности более 120 широкого использования твердости в самых разнообразных направлениях. Исследования прочностных характеристик почвы с помощью пенетрометрирования имеет важное значение как часть все еще недостаточно исследованных физикомеханических свойств почв, для формирования теории сопротивления почвы и выработки рациональных и безопасных путей ее преодоления, а также решения многочисленных прикладных вопросов и, прежде всего, улучшения практики обработки почвы и конструирования почвообрабатывающих орудий. У нас складывается твердое убеждение, что твердомер и пенетрометрирование имеют хорошие перспективы в почвоведении, земледелии и земледельческой механике. После некоторого забытья популярность пенетрометра в мире возрастает. Его совершенствованию и расширению аналитических возможностей сегодня уделяется много внимания в разных странах. Пенетрометр дооборудуется TDR (для измерения содержания влаги в почве), датчиком для измерения температуры, волокнистой лазерной флуоресцентной оптикой (для изучения химического состава почв), автоматической записью и обработкой результатов (включая картографирование). Есть все основания надеяться, что вскоре на вооружение исследователя и практика поступит уникальный прибор, который поможет в правильном использовании и охране почв. Надеемся, что оптимизм, которым проникнуто наше отношение к твердости, вполне оправдан, и читатель вместе с нами его разделит. 121 The General Conclusion So, the book, presented to your attention, is devoted only to one parameter - to soil penetration resistance (SPR). Certainly, you, the reader, have the right to state doubt, whether has any prospect the approach to an estimation of soil - complex (heterogeneous, polydisperse, anisotropic, heterogeneity in space and in time) system - on one parameter. And, certainly, your doubts will be fair. To receive about soil even rather full representation hundreds parameters will be necessary. But there are in this system forgotten sides or forgotten nearly so which traditionally remain outside of attention of the researcher and an expert. We wished to pay attention to one extremely important side of soil of it durable characteristics. For an estimation of soil in durable attitude use parameters of shift, friction, internal coupling and others. SPR in this number takes a special place. If as tips penetrometer to use a wedge, a cone, a disk and others it is possible to define resistance of soil to wedging, to compression, destruction and various total kinds of resistance. In other words, to receive almost adequate representation about what efforts are required to be spent to a root of a plant or working body of the soil-cultivating instrument to overcome resistance of soil and, eventually, to provide its successful development in the first case, and careful cutting at tillage - in the second. In view of importance of these questions for agronomical practice and designing of soil-cultivating instruments research durable parameters has received the certain development, however this direction has no completed theory of durability of soil and clear applied refraction neither in soil science, nor in agriculture, in the agricultural mechanics. Certainly, use of SPR as indicator durable characteristics has objective difficulties. First, greater diversity of parameters is created with tips. Their form and a corner of attack are standardized only in the USA, in other countries (including in Ukraine) in this question there are no a little clear installations. Secondly, sharp dependence of parameters on humidity. These two reasons obviously reduce interest to wide use of a parameter of SPR. But in any way do not explain, why bulk density - the mass (weight) parameter contacting durable characteristics by nonlinear and unreliable models, to determine which in field conditions in the mass order it is practically impossible, has received the big distribution to soil science, agriculture and 122 even it is actively supported by experts on the soil mechanics, that is, there, where