Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Агрофизические и реологические свойства почв Северного Казахстана

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Агрофизические и реологические свойства почв Северного Казахстана"

На правах рукописи

ТУЛЕУБАЕВ ЖАКСЫВАЙ СУРАБЕРДИЕВИЧ

АГРОФИЗИЧЕСКИЕ И РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВ СЕВЕРНОГО КАЗАХСТАНА

06.01.03 -АГРОПОЧВОВЕДЕНИЕ И АГРОФИЗИКА

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ ДОКТОРА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

ТАШКЕНТ - 1995

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы.

Северный Казахстан - крупнейший сельскохозяйственный регион Республики, располагающий огромным фондом земель сельскохозяйственного пользования и большими потенциальными возможностями для развития земледелия и животноводства.

Несмотря на имеющиеся материалы исследований преимущественно почвенно - географического характера, в Северном Казахстане недостаточно изучены почвенно - физические аспекты плодородия. Сельскохозяйственные угодья региона расположены в зоне неустойчивого увлажнения, поэтому чрезвычайно важно создать оптимальные бодно-физические свойства почвы и их водно-воздушный режим.

Длительное использование черноземных и каштановых почв для бессменных посевов зерновых, эрозионные процессы, многократные обработки тракторами повышенной массы неизбежно привели к ухудшению их физических свойств. При этом наиболее важной для современного сельскохозяйственного производства является проблема уплотняющего действия техники на почву, резко сникающего урожаи полевых культур.

Деградация черноземов и каштановых почв Северного Казахстана связана с потерей гумуса и разрушением почвенной структуры, которые в свою очередь оказывает непосредственное влияние на реологические (деформационные) характеристики почв.

Для научного обоснования рационального и высокоэффективного земледелия необходимо глубокое изучение физических и реологических свойств почвы - важнейших факторов почвенного плодородия, имеющих решающее влияние на весь ход процессов почвообразования и продуктивность сельскохозяйственных культур. При этом большой теоретический интерес и практическое значение представляет познание закономерностей антропогенного изменения этих свойств с учетом генетических особенностей почвы.

В этом отношении черноземные и каштановые почвы Северного Казахстана пока слабо изучены, а имеющиеся разрозненные материалы почвенно - физических исследовании не обобщены.

Цель и задачи исследовании.

Дель исследований разработать теоретические основы и практические пути управления физическими и реологически,«! свойствами черноземов и каштановых почв Северного Казахстана.

В связи этой целью в настоящей работе поставлены следующие задачи:

- Изучить водно - физические свойства черноземов и каштановых почв Северного Казахстана, установить 'закономерности их антропогенного изменения.

- Рассмотреть связь твердой фазы почвы (гранулометрический состав,макро, - и микроагрегаты) с структурно-реологическими свойствами почв.

- Установить количественные и качественные значения уплотнения почбы.Уточнить его влияния на плодородие и урожай.

- Разработать методику определения реологических свойств почв и построения математической модели.

- Изучить технологические пути снижения уплотняющего воздействия ходовых систем тяжелой сельхозтехники на плодородие почв.

Научная нсшизна.

Исследованиями установлено, что физические свойства черноземов и каштановых почв Северного Казахстана существенно изменяются в связи с изменением биоклиматических и других условий и хозяйственной деятельности человека. Направленность антропогенных изменений агрофизических свойств определяется большим числом факторов, главным из которых является ухудшение почвенно - экологических условий.

Показано, что уплотняющие деформации черноземов и казта-новых почв зависят от их генетических свойств, влажности, плотности, марки трактора, характера ходовых систем, кратности, воздействия..

Уплотнение движителями сельскохозяйственной техники приводит к резкому повышению твердости почв, сннхает их эффективное и потенциальное плодородие способствует существенному недобору урожая сельскохозяйственных культур.

Выявлено изменение плотности и структуры пахотного слоя

почв Северного Казахстана в зависимости от числа прохода тракторов по полю.Установлено воздействие колес и гусениц тракторов на водопроницаемость,влагоемкость и урожай яровой пшеницы. Впервые изучены реологические свойства темно - каштановых почв, позволяющие оценить энергоемкость почвообработки и конструкцию рабочих органов.

