Анализ научных исследований и пути совершенствования технологии возделывания картофеля

Технология возделывания картофеля - это комплекс организационно- технологических мероприятий, выполняемых в строго определенной последовательности с целью получения максимального урожая высококачественных клубней и обеспечивающих сохранение плодородия почв и рациональное использование энергоресурсов. В более узком смысле под технологией понимают схемы и принципы обработки почвы, выполнение технологических приемов.

Непрерывное совершенствование техники и технологии, систематическое обобщение передового опыта и научных достижений способствует повышению уровня механизации возделывания и уборки картофеля. Механизации возделывания и уборки картофеля посвящены А.А.Герасимова [44,45], Е.А.Глухих [46,47], В.П.Горячкина [48], М.И.Кана [106], Н.М.Постникова [199,200,201], К.А.Пшеченкова [203,204,205,206], А.П.Дорохова [78,82,84], В.С.Кожемякина [101], В.А.Завора [92,93] и других.

Значительный вклад в проектирование рабочих органов и совершенствование различных технологических схем в картофелеводстве внесли М.Е.Мацепуро [160], Г.Д.Петров [186,187,188], Е.А.Глухих [46], А.П.Иофинов [104], С.А.Герасимов [46], А.И.Замотаев [95,96], Б.А.Писарев [183,184], В.И.Виноградов [29,30,31], Г.Д.Петрягин [189], Н.А.Печерцев [190,191], К.А.Пшеченков [203-206] и многие другие.

Разнообразие почвенно-климатических условий привело к разработке и применению большого числа технологий, базирующихся на использовании различной ширины междурядий (70; 90; 140; 60+80; 110+30; 90+50 см), различных способах привода рабочих органов, конструктивных решений и последовательности их использования [127,178,206] (рис.1.5). Традиционная технология возделывания картофеля предусматривает проведение вспашки в осенний период, внесение и заделку органо-минеральных удобрений до посадки весной, перепашку или дискование, нарезку гребней, посадку с междурядьями 70 см, проведение 1-2 обработок почвы до всходов, внесение гербицидов и окучивание перед смыканием ботвы,

В 80-е годы прошлого столетия во ВНИИКХ была разработана «заворовская» технология, основанная на локальном внесении удобрений, использовании ротационных рыхлителей, подпружиненных боронок, 2-х- и 3-х ярусных стрельчатых лап при уходах за посадками картофеля. Использование пассивных рабочих органов позволяло на бедных почвах поддерживать оптимальную плотность и комковатость почвы, сдерживать сорную растительность на период вегетации посредством 5-6 обработок. Технически это наиболее оснащённая технология, но имеет недостатки: уплотнение почвы колёсами тракторов, повреждение растений при уходах, позеленение клубней. Изменившийся видовой состав сорных растений уже невозможно подавить только механическим способом. Применение гербицидов становится обязательным, что, в свою очередь, обеспечивает возможность сокращения количества междурядных обработок.

 

 

Посадка

 

 

в борозды

одинако-вые междурядья

разные междурядья

колея 1400

колея 1500

колея 1800

глад-кая

гребневая

 

 

 

Рисунок 1.5.- Технологические схемы подготовки почвы, посадки картофеля, внесения удобрений и ухода за посадками.[ 5 ]

Технология с междурядьями 90 см обеспечивает снижение затрат труда и себестоимости на 30% (табл.1.8) по сравнению с технологией с междурядьями 70-75 см в условиях повышенного и недостаточного увлажнения. При уборке комбайнами на сепаратор поступает почвы на 30-40% меньше (табл.1.8). Повреждения картофеля колеблются в зависимости от применяемой в конкретных условиях технологии в 6,8 раза, потери - в 3, засоренность вороха - в 8,8 раза. Внедрение широкорядных и ленточно-грядовых технологий ограничивается тем, что промышленностью стран СНГ не налажено серийное производство соответствующих машин.