basically it to use does not follow. Considering linear dependence of SPR on humidity (anyway, in a range in which the soil is tilled), simply enough to lead parameters of SPR of standard humidity. As standard it is possible to choose a range corresponding humidity of physical ripeness at which the soil is usually tilled in the spring, and a range some the lowered humidity at which the soil is usually ploughed. Definition of characteristic parameters of SPR during these periods will allow to develop demanded estimated criteria for a choice of ways and instruments of tillage. Precisely also it is necessary to act with the form and a corner of attack of a penetrometer tip - their parameters should be standardized, and it is necessary to prefer a wedge for both the root, and any soil-cultivating instrument overcome resistance of soil in such a way. The corner of attack should make 30° for thus the optimum ratio of length of a tip with the area of section is formed and the roughness of a surface and, hence, resistance decreases for overcoming of harmful friction. But the specified standard parameters are necessary only for the industrial purposes. As if to researches then any justified forms and corners of attack of tips are possible. On our data penetromeasuring by means of different under the form and a corner of attack of tips, the least power-intensive will be a way of soil tillage by means of consecutive overcoming all over again resistance to break, and then wedging, and in the latter case wedging should be carried out on interaggregate porosity and not destroy the unit of the agronomical valuable size. In such a way it is possible to eliminate danger of soil machine degradation. Basing on available supervision of SPR in various soils of the Ukraine and the admissible parameters of SPR overcome by agricultural crops in their key phases ontogenesis, we have tried to develop principles of use of parameters of SPR for the decision of questions on carrying out of preseeding cultivations, the basic tillage, various additional tillage. They are shortly those: - it is essentially possible to accept (to similarly how it is supposed at use of data of bulk density), that at optimum parameters of SPR the basic tillage is minimized as concerning a way, and depth down to full refusal of its carrying out in general. The last becomes quite justified if on supervision for some years at cultivation of various cultures SPR does not rise up to size of 20-25 kg/sm 2 during vegetation of culture, including not above 30 kg/sm 2 - during the most droughty period of year; 123 - using model for calculation of SPR and data of humidity necessary for this soils, corresponding physical ripeness, content of physical clay and equilibrium bulk density in an arable layer, we have received provisional equilibrium SPR, on the basis of which it is possible to develop recommendations for necessities (or uselessness) the basic tillage of soil (tab. 8.2). Having lead corresponding measurements of SPR during, basic tillage previous carrying out (by penetrometer with a conic tip) and having compared obtained data with tabulated, it is possible to solve the problem, till a field or not. If the measured sizes of SPR appear less tabulated for corresponding soil, in carrying out of the basic tillage there is no necessity. Certainly, as well as in case of with bulk density, it is necessary to mean, that it is a conclusion characterizes potential opportunities of the given soil to not be strengthened above admissible size; - The best physical conditions in soil during the preseeding period are formed at small (no more than 10-15 kg/sm 2 ) parameters of SPR, and for smallseed cultures - no more than 10 kg/sm 2 . Further with hardening soil physical properties worsen and (tab. 8.1) its cultivating for reception of a favorable physical condition and durability is required more intensive and deeper; - SPR is a reliable parameter for the decision of a question on carrying out of the additional tillage directed