Построена структурно - реологическая модель почвы, при использовании которой можно обеспечить более обоснованные и точные методы технических расчетов, необходимые при конструировании рабочих органов машин и орудий.

Разработан новый способ исследования силы взаимодействия почвы с рабочими органаш на приборе, определяющем реологические свойства почвы.

Сформулирована математическая модель деформации почв, учитывающая эффекты уплотнения рабочими органами.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Закономерность развития arpo - физических свойств черноземов и каштановых почв Северного Казахстана и их антропогенное изменение.

2. Динамика физических и реологических свойств почв при уплотнении тяжелыми тракторами и профилактика чрезмерного уплотнения почвы движителями.

3. Методика исследовании структурно - реологических сеойств почв и ыаматематическая модель их деформации.

Практическая ценность.

На основе выполненных исследовании научно - обоснованы меры по улучшению физических свойств черноземов и каштановых почв Северного Казахстана.

Разработанные агротехнические приемы могут быть использованы для оптимизации уплотнения почв, а математические модели при конструировании новых почвообрабатывающих машин и совершенствовании процессов обработки почвы.

Апробация работы.

Результаты исследовании и основные положения диссертации докладывались, на научно - технических конференциях в МГШ (Москва, 1975 - 1979 гг.), Б ЖГМСИ (Жам0ыл,1978 - 1993 гг.),на Ученом Совете института сейсмологии (Алматы, 1932 г.), на VI -республиканской конференции почвоведов Казахстана (Алматы, 1987г.), на первом делегатском съезде почвоведов Качахстана (Алматы, 1990г.), на научно - техническом совете института почвоведения и агрохимии АН РУ (Ташкент,1989; 1990;1995),на научном семинаре факультета гидромелиорации ЖГМСИ (Жам-был,1992;1994гг.), на расширенном заседании кафедр общенаучных дисциплин и ЭГМС ЖГМСИ, 1990, кафедра физики ЖГМСИ (1990;1994;1995),отдел Агропочвоведения Казахского НИИ Земледелия им.В.Р. Вильямса КАСХН,(1995).

Публикации.

По материалам исследований опубликованы 2 монографии и более 30 работ, общим обьемом 62 п.л..список которых прилагается.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и общих выводов и списка литературы. Работа изложена на 319 стр. машинописного текста, включающем 45 таблиц, иллюстрирована 42 рисунками, содержит список литературы из 477 наименовании, в том числе 53 иностранных авторов.

Автор выражает искренную благодарность свом учителям: д. с.-х. н.профессору М.И.Рубинштейну, д. ф.-м. н. профессору Т.Я.Гораздовскому,коллективу Института почвоведения и агрохимии АН РУз, Жамбылского гидромелиоративно-строительного института, всем коллегам, оказавшим большую помощь в выполнении НИР. *

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ, i. Состояние изученности проблемы.

В главе показано развитие почвенно - физических исследовании, подчеркнута их значение в плодородии почв, обобщены результаты многочисленных исследовании по деградации почв в процессе их освоения и сельскохозяйственного использования.

Генетические, водно - физические химические свойства и плодородие почв Северного Казахстана рассмотрены в работах Д.М.Стороженко (1952), У. У. Успанова (1958), А;М. Дурасова (1958), С.П. Матусевича (1936,1956), Р.Д. Джанпеисова (1959), В.П. Егорова (1962h В.M. Боровского (1964), В.В. Редкова (1964, 1974), А.И.Бараева (1972,1976),М.И.Рубинштейна

(1962,1978), С.Д. Абдыхалыкова, A.A. Науменко (1978),Ж.У. Axa-нова (1978), и других почвоведов Республики Казахстан.

В почвах Северного Казахстана, претерпевших длительную антропогенную нагрузку, связанную с повсеместным освоением целинных и залежных земель, произошли нежелательные негативные изменения. В результате длительной распашки они легко распыляются, подвергаются ветровой и водной эрозии, ухудшаются их водно - физические свойства.

В главе сжато изложены итоги почвенно - физических исследовании. Анализ опубликованных материалов показывает, что почвы Северного Казахстана еще не получили всесторонней почвенно -физической характеристики, не выявлены оптимальные для растений физические-условия и приемы их создания.