 

Таблица 1.8 Влияние технологии возделывания на урожайность и качество комбайновой уборки на почвах разных типов (В. И. Старовойтов, д-р техн. наук, зав. лабораторией ГНУ ")

Технология	Почва
Суг-линки	Супесь	Пере-увлаж- няю-щаяся	Суг-линки	Супесь	Пере-увлаж- няю-щаяся	Суг-линки	Супесь	Пере-увлаж- няю-щаяся
Урожайность т/га	Содержание примесей, %	Повреждения, %
Интенсивная	29,1	23,6	21,3	25,0	9,4	20,6	16,0	5,0	7,6
Западно-европейская	29,8	22,9	20,2	6,9	4,8	17,6	13,0	2,7	5,1
Грядо-ленточная	28,6	19,7	23,0	18,5	16,0	16,3	19,0	19,1	15,0
Широко-рядная*	33,7 (30,3)	22,6 (19)	20,8 (21,5)	5,0 (14)	10,1 (17,5)	26,0 (25)	13,6 (14)	12,4 (18,5)	18,3 (7,3)

*С использованием на уходе активных (пассивных) рабочих органов.

 

В настоящее время картофель выращивают во всех основных почвенно-климатических зонах. Министерством сельского хозяйства РФ разработаны рекомендации по видам и способам обработки почвы под картофель для зоны Южного Урала (табл. 1.9).

Таблица 1.9 Виды обработки почвы под картофель [32-34]

Типы почв	Обработка	Срок проведения	Машина и орудие	Рабочие органы
Летне-осенний период
Все типы почв, кроме подвержен-ных эрозии	Лущение	Вслед за уборкой зерновых	Лемешные лущильники	Отвально-лемешные корпуса
Поля, засоренные корнеотпрысковыми и корневищными сорняками (две обработки)	Дискование	Первая обработка вслед за уборкой зерновых; вторая при появлении розеток сорняков	Дисковые лущильники	Сферические диски
Все виды почв	Отвальная вспашка	Через 1-2 недели после лущения	Плуги	Отвальные корпуса
Вспашка	Вслед за уборкой зерновых, про-пашных культур	Роторные плуги	Роторный рабочий корпус
Весенний период
Все виды почв	Боронование в два следа	Ранней весной	Зубовые бороны	Зубья борон
Почвы с повышен-ной плотностью (дополнительная обработка)	Культивация с боронованием	Ранней весной	Культиваторы и зубовое бороны	Стрельчатые лапы и зубья борон
Все виды почв	Углубление под-пахотного гори-зонта без выво-рачивания его с гумусовым слоем	Перед посадкой	Плуги	Безотвальные корпуса с поч-воуглубителями
Песчаные и супес-чаные почвы	Перепашка зяби с внесением ам-миачной воды	Перед посадкой	ПН-4-35 с ЗБ3ТУ-1,0 и с ПОУ	Безотвальные корпуса
Глинистые и сугли-нистые почвы	Культивация	По мере поспева-ния почвы	Культиваторы-рыхлители	Рыхлящие лапы
Глинистые и сугли-нистые почвы	Безотвальная обработка с вне-сением аммиач-ной воды	За 3-4 дня до посадки картофеля	Плуги с под-кормщиком-опрыскивателем	Рыхлящие лапы и безотвальные корпуса
Тяжелые глинис-тые и суглинистые почвы	Нарезание греб-ней с внесением удобрений в зону рядка	За 3-4 дня до по-садки картофеля	Культиваторы гребнеобразователи	Окучивающие корпуса, под-кормочные лапы

 

В широко распространенной «голландской» технологии (система Евротехника) основой являются высококачественные семена, фрезерные рабочие органы, обязательная обработка полей гербицидами, сжатые сроки выполнения работ. Проводится фрезерование перед посадкой на глубину 15-18 см и довсходовое формирование гребней за один проход гребнеобразователя. Технология может обеспечить хорошие результаты всего при одной обработке почвы после посадки в сочетании с применением гербицидов, что значительно снижает энергозатраты на возделывание картофеля.