on destruction of furrow bottom, superficial crust, afterplowing loosening etc. In each of these cases, using the developed criteria, it is possible to solve the problem about uselessness or useless of additional tillage. SPR can serve in this plan auxiliary toolkit for the agriculturist. Listed applied value of SPR is not exhausted. This parameter can be more exact and more favourable on time at use with a view of an estimation of quality of the executed soil tillage. It is possible to find some concrete estimated parameters in the book for performance of the most widespread operations on soils average and heavy texture at cultivation of the majority of cultures of an average strip. Unfortunately, in the literature obviously there are no data for the decision of similar questions in other regions, especially arid and hydromorphyc. Precisely also absolutely correct idea about use of SPR and the performed work calculated on this parameter with a view of normalization of the mechanized field works demands completion. Penetrometer and penetromeasuring thus seem obviously preferable in comparison with become outdated dynamomeasuring or any other indirect ways of an estimation. 124 In the book a lot of attention is given to use of SPR in precise agriculture for research of spatial heterogeneity of a physical condition of a field and the subsequent development of instructions for its differentiated tillage. It seems, here advantages of SPR as indicator of precise agriculture are realized to the full. Moreover, we are assured what exactly such indicators as SPR are capable to extend this direction from deadlock where it today has appeared because of absence of express methods of studying of spatial heterogeneity in a mode on-line. At last, all above stated, we hope, confirms the offer stated in the book on expediency of wider use of SPR in the diversified directions. Researches durable characteristics of soil by means of penetromeasuring the great value as has a part still not enough the investigated physical-mechanical soil properties, for formation of the theory of resistance of soil and development of rational and safe ways of its overcoming, and also the decision of numerous applied questions and, first of all, improvements of practice of tillage of soil and designing of soil-cultivating instruments. We have a firm belief, that penetrometer and penetromeasuring have good prospects in soil science, agriculture and the agricultural mechanics. After some drowsiness popularity of penetrometer in the world increases. A lot of attention in the different countries today is given its perfection and expansion of analytical opportunities. If penetrometer is equiped additionaly TDR (for measurement of moisture content in soil), the gauge for measurement of temperature, fibrous laser fluorescent optics (for studying a chemical composition of soil), automatic record and processing of results (including mapping), there is all the bases to hope, that soon on arms of the researcher and an expert the unique device which will help with correct use and protection of soil will act. We hope, that optimism by which our attitude to SPR is got, it is quite justified, and the reader together with us will divide of it. 125 ЛИТЕРАТУРА Акентьева Л.И. Влияние плоскорезной обработки на эффективность удобрения и свойства почв. В сб.: «Защита почв от эрозии». ВАСХНИЛ ЮО. Киев, 1981, с. 71-77. Андриука В.П. Физико-механические свойства почв Молдавии. Тез. докл. 8 Всес. съезда почвовед. Новосибирск, 14-18 августа, 1989. Кн. 1. Новосибирск, 1989. С. 126. Бахтин 77.У. Динамика физико-механических свойств почв в связи с вопросами их обработки. Тр. Почвенного Института им. В.В.Докучаева. 1954, т.45, с. 43-215. Бахтин П.У., Львов А.С. Динамика твердости некоторых почв Среднего Заволжья и Южного Зауралья // Почвоведение, 1960, № 5, с. 53-63. Бахтин П.У. Исследования физико-механических и технологических основных типов СССР. М: Колос, 1969. 272 с. Бондарева В.Ю. Твердость дерново-подзолистой почвы при различной обработке // Вестн.