На основании комплексного изучения темно - каштановых почв и черноземов Северного Казахстана установлена необходимость глубокого познания физических, физико - механических и реологических свойств почв.

Почва является сложным реологическим телом требующим глубокого и детального исследования, ее физико - механических, деформационных и прочностных свойств с учетом функции времени. (Бахтин, 1975) Вопросы деформагивяости и прочности почв и их структурные свойства взаимно связаны друг с другом и поэтому должны рассматриваться одновременно и изучаться едиными методами.

Реология, будучи физикой деформационных процессов разрушения, течения и восстановления структур, основанных на количественных методах оценки основных реологических свойств почвы, служит основным методом получения расчетных параметров для различных машин.

Современные технологии возделывания сельскохозяйственных культур требует многократного прохода по полю тракторов, сеялок, комбайнов, автомашин и другой техники. Только в период предпосевных обработок и сева ходовые системы тракторов покрывают следами от 30 до 80 % поверхности поля. Отдельные участки поля подвергаются 3 - 9 кратному воздействию движителей.

Уплотнение почвы, прежде всего влияет на развитие и активность корневой системы, вследствие механического сопратив-ления их проникновению, недостаточной аэрации, снижения подвижности влаги и питательных веществ.

Научное познание проблемы уплотнения и деформации почв движителями тракторов требует изучения реологических свойств почвы, с которыми связано образование плотных слоев при деформации и наследованные свойства реологических напряжений.

Этот пробел частично восполняется нашими исследованиями, результаты которых представлены в настоящей работе.

2. Обьекты и методика исследовании.

Объектами изучения физических и реологических сеойстб были черноземы южные карбонатные (Акмолинская область) и темно -каштановые почвы (Тургайская область).

Общая площадь подзоны южных черноземов составляет 13,6 млн.га, в том числе карбонатные 4,0 млн.га. Почвы формируются под покровом разнотравно - красноковылковой растительности и континантального климата.

Черноземы южные карбонатные отличаются хорошо сформированным полным профилем. В нем четко выделяются горизонты

A,В,ВС, и С. Характерной особенностью их строения являются резко выраженная языковатость почвенного профиля. В горизонте

B, заклинки материнской породы занимает 20 - 50 %, в горизонте В - 45 - 65 X, в горизонте ВС - 90 -95 %.

Темно - каштановые почвы распространены в пределах Куста-

найской,Акмолинской, Павлодарской и Карагандинской областей. На этих почвах,размещается более 10 млн.га пашни.

Исследование проводились на стационарных площадках. Сбор материала и отбор почвенных образцов для анализов проводился при маршрутных экспедиционных полевых исследованиях.

Влияние ходовых систем мобильной сельскохозяйственной техники изучалось в полевых опытах, на которых моделировалась различная степень уплотнения почв.

Оценочными показателями уплотнения почвы были плотность, твердость, влажность, структура, деформация (реология).

На полевых опытах высевалась яровая пшеница Саратовская- 29.

Агротехника яровой пшеницы возделывания заключалась в следующем.Предшественник - вторая культура после пара. Осенью проводилась зяблявая плоскорезная обработка, весной - закрытие влаги и посев стерневой - сеялкой. Уборка урожая проводилась комбайном поделяночно.

На опытах общепринятыми методами проводились наблюдения и анализы.

Для исследования реологических свойств почвы использовали усовершенствованный нами прибор Т.Н. Гораздовского (1949; 1971; 1978) обепечивающий однородные реологические поля.

На приборе определялись элементы деформации разрушения почвы путем последовательного увеличения силы внешних воздействий.

ВОДНО - ФИЗИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЧВ СЕВЕРНОГО КАЗАХСТАНА.

Механический,микроагрегатный и структурный состав.

Механический состав черноземов южных карбонатных и тем-нокаштановых почв, однородный, преимущественно тяжелосуглис-нистый и легкоглинистый. Содержание физической глины в них колеблется от 57 до 63 %. Максимальное количество глины наблюдается на глубине 20 - 30 см (73,0 %). Содержание илистой фракции колеблется по профилю от 27.9 до 37.3%.

Характерным для гранулометрического состава является почти полное отсутствие крупных песчаных фракций. Количество мел-

кого песка и крупной пыли (0,05 - 0,01) сумма которых составляет более 30 %.