Система обработки почвы под картофель состоит из трех взаимосвязанных приемов: основной, предпосадочной и уход за посадками; каждый вид обработки имеет свои задачи и специфику. Совмещение операций по нарезке гряд и внесению удобрений снижает затраты на производство картофеля. Посадка картофеля в предварительно нарезанные гребни обеспечивает групповое использование картофелепосадочных машин, а при уборке комбайнами количество примесей почвы снижается в 1,5-2 раза по сравнению с гладкой посадкой. В работах Г.Д.Петрова, В.И.Виноградова, А.П.Дорохова, Д.Шпаар, П.Шуманн и др. показано, что качество работы картофелеуборочных машин значительно зависит от почвенных условий (механического состава почвы, влажности и др.). При этом потери клубней доходят до 4,7-9,7%, а травмирование – 6,2-26%.

 

Рисунок 1.6 – Влияние глубины подкапывания на количество просеиваемой земли при уборке картофеля. (Zanker J, Kumpel H): 1 – количество земли просеиваемой при выкапывании; 2 – процент почвенных комков в картофельном ворохе.

Исследованиями [38,39] установлено, что при уборке чистота клубней в бункере комбайна колеблется в пределах 54,5-98,4%, и зависит от физико-механических свойств почвы и технологии возделывания картофеля. Засоренность картофельного вороха почвенными комками снижает качество разделения их на сортировальных пунктах, приводит к травмированию клубней и увеличению затрат труда.

 

Таблица 1.10 - Количество просеиваемой земли при уборке картофеля и наличие примесей в картофельном ворохе [232,236]

Глубина выкапы-вания, см	Количество просеиваемой почвы, млрд. т	Примеси почвы в картофельном ворохе, тыс.т
Северная и Западная Европа	Восточная и Южная Европа	Северная и Западная Европа	Восточная и Южная Европа
	1,04	24,83	333,6	404,4
	1,38	33,10	1668,1	2022,1
	2,08	49,10	2224,2	2696,3

 

Огромный вред наносится плодородному слою почвы: тысячи тонн земли вывозится с поля и не возвращается обратно. Происходит снижение гумусного слоя. Если пересчитать на площади занятые под картофель по Челябинской области (рис.1.7, табл.1.10), при уборке 50% посевных площадей комбайнами, количество вывозимой земли будет составлять около 8700 тонн ежегодно.

Рисунок 1.7 – Количество земли, вывозимое с поля при уборке вместе с картофелем: Северная и Западная Европа; 2 - Восточная и Южная Европа;3 – Российская Федерация; 4 - Челябинская область.

Исследованиями В.И.Виноградова [18, 19], Г.Д.Петрова [186…188], Е.А.Глухих [46,47], С.А.Герасимов [45], В.П.Горячкина [50], М.И.Кана [106,199], Н.М.Постникова [200,201], К.А.Пшеченкова [203…206], А.П.Дорохова [83,84,148] и других установлено, что основным фактором влияющим на качество работы картофелепосадочных, а в дальнейшем и картофелеуборочных машин является качество выполнения предыдущих операций: подготовки почвы и ухода за посадками картофеля, которые определяют качество раскладки клубней при посадке и чистоту сепарации картофельного вороха при уборке картофеля. Рассматривая весомость влияния различных технологических процессов на состояние почвы и урожайность картофеля (рис1.8) необходимо отметить, что наибольшие потери урожайности картофеля приходятся на чрезмерное уплотнение почвы за период ухода за посадками, низкое качество предпосадочной подготовки почвы и нарушение технологического процесса посадки картофеля [71…73]. Очевидно, что исходя из энергетических критериев, предпочтение должно быть отдано той технологии, которая позволяет получать продукцию с более высоким коэффициентом энергетической эффективности и меньшими удельными энергозатратами.