МГУ. Сер. Почвовед, 1982, №2, с. 21-27. Вадюнина А.Ф., Корчагина ЗА. Методы исследования физических свойств почв и грунтов. М: Высшая школа, 1973. 400 с. Вилде А.А. О закономерностях изменений твердости почв. Механизация и электрификация сельского хозяйства. Рига, 1978, вып.4, с. 167-178. Ворона Л.И., Медведев В.В. и др. Полимеры повышают урожайность льна. Ж. «Лен и конопля», 1983, №6, с. 29-30. Горд1енко В.П., МалЬенко A.M., Грабак Н.Х. Прогресивш системи оброб1тку грунту. Симферополь. 1998. 279 с. Горохов П.В. Некоторые аспекты понятия «твердость почвы» применительно к исследованию процесса рыхления // Почвоведение, 1990, №2, с. 56-67. Горячкин С.В. Проблема приоритетов в современных исследованиях почвенного покрова: структурно-функциональноинформационный подход или парциальный анализ. Научные труды «Современные естественные и антропогенные процессы в почвах и геосистемах». М. 2006, с. 53-80. 126 Дояренко А.Г. Избранные сочинения. М. Изд-во с.-х. литры. 1963. 496 с. Свтенко В., Линдта Т., Медведев В., Цибулько В. Техшка с1льськогосподарська мобшьна. Норми ди ходових систем на грунт. ДСТУ 2521:2006. Кшв. Держспоживстандарт Украши. 2007, 4 с. Зимагулов А. Одновременный замер плотности и влажности почвы. Совмещение операций в земледелии // Тез. докл. республ. научно-техн. конф. мол. ученых и спец. с.-х. Казань, 1980. С. 77-79. Карпачевский JI.O. Некоторые методические аспекты учета пространственной неоднородности в почвоведении. В кн.: Масштабные эффекты при исследовании почв. Изд. МГУ, 2001, с. 39-46. Каспиров А.И. Обработка почв как средство урожайности. M.JI. Сельхозгиз, 1954 ,199 с. повышения Качинский НА. Свойства почвы как фактор, определяющий условия работы сельскохозяйственных машин // Почвоведение, 1937, №8, с. 1119-1138. Корнблюм Э.А., Любимова И.Н., ИвановА.М. О роли изменений плотности и твердости в образовании слитых черноземов Кубани. Почвоведение, 1977, №1, с. 14-30. Липатов Д.Н. Плотность серых лесных почв Владимирского Ополья и факторы ее определяющие: Автореф. дис. ... канд. биол. н. М: Изд-во МГУ, 2000. 24 с. Личук Т.€. Шркоутворення на грунтах швшчно-захщного региону Украши як один з видов ix деградацп: причини, попередження: Дис. канд. ... с.-г. н. Харк1в, 2007. 186 с. Лыков A.M. Органическое вещество и плодородие дерновоподзолистой почвы в условиях интенсивного земледелия. Известия ТСХА, вып.5, 1973, с. 30-41. Макарец И.К. Почвенные показатели, характеризующие сопоставимость данных, полученных при испытаниях сельскохозяйственных машин // Тр. Всес. НИИ сельхозмашиностроения, М: Машгиз, 1962. Вып. 32. С. 67-76. Мал1енко A.M. HayKOBi основи оброб1тку дерновошдзолистх грунт1в Полшся. Автореферат дис. докт. наук. Ки1в, 1997, 48 с. 127 Медведев В.В.,Назарова Д.И., Нестеренко А.Ф., Михновская А.Д., Щербак И.Е. Влияние плоскорезной обработки почвы на плодородие южных черноземов. Сб.: «Защита почв от эрозии». ВАСХНИЛ ЮО. Киев, с.62-71. Медведев В.В. Неоднородность почв и точное земледелие. Часть 1. Введение в проблему. Харьков: 13 типография, 2007. 296 с. Медведев В.В. Оптимизация агрофизических свойств черноземов. М: Агропромиздат, 1988. 158 с. Медведев В.В. Теоретические и прикладные аспекты оптимизации физических свойств черноземов: Дисс....докт. биол. н. М., МГУ, 1982. 434 с. Медведев В.В. Перспективш методи вивчення грунт1в у режимах in-situ i on-line (за даними новггшх публшацш). Агрох!м1я i ^рунтознавство. 2007. Вип.67. С. 10-18. Медведев В.В., Лындина Т.Е., Лактионова Т.Н. Плотность сложения почв. Генетический, экологический и агрономический аспекты. Харьков: 13 типография, 2004. 244 с. Медведев В.В., Лактионова Т.Н. Почвенно-технологическое районирование пахотных земель Украины. Харьков. Изд. «13 типография». 2007, 396 с. Медведев В.В., Лактюнова Т.М., Почепцова Л.Г., Ламар Р. 1нновацшт тенденцп в обробйжу г р у с т в (за результатами м1жнародного проекту «Ощнка i розповсюдження знань про стале землеробство»). Агрох1м1я та ^рунтознавство». Харк1в, 2006, с.79-97. Медведев В.В., ЛЬсовий М.В., Лактюнова Т.М., Линдша Т£. Чешко Н.