Данные микроагрегатного анализа свидетельствует о высокой микро-агрегированности черноземов и темно - каштановых почв. Общее количество микроагрегагов составляет 50 - 70 X. Практически полностью коагулирована илистая фракция, а фактор дисперсности находится на уровне 8 - 10 %.

При длительной обработке южных черноземов уменьшилось содержание микроагрегатов размером 1 - 0,25 и 0,25 - 0,05 и 0,05 - 0,01мм.

Макро структура■черноземов южных и карбонатных под целинной растительносью представлена комковато - пылеватой в горизонте А и комковато - призмовидной в горизонте В.

Чернозем Южный карбонатный содержит в горизонте Ао (0 - 5 см) водопрочных агрегатов 61,3 (+_ 3,7) %,в то время как на глубине 5 - 15 см (А) ?9,6(+_ 1,1)%. Причинами этого является воздействие на почву резких колебании температуры и влаги в течение года.

В результате длительной обработки южных черноземов в них уменьшается содержание агрегатов диаметром > 1 мм и возрастает количество более мелких частиц.Такая структура, состоящая из мелких частиц (от. 1 мм до 0,25 мм), препятствует диффузному испарению влаги. Одной из отрицательных сторон мелкокомковатой структуры в условиях частых и сильных ветров, господствующих в Северном Казахстане, является неустойчивость почв к дефляции.

Структурно - агрегатный состав черноземов и темно - каштановых почв при длительной обработке претерпевают значительные качественные и количественные изменения. Коэффициент структурности при этом снижается более чем в 2 раза.

В обрабатываемой почве содержание водопрочных агрегатов размером от 5 до 0,25 мм уменьшается на 15,9 - 17,7 X . Одновременно уменьшается суммарная агрегатная порозность и резко снижается механическая прочность комков.

Если комочки целины размером от 5 до 0,25 мм при встряхивании навески в течение часа разрушаются (87,8 - 95,4 Z исходной навески остается на соответствующем сите), то такие же комочки обрабатываемой почвы разрушаются более заметно (лишь 61,6 -76,6 % исходной навески не разрушается).

Таким образом, при длительной механической обработке основные физические свойства почв изменяются: снижается плотность, водоустойчивость, пористость и механическая прочность структуры.

Объемная и удельная масса и водопроницаемость.

Объемная масса южных черноземов на целине в верхнем горизонте колеблется от 0,94 до 1,0 г/см? С глубиной она возрастает на черноземе южном карбонатном до 1,5 - 1,6 г/см3. Удельная масса твердой фазы почвы изменяется от 2,60 до 2,68 (табл. 1).

На пахотных почвах наблюдаются ясно выраженная динамика плотности.Пар после обработки в верхней части пахотного горизонта (0-10 см) имеет объемную массу 0,8 г/см? под действием осеннезимних осадков весной возрастает до 1,2 г/с-м3. Почва под посевом пшеницы по пару уплотняется к концу августа в верхнем горизонте (0 - 10 см) до 1,12, а в нижней части пахотного горизонта (10 - 20 см) до 1,29 г/см3.

С изменением плотности южных черноземов изменяется их по-розность,величина которой после обработки выше, чем на целине. Несмотря на уплотнение почвы под посевом пшеницы общая пороз-ность остается высокой.

Общая порозность в пахотном горизонте черноземов превышает 69 темно - каштановых составляет в большинстве случаев 52 - 55 2. В подпахотном горизонте порозность уменьшается до' 38 -45 X, а в более глубоких горизонтах до 38 - 41 % . ■

Установлено, что при повышении объемной массы пахотного слоя почвы с 1,05 до 1,30 г/ см3наименьшая влагоемкость почв возрастает с 20,3 до 28,7 % , а при дальнейшем повышении объемной массы она снова уменьшается.

Обращает на себя внимание, что с изменением объемной массы и влажности почвы резко изменяются условия аэрации. При объемной массе 1,05 г/см3, отвечающей наиболее рыхлому сложению пахотного слоя темно - каштановых почв, содержание воздуха в почве дате при увлажнении соответствующем наименьшей влаго-емкости, весьма высокое (38,4%).

Таблица 1.

Объемная (ОМ) и удельная (УМ) массы черноземов и темно - каштановых почв.