Рисунок 1.8 – Факторы определяющие значимость технологический операций

на урожайность картофеля

1 - Низкое качество подготовки почвы; 2-Нарушение технологического процесса посадки картофеля; 3-Нарушение технологического процесса междурядных обработок посадок картофеля; 4-Чрезмерное уплотнение почвы за период вегетации картофеля движителями тракторов; 5-Несовершенство технологии и техники для уборки, транспортировки и сортирования картофеля; 6- Несовершенство технологии хранения картофеля.

 

Анализируя недостатки традиционных технологий и систем машин, можно отметить, что они не создают благоприятных почвенных условий для роста, развития растений и повышения урожайности. Так, в междурядьях с шириной 70 см на колею трактора приходится 40-45 см. Вследствие этого особенно на суглинистых почвах ограничивается пространство для формирования гнезда клубней, сами клубни из-за наличия почвенных комков в грядках деформируются. Полезная площадь для развития и накопления урожая в гнездах не превышает 40-45%, остальная подвержена интенсивному воздействию ходовых аппаратов тракторов, разрушающих структуру почвы.

Анализ причин уплотнения почвы позволяет выделить две группы методов снижения уплотнения почвы в процессе функционирования мобильных агрегатов, выполняющих определённые технологические операции:

первая группа - совершенствование технологических операций за счет оптимальной обработки почвы с меньшей интенсивностью и совмещением операций, приведение традиционных технологий к системе минимальных обработок почвы адаптированных к системе «Евротехника».

вторая группа - совершенствование технических средств: применение ротационных рабочих органов активного и пассивного типа на обработке почвы под картофель, что на тяжелосуглинистых почвах снижает твердость в грядках на 2-3 кг/см², способствует увеличению урожайности – на 10-12% и повышает чистоту клубней в бункере комбайна на 13-18% [75, 77, 92, 115,126,138];

Территория Челябинской области неоднородна по почвенно-климатическим условиям и делится на четыре основные агроклиматические зоны: горно-лесная влажная; северная лесостепная достаточно влажная; южная лесостепная незначительно засушливая; степная засушливая. Картофелеводство сосредоточено в основном в северной лесостепной и южной лесостепной зонах. Эти зоны по своим почвенно-климатическим условиям, наличию инфраструктуры являются наиболее подходящими для выращивания картофеля. Для каждого типа почв существует степень уплотнения, при превышении которой способность почв к самовосстановлению ослабевает или утрачивается. Это связано с тем, что при уплотнении почв выше определенной плотности происходит разрушение и изменение структурных связей (табл.1.11).

Исследованиями [22, 30, 32, 45, 46, 82, 86, 93, 95, 99, 108, 115, 149, 200] установлено, что на дерново-подзолистых средних и тяжелых суглинках создаются лучшие условия для выращивания картофеля при плотности почвы 1,0-1,2 г/см³ (табл 1.10). Клубни картофеля при плотности 1,4 г/см³ деформируются, что сказывается на снижении урожая и содержании крахмала. Вследствие высокой плотности корневая система растений (до 80% и более) находится в верхних (7-15 см) слоях почвы, что отрицательно сказывается на протекании биологических процессов.

Таблица 1.11 - Предельные значения плотности сухой почвы и максимально допустимое давление на грунт при обработке поля [233]

Вид почвы	Содержание в почве частиц размером, мм	Предель- ное зна- чение сухой почвы, г/см^3	Максимальное давление на грунт, кПа
0,02   глина	0,002… 0,063 пыле- ватая	0,063… 2,00 песок	Весной (80% поле- вой влаго-емкости)	Летом+ осенью (70% полевой влагоемкости
Песок рыхлый				1,54
Связной песок				1,52
Супесь				1,50
Легкий суглинок				1,48
Сред. суглинок				1,45
Тяжел.суглинок				1,45
Легкая глина				1,35
Средняя глина				1,30

 

Традиционные технологии возделывания картофеля сопровождаются многократным проходом агрегатов по полю, что вызывает повышение механического воздействия ходовых систем на почву (рис.1.9). Суммарная площадь следов движителей при возделывании картофеля превышает площадь участка в 2 раза, 10-12% площади поля подвергается воздействию от 6 до 20 раз, 65-80% от 1 до 6 раз, не подвергается воздействию 10-15% площади. Исследованиями [15,19,20,42,154,156,208,236] установлено, что уплотнение почвы различными марками тракторов приводит к снижению густоты всходов ячменя по сравнению с контролем на 7-8%, пшеницы – на 9-12%, картофеля – на 5-10%.