Ф., Фшатов В.П., Макаров B.I., Гробов В.Г., Mopicon Дж. Технолопя i мобдльна установка до визначення параметр1в родючост! грунту у польових умовах // Охорона родючосп грунт1в. Мат-ли конф. до 40-р1ччя агрох1мслужби Украши. Киев: Аграрна наука, 2004. С. 142-149. Медведев В.В., Слободюк П.И., Цыбулъко В.Г., Чернова М.С. Крошение предварительно уплотненной почвы. Тр.Харьковского СХИ, т. 215, 1976, с. 50-57. 128 Медведев В.В., Цыбулъко В.Г. Влияние орошения на изменение физических и физико-механических свойств черноземных почв. В сб.: «Мелиорация почв Русской равнины». М. Изд. «Наука». 1982, с 81-87. Оганесян А.П. Методика составления картограмм удельного сопротивления почв. Земледелие, 1962, №10, с. 42-49. Позняк С.П. Изменение свойств южных черноземов правобережной Украины под влиянием орошения. Автореф. канд.. дисс. Одесса, с. 20. Ревут И.Б., Соколовская НА., Васильев A.M. Структура и плотность почвы - основные параметры, кондиционирующие почвенные условия жизни растений. Пути регулирования почвенных условий жизни растений. JI: Гидрометеоиздат, 1971. С. 51-125. Ревякин Ю.Ю. Применение плотномера Горячкина для контроля качества обработки почв. Докл. ТСХА. 1986. Вып. 1. С. 11-14. Роктанен Л.С. О понятии «плотность почвы». Тр. научной конференции. Кишинев. 1955, с. 59-61. Русанов ВА., Бондарев А.Г., Медведев В.В., Судаков А.В. и др. ГОСТ 26954-86. Техника сельскохозяйствейственная мобильная. Нормы воздействия движителей на почву. Госкомитет СССР по стандартам. Москва. 1986, 7 с. Слободок П.И. Уплотнение почвы мобильными сельскохозяйственными агрегатами. Харьков, 1997. 122 с. Смагин В.П., Заздравный А.Н. Агрономическое значение твердости почв // Почвоведение, 1981, №2, с.138-141. Смородин Г.С., Паршиков В.В. Влияние сложения пахотного слоя на водно-физический режим и плодородие южных карбонатных черноземов Крыма // В сб.: «Теоретические вопросы обработки почв», Ленинград, 1969, вып. 2, с. 197-204. Сорочкин В.М., Шептухов В. Зависимость физикомеханических свойств почв от их плотности и влажности // Физ. и физ.-мех. свойства почв и их изменение при интенсифик. земледелия. М., 1979. С. 53-71. Сурду М.М., Могыевський В.М., Ламеко О.Л., Ластовченко О.М. Вим1рювач твердоей, вологост1 i температури грунту // 129 36ipHiiK наукових праць НАУ «Мехашзащя сшьськогосподарського виробництва». 2002. Т . Н . С. 135-138. Урсулов А.Н. Динамика твердости почвы в зависимости от ее влажности // Почвоведение, 1938, №6, с. 897-916. Agrawal М. The effect of different soil amendments on crust formation, seedling emergence, dry matter yield of tomato and soil properties. University of Arizona. USA, 1992, pp. 1-69. Alvarez C.R., Taboada MA., Воет F.H.G., Bono A., Fernandez P.L., Prystupa P. Topsoil Properties as Affected by Tillage Systems in the Rollinf Pampa Region of Argentina // Soil Sci. Soc. Am.J. 2009, 73, pp. 1242-1250. Amezketa E., Aragues R„ Perez P., Becero A. Techniques for controlling soil crusting and its effect on corn emergence and production // Spanish Journal of Agricultural Research. 2003, 1(1), pp. 10-110. American Society of Agricultural Engineers (ASAE) Standards. 1999. Soil cone penetrometer, pp. 832-833. In Agric. Eng. Yearbook. ASAE Standard: ASAE 313.3 Feb99. ASAE, St.Joseph, Mi. Bajla B.C., Minarik J. Navhr metody na meranie okamzitej vlhkosti pody u hrote penetrometra // Acta technol. agr. 2003. № 4. P.93-96. Ball B.C., Sullivan M.F. Soil strength and crop emergence in direct drilled and ploughed cereal seedbeds in seven field experiments // I. Soil Sci. 1982. V.33. №4. P. 609-622. Billot J.-F., Palomo Y., Marrionneauu A. Utilitisation d'un penetrometre - enregistreur de precision pour l'etude du tassement du sol par les des engines agricoles. Bull. Informat. du CNEEMA. 1977, 237, pp.47-50. Bolenius E„ Rogstrand G., Arvidsson J., Strenberg В., Thylen L. On-the-go measurements of soil penetration resistance on a Swedish Eutric Cambisol // International Soil Tillage Research Organization 17 th Triennal Conference. Kiel. Germany, 2006. P. 867-870. Bradford J.M. Penetrability. Methods of soil analysis. (Ed. A.Klute). Part 1. 