глубина, см

чернозем карбонатный

ОМ

УМ

темно - каштановая

ОМ

УМ

0-10

10 - 20

30 - 40

50 - 60

80 - 90

110 - 120

150 - 160

0,94 1,12 1,28 1,42 1,53 1,50 1,59

2,61 2,65 2,76 2,68 2,70 2,75 2,72

1,26 1,34 1,49 1,55 1,49 1,51 1,57

2, 2, 2, 2, 2, 2, 2,

Наилучшие соотношения между влагой и воздухом в пахотном слое темно-каштановых почв складывается при обьемной массе, равной 1,20-1,30 г/см?(табл.2)

При объемной массе 1,40 г/см3содержание воздуха в почве при наименьшей влагоемкости снижается до 9,8 %, что заметно ниже физиологически допустимого предела.

Таблица 2.

Изменение водно - физических свойств пахотного слоя темно - катановой почвы при различной плотности сложения

Объемная !По-масса, !роз-г/см3 !ность ! I

Капиллярная влагоем-ть

скв)

% ! мм

Наименьшая ! Содержание ! Количество

влагоем-ть ¡воздуха при ! присочив.

(НВ) !влагоем-с.ти ! воды за

------------1------------1 1 чаС) мм

%, ! мм ! КВ ! НВ !

1.05 59.7 26,6 27,0 20,3 21,3 31,8 38,4 137

1,20 54,1 27,8 33,3 23,3 28,0 20,8 26,1 64

1,30 50,2 32,8 42,6 28,7 37,3 7,6 12,9 36

1,40 46,2 29,4 41,2 26,2 36,3 5,2 9,8 10

Запас доступной влаги при влажности, равной наименьшей, влагоемкости в метровом слое темно-каштановых почв составляет 167 - 168 мм.Иначе говоря, метровый слой темно - каштановых почв может вместить и удержать более половины годового количество осадков.

Чернозем в максимально взрыхленном состоянии после обработки характеризуется высокой водопроницаемостью (120 - 142 мм/час), в состоянии равновесной плотности водопроницаемость унижается более чем в 2 раза (54 - 63 мм/час). На целинных участках водопроницаемость имеет относительно стабильные показатели (66 - 67 мм/час).

Пашня по сравнения) с целиной характеризуется повышенной способностью запасать и удерживать влагу. Восприятие этой влаги и ее передвижение в значительной мере зависят от состояния

уплотнения верхнего слоя почвы, При равновесной плотности водопропускная способность пахотного слоя черноземов и каштановых почв близка к таким величинам, при которых не обеспечивается впитывание талых вод и интенсивных ливней.

Таким образом, водно - физические свойства черноземов и темно-каштановых почв в условиях длительной обработки ухудшаются. Следует подчеркнуть,что эта тенденция проявляется в почвах при условии, что в них практически не вносили органические удобрения, и содержание гумуса в первые 15 - 20 лет после освоения целины значительно снижалось.

РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВ.

Реологические свойства почвы: модуль упругости (сдвига), вязкость,текучесть, предельное напряжение сдвига, и другие являются частью агрофизических свойств.Они позволяют прогнозировать состояние почвы при воздействии на нее рабочих органов, орудий и движителей тракторов.

Скорость и степень уплотнения почвы зависят от ее механического состава, содержания гумуса, структуры и ее водопроч-ности и других факторов определяющих ее водно-физические свойства.

Чем больше в почве гумуса, свежих растительных остатков и водопрочных макроагрегатов, тем медленее уплотняется почва.

Уплотнение происходит до момента установления в почве равновесия, после которого дальнейший процесс уплотнения прекращается .

Увеличение уплотняющей силы, например, многократный проход тяжелых почвоорабатывающих машин, вызывает дальнейшее уплотнение или сдвиг почвы.

Эффект уплотнения зависит от крупности почвенных агрегатов, глубины их залегания и от функции распределения фракции„ гранулометрического состава в почве.

Прочность почвы, находится в функциональной зависимости от ее - влажности. С увеличением влажности, разобщающей частицы почвы, происходит уменьшение прочностных свойств.

В черноземах под постоянной нагрузкой, происходят резкие

скачки в начале нагружения, что свидетельствуют о слабой соп-ративляемости этих почв сдвиговым деформациям.

Темно - каштановые почвы деформируются очень медленно и под действием напряжения в них возникает ползучесть, которая зависит от структуры, пористости и минераяогического состава почв.

Динамика развития деформации определяется величиной действующей нагрузки и структурных свойств. При создании малых напряжении в почве с различной влажностью возникают упругие деформации.

Характер процессов при приложении и снятии малых напряжении аналогичен процессам, протекающим с среде Гука.

При ступенчатом увеличении напряжений нарастание деформации характеризуется развитием пластических течений, создающих в почве реологические тела Кельвина, Максвелла и Бингама.

Деформация в почвах протекает равномерно при всех нагрузках, однако она слабее в диапазоне описываемом телом Кельвина и сильнее в диапазоне характеризуемом телом Максвелла.

Наиболее интенсивноя деформация почвы наблюдается в начальный период, после чего интенсивность разрушения уменьшается.

На деформируемость почвы оказывает вляние не только нагрузка, но и время ее воздействия, то есть для каждого значения времени величина деформации при постоянной нагрузке различна.

На физико - механические и водно-физические свойства уплотненных почв наибольшее влияние оказывает илистая фракция, с которой связаны структурность, капиллярность, механическая прочность и др.

Стуктурно - реологические характеристики чернозема и темно - каштановой почеы, показывают, что ее разрушение происходит после установившегося вязкого течения, которое зависит от проявления пластических свойств почвы (рис. 1).

В результате пластической деформации в почве происходит интенсивное структурообразования, которое противодействует сдвигу.

Наши экспериментальные данные показали, что качественная характеристика реологических свойств черноземов и каштановых почв тождественна, различия заключается в количественных параметрах и в интервале изменения переменных общего уравнения реологической кинетики.

Piic. I. Реограммы чернозема (I) и темно-каштановой почвы (2)

Все структурно - механические и водно-физические свойства почвы тесно связаны с характером молекулярно - поверхностных сил действующих между микроагрегатами и коллоидными частицами на их поверхности. Они обусловливают физическую спелость,связность, твердость, сопротивление сдвигу,пластичность и другие свойства .Структурообразование в основном происходит при взаимодействии между собой частиц твердой фазы коллоидно - дисперсных систем, прочность которых определяется физико-химической природой входящих в систему компонентов.

Наблюдения показали что структурообразование в дисперсных системах начинается лишь тогда,когда напряжение сдвига, достигает предельного состояния,когда иначе в системе возникают только упругие, обратимые деформации.

Как известно, одним из важных факторов структурообразования является влажность почвы. С уменьшением содержания влаги в почве увеличивается плотность упаковки частиц и упрочняются коагуляционные связи.

С повышением влажности почвы изменяются не только прочность и тип структурных связей, но и ее реологические свойства, в частности консистенция почвы,которая дает возможность определить оптимальные условия ее обработки, режимы работы почвообрабатывающих машин и наиболее благо-приятные возможности создания оптимальной структуры пашни.

Реологические кривые, полученные при максимальном набухании образцов темно - каштановых почв и черноземов идентичны кривым полученным при снятии напряжения, что указывает на увеличение скорости восстановления сопративления деформациям.Таким образом, формирование в черноземах и темно - каштановых почвах ко-агуляционных (тиксотропных) структур значительной прочности имеет отрицательное значение,для плодородия почв,так как повышает их плотность и твердость.

СТРУКТУРНО - РЕОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОЧВ.

Главными факторами реологических свойств почв являются прочность,адгезия, релаксация напряжений, деформируемость, вязкость, разрушение структуры, фильтрационная способность и

ряд других технологических характеристик, представляющих собой важный для плодородия комплекс физико - механических свойств.

При исследовании реологических сеойств необходимо иметь не только качественное описание данной структуры и возможных ее изменений, но и количественные характеристики, параметры иконстанты.

Поэтому конечная цель полных структурно - реологических исследований сводится не только к построению полной реологической модели почвы,но и к точным измерениям параметров состояния и вычислению всех констант,которые однозначно характеризует количественную сторону структурно - реологической модели.

Большое многообразие состава и свойства почеы, связывающих напряжение с деформацией, требует разработки реологических моделей, позволяющих рассматривать почву как среду, обладающую свойствами упругости,вязкости и пластичности.