Рисунок-1.9 -Факторы ведущие к уплотнению почвы и к образованию почвенных комков [69,236,127,148].

 

 

Если не учитывать процесс уплотнения почвы на поворотной полосе то степень уплотнения поля от воздействия ходового аппарата трактора за один проход агрегата определяется по выражению:

(1.1)

где К_у - степень уплотнения поля, %; в- ширина обода колеса (гусеницы) трактора,м; В_р - ширина захвата агрегата,м; Р_кр^н -номинальное тяговое усилие трактора кН; h_исп. - коэффициент использования тягового усилия трактора; åК_о=К_осц.+К₀₁…К_0i - удельное сопротивление, сцепки и различных по технологическому назначению машин (в комбинированном агрегате), кН/м.

Исследования по влиянию уплотняющего воздействия тракторов [40,42, 72,77, 172, 184, 213] на почву указывают на чрезмерное уплотнение почвы движителями колесных тракторов. Отмечается, что плотность почвы увеличивается в результате воздействия движителей до 37,5% по сравнению с контрольной и значительно превосходит оптимальную плотность почвы, для картофеля. Урожайность картофеля снижается на 14,1-20%.

В Российской Федерации на пашни занятые под картофель приходится 13% пашни слабой степени уплотнения, 51% - средней и 36% сильной степени уплотнения [189,200,203]. В Челябинской области значительная площадь, на которой возделывается картофель, имеет средне- и сильно уплот­ненные почвы.

В настоящее время широкое применение находят системы возделывания картофеля по европейским технологиям (табл.1.12) Они характеризуется минимальным количеством операций при уходе за посадками картофеля.

Основу представленных технологий составляют следующие принципы:

- сокращение проходов агрегатов в период ухода за посадками картофеля;

- создание плодородного слоя почвы, предохраняющего почву от перегрева, излишнего испарения влаги и эрозионных процессов;

- применение гербицидов от вредителей и сорняков.

Несмотря, на первый взгляд, на простоту данной технологии, это вовсе не означает упрощение земледелия, поскольку она требует тщательного и своевременного выполнения всех немногочисленных операций, особенно применения гербицидов. Однако, ситуация с обеспечением картофелеводческих хозяйств необходимой техникой остается довольно сложной. Из-за ограниченности финансовых средств и высоких цен на импортную технику новые машины и оборудование приобретаются хозяйствами в незначительных количествах от потребности. Даже с учетом применения тракторов российского производства стоимость комплексов импортного производства в два с лишним раза выше предлагаемых российских аналогов (табл.1.12., табл.1.13).

Главной проблемой применения известных схем и принципов возделывания картофеля, основной причиной низкой технологической культуры и дисциплины является несовершенство технической оснащённости производителей картофеля.

Таблица 1.12 Примерный комплекс машин фирмы Grimme для возделывания картофеля по западно-европейской технологии (Евротехника) на площади 50 га

№ п/п	Наименование	Стоимость единиц., тыс. руб.	Количес-тво, ед	Сумма, тыс. руб.
	Трактор МТЗ – 82.1			1 200
	Трактор МТЗ 1221	1 070		1 070
	Погрузчик ПКУ – 0,8
	Прицеп 2ПТС-6
	Плуг ПЛН-4-35
	Культиватор КЕ 303
	Картофелесажалка GL34T
	Гребнеобразователь DF-3000
	Опрыскиватель UF 600
	Ботвоудалитель KS-3000
	Комбайн DR-1500	3 650		3 650
	Сортировка RH 20-45	2 550		2 550
	Итого:			11 550