2nd edition. Agron. Mondgr. 9. ASA and SSSA. Madison,Wl, 1986, pp.463-478. 130 Bussoher W.J., Frederick J.R., Baner B.J. Timing effects of deep tillage on penetration resistance and whear and soybean yield. Soil Sci. Soc. Amer. J.2000. 64. №3. P. 999-1003. Durgunoglu H.T., Mitchel J.K. Static penetration resistance of soil. 1 - Analysis. In Proc. Conf. on in situ measurement of soil properties. Vol.1. Am. Soc.Civil Eng. New York, 1975a, pp. 151171. Durgunoglu H.T., Mitchel J.K. Static penetration resistance of soil. 2. Evaluation of theory and implications for practice. In Proc. Conf. on in situ measurement of soil properties. Vol.1. Am. Soc.Civil Eng. New York, 1975b, pp.172-189. Gentile A.R. (Project manager). Proposal for an European Soil Monitoring and assessment frame work. European Environmental Agency. Copengagen, 2001, pp.58. Halfmann DM. Management system effects on water infiltration and soil physical properties. Master 's thesis.Texas Tech University. 2005. Available electronically from http//hdl.handle.net /2346/1238. Herric J.E., Jones T.L. A dynamic cone penetrometer for measuring soil penetration resistance. Soil Science Society of America Journal. 2002, 66, pp. 1320-1324. Ermich D., Landmann R. Beziehungen zwichen Durchdringungs niderstang und trockenrondichte in Abhangig keit vom Bodenwassecgehalt auf ausgenahlten Bodensubstaten, Wiss. Z. M. Luthen. Univ. Halle-Wittenberg. Math, natururiss. R. 1982. V.31. №4. Pp. 15-25. Godwin R.J., Wagner N.L., Smith D.L. The development of a dynamic drop-cone device for the assessment of soil strength and the effects of machinery traffic // J. Agric. Eng. Res. 1991,48, pp. 123-131. Grunark S., Rooney D.J., McSweeney K., Lowery B. Development of pedotransfer functions for a profile cone penetrometer // Geoderma. 2001. V.100. №1-2. Pp. 25-47. Grunwald S.P., Barak P., McSweeney, Lowery B. Soil landscape models at different scales portrayed in virtual reality modeling language (VRML) // Soil science, 2000, 165, pp. 598615. 131 Grunwald S., Rooney K., McSweeney, Lowery B. Development of pedotransfer functions for a profile cone penetrometer // Geoderma, 2001, 100, pp. 25-47. Grimes D.W., Miller R.T., Schweers V.N., Smith R.B., Willey P.L. Soil strength modification of root development and soil water extraction // Calif. Agr. 1972. V.26. №11. Pp. 12-14. Hammel L.E. Long-term tillage and crop rotation effects on bulk density and soil impedance in Northern Idaho // Soil Sci. Soc. Amer. I. 1989. V.53. № 5 Pp. 1515-1519. Laboski СЛ., Dowley R.H., Allmaras R.R., Lamb J A. Soil strength and water content influences on corn root distribution in a sandy soil // Plant and Soil. 1998. V.203. №2. P. 239-247. Lehrsch G„ Kincaid D. Sprinkler droplet energy effects on soil penetration resistance and aggregate stability and size distribution // Soil Science, 2006, 171 (6), pp. 435 - 447. Lipiec J., Tarkiewicz S. The influence of water content and bulk density on penetration resistance of two soils // Zesz. probl. Post, nauk rol. 1990 (1991). №338. Pp. 99-105. Lowery В., Morrison J.E. Soil penetrometers and penetrability. In "Methods of Soil Analysis, Part 4, Physical Methods". Eds J.H.Dane, G.C.Topp. Soil Science Society of America, Inc.: Madison, W l , 2002, pp. 363-388. Morrison J.E.Jr., Bartek LA. Design and field evaluation of a hand-pushed digital soil penetrometer with two cone materials. Transactions of the ASAE. 1987. V.30(2). Pp. 646-651. Morrison J.E., Lowery В., Hart G.L. Soil penetrometer for sensing soil water content as in soil characterization for sitespecific farming, pp. 121-129. In Proc. Agrophysical and Ecological Problems of Agriculture in the 21st Centure. Vol.2, 2000, 6-9 Sept. 1999. International Soil and Tillage Research Organization. St. Petersburg, Russia. Reinert D.J., Suzuki L.EA.S., Reichert J.M. Interrelation of mechanical and physical soil properties of six south Brazilian soils under no-tillage // International Soil Tillage Research Organization 17th Triennial Conference, Kiel. Germany. 