Сущность моделирования реологических свойств почвы заключается в том, что с помощью отдельных элементов модели можно определить напряженное состояние и деформацию почвы в любой момент времени (Рейнер,1974, 1960; Гораздовский, 1952 ). По A.C. Кушнареву (1971,1987), моделирование складывается из двух этапов:

- на первом этапе строится реологическая модель почвы в напряженно деформируемом состоянии до ее разрушения; . на втором -в условиях разрушения почвы;

При изучении реологических свойств черноземов и темно -каштановой почвы в однородных реологических полях, было экспериментально получено полное семейство реологических реограмм в виде 1С = "C&fi)» которые качественно характеризует реологические свойства почвы.,

Сопоставление реограчмы показывет, что переход от одного кинетического состояния к другому происходит скачкообразно, при частичном или полном разрушении реологических структур в почве. Этот процесс отображается в модели элементами предельных переходов, отображающих полное разрушение почвы.

Для получения общей деформации почвы нами использованы формулы,показывающие приложенные напряжения (С). Для этой цели были получены в однородных реологических полях показатели взаимосвязи между деформациями и напряжениями (У иt ).

При наг рулениях почвы в интервале О <ТЬ' <$гк взаимосвязь между деформацией и напряжением выражается законом Гука.

где - касательные напряжения

- относительная деформация бг - модуль упругости

Я^гк - предельные напряжения

При напряжениях, не превышающих значения 1/г-к функция снятии нагрузки, остаточное напряжение равно нулю. На первом этапе темно - каштановая почва ведет себя как линейно -упругое тело, поэтом/ первым элементом в цепи структурно - реологической модели должен быть упругий элемент с модулем упругости вг.

При напряжениях превышающий Л/р-к, функция

соответствует второй кривой, которая приближается к прямой параллельной оси абсцисс, показывающей второй элемент в структурно - реологической модели.

При превышении напряжения'Т* > 1/ гк начинает деформироваться третий элемент, характеризующийся постоянными йК и ^И. Напряжение, воздействующее на элемент среды Кельвина - Фоигта при первичном нагружении в интервале

< Тс,' < Я^-т р* вен Т = Ту - (2)

При снятии внешней нагрузки (Тлз = 0) со временем уменьшает величину деформации до тех пор пока напряжение установится на уровне, равном предельному напряжению сдвига

Деформация сдвига среды Кельвина описывается уравнением:

гдео(-^^2/ ~ коэффициент затухания, ^ - время

- модуль упругости среды Кельвина

- вязкость

I

Уравнение (3) показывает, что при постоянном напряжении деформация постепенно достигает своего конечного значения. В структурно - реологической модели отображается третьим элементом Кельвина - Фоигта. При дальнейшем увеличении нагрузки характер деформирования изображается четвертым элементом. При нагружениях почвы в интервале \?"k-m <*ТГ ij <Тг взаимосвязь между деформациями и сдвиговыми напряжениями выражается законом Максвелла. Скорость деформации (У) складывается из скорости упругой деформации (Ту) и скорости вязкого течения (от).

V- йз + V-T (4)

Используя уравнение (1) и скорость течения вязкой жидкости (6="/^), получили линейное дифференцированное уравнение Максвелла

'"dtT'Gmdt Ч (5)

при I = const

(d? / dt =0) общая деформация среды Максвелла

будет равно

= + ^ ) (6)

Пятый элемент модели включает вязкий элемент тела Максвелла с постоянными 6ш и m (кривая - 5).

При нагружениях почвы в интервале ч <*С ij < на 6 -этапе происходит разрушение почвы, что вызывает изменение как коэффициента вязкости (I), так и модули упругости ( G ). Оно сопровождается резким возрастанием скорости деформации и полным разрушением почвы (кривая -6).

На 7-м этапе завершается деформационный процесс разрушения почвы. Математическая модель реологического состояния почвы представлена на рис.2

Аналитические выражения физических законов взаимосвязи деформаций и ползучести почв в зависимости от действующих напряжений и времени устанавливались в следующем порядке.

Согласно модели, весь интеравал напряжений проявления ре-

ологических свойств в почве разбивается на отрезки, описываемые определенными реологическими законами, для