Таблица 1.13 Общий комплекс машин российского производства для возделывания картофеля адаптированной к западно-европейской технологии на площади 50 га

№ п/п	Наименование	Стоимость единиц., тыс. руб.	Количество,ед	Сумма, тыс. руб.
	Трактор МТЗ – 82.1			1 300
	Трактор МТЗ 1221	1 150
	Погрузчик ПКУ – 0,8
	Прицеп 2ПТС-6
	Плуг ПЛН-4-35
	Комбинированный агрегат УМВК-2,8
	Картофелесажалка Л-207
	Опрыскиватель ОН-12-600
	Комбайн КПК-2-01
	Сортировка КСП-15В	1 100		1 100
	Итого:			5 550

 

По данным Челябинскстат за 2007 год на 1000 гектар посадок картофеля приходилось порядка всего 6 картофелеуборочных комбайнов. Причем списание техники идет с опережением по сравнению с приобретаемой техникой. Если в 2001 году картофелеуборочных комбайнов насчитывалось 46 единиц по области, то к 2008 году осталось 43 единицы.

Любая технология возделывания картофеля подчиняется биологической системе, которая базируется на двух основных объектах: почва и растение (рисунок 1.10) [1, 3, 15, 18, 113]. Входящие в биологическую систему объекты характеризуются наличием прямых и обратных связей. Основной задачей системы является реализация возможностей возделываемых культур путем получения максимального урожая Y(t).

 

Рисунок 1.10 – Схема функционирования биологической системы с техническими средствами

 

Обратная связь определяется агротехническими требованиями (АТТ) к средствам механизации, с помощью которых формируется вектор управляющих воздействий U(t).

Вектор U(t) определяет технические средства для воздействия на состояние почвы Q(t) и растения D(t). Кроме того, на эффективность применения любой технологии возделывания культур существенное влияние оказывают векторы внешних воздействий биологической системы F_БС(t) и технических средств F_ТС(t). Они включают факторы, учитывающие почвенно-климатические условия, водный режим и степень окультуренности почвы, биологические особенности картофеля, требуемые уровни агротехники, сроков, способов обработки почвы, норм посадки клубней и доз внесения удобрений и т.д.

Вектор внешних воздействий F_ТС(t) является определяющим при разработке технологических схем и рабочих органов средств механизации. Получаемое в результате механической обработки состояние почвы становится неравновесным, хотя после прекращения воздействия на почву (через определенный промежуток времени) протекающие в обрабатываемом слое физические, химические, биологические и другие процессы стремятся привести ее в близкое к исходному состоянию. Необходимость поддержания неравновесного состояния почвы объясняется потребностью создания условий для развития несуществующих в естественном состоянии таких форм растений, которые считаются культурными. Кроме поддержания неравновесного состояния почвы для реализации потенциальных возможностей возделываемых культур необходимо, чтобы применяемые технические средства обеспечивали предъявляемые к ним агротехнические требования и обеспечивали содержание в почве достаточного количества питательных элементов.

Применительно к существующим технологиям возделывания картофеля для эффективной реализации биологической системы «почва-растение» (рис.1.10) важнейшими этапами являются обработка почвы, посадка и возможность внесения удобрений. Поэтому способы совершенствования технических средств для выполнения этих технологических операций являются объектами научных и практических исследований.

Совершенствование технологии возделывания и уборки картофеля должно основываться на следующих факторах:

- систематическое поддержание плодородия почвы;

- учет биологических особенностей и потенциальных возможностей картофеля и сортов интенсивного типа;

- комплексное использование биологических, агротехнических и агрохимических средств управления урожаем и защиты растений от болезней, вредителей, сорняков;

- формирование рационального МТП и обеспечение высокопроизводительными машинами при снижении уровня энерго-и трудозатрат.