2006. Pp. 1598-1602. Reinert D.J., Wolkowski R.P., Lowery В., Arriaga F.J. Compaction effects on plant water use. Proc. 2001 Fertilizer, Aglime and Pest Mgmt. Conf. 40, pp. 222-232. 132 Riedell W.E., Osborne S.L., Pikul J.L.Ir., Schumacher Т.Е. Tillage and crop residue effects on soil physical properties and corn yield. Soil Water Research. South Dakota University. 2006. Progress Report, Agr. Exper. Stat, pp. 1-5. Riedell W.E., Pikul J.L.Ir., Osborne S.L., Schumacher Т.Е. Soil penetrometer resistance and corn yield under tilled and no-till soil management. South Dakota State University. Soil Water Research Report. Soil PR, 2005, pp. 04-40. Rooney D., Norman J., Stelford M. Mapping soils with a multiple-sensor Penetrometer. Proc. W1 Fertilizer, Aglime and Pest Mgmt. Conf., Madison, 2001, pp. 213-221. Roque M.W. et al. Linear and spatial correlation between the penetration resistance and irrigated bean yield. Rev. Dras. Ciknc Solo (online). 2008, vol. 8, n. 5, pp.1827-1835. Vachel Jan, Ehrlich Petr. Vyuzifi penetrometricki metody mereni pevnosti zemin v prbzkumech pro odvodneni. Vedpr. Vu zurod. zemedel. Fud. Praha, 1988. №5. Pp. 131-140. Vagans C., Minasny В., A. B. McBratney. The dynamic penetrometer for assessment of soil mechanical resistance. Supersoil 2004: Proceeding of the 3th Australian New Zealand Conference. University of Sydney, Australia.2004. Zahradnijek J., Beran P., Pulkrabek J., Svachula V., Famera P., Scoller J., Chochova J. The effect of physical soil properties on metabolism and technological quality of sugar beet. Rosl. Vyroba. 2001. №1. Pp. 23-27. 133 ПРИЛОЖЕНИЯ 1. Структура базы аналитической информации о свойствах почв Украины, собранной в рамках международного проекта ЕС INCO-COPERNICUS "Subsoil overcompaction of the Central and Eastern European countries" (фрагмент твердость почв). База составлена под руководством канд. с.-х. наук Т.Н.Лактионовой. Обработано источников литературы - 180 (в базу включены работы украинских авторов, а также работы, выполненные зарубежными авторами, объектами исследования в которых были почвы Украины). Все ссылки на авторство материалов имеются в базе данных. В базу включено всего 50 исследовательских вариантов, в том числе: способы, глубина и орудия основной обработки (вспашка, плоскорез, чизель, поверхностная обработка, прямой посев), способы предпосевной обработки, различные агрофоны, навоз, минеральные удобрения в дозах внесения NPK от 0 до 180 кг д.в., уплотнение почвы ходовыми системами колесных и гусеничных тракторов классов 0,6 т (масса 1450 кг), 1,4 т (3000 кг), 2 т (4580 кг), Зт (6300 кг). Почвы - дерново-подзолистые, в том числе глееватые виды, темно-серые оподзоленные, черноземы типичные, черноземы обыкновенные, черноземы южные, темно-каштановые. Грансостав - от супесчаных до тяжелосуглинистых. Всего измерений твердости в базе данных около 700, с учетом повторностей свыше 7000. Метод измерения - твердомером Ревякина с наконечниками - конус и плоский диск диаметром 10 мм. Скорость погружения плунжера в почву 1 м/с. Глубина измерений - пахотный и подпахотный слои, в отдельных вариантах - до почвообразующей породы. Направление погружения наконечника - вертикальное и тангенциальное (для изучения анизотропности). Измерения проведены под следующими культурами: кукуруза, пшеница, ячмень, рожь, овес, многолетние травы, сахарная свекла, подсолнечник, картофель. Сопутствующие наблюдения: естественная влажность, удельная масса, плотность сложения, структурный состав, общая и дифференциальная пористость, урожай, наблюдения за основными погодными параметрами, в отдельных опытах наблюдения за массой, морфологией и продуктивностью корневой системы, Вид эксперимента - полевой стационарный опыт (длительный, до 8-9 лет), кратковременный полевой опыт (продолжительностью 1-3 года), модельные лабораторные эксперименты в специальных сосудах. 134 135 141 143 150 J Научное издание ТВЕРДОСТЬ ПОЧВ Медведев Виталий Владимирович На русском языке Компьютерная верстка - Луханина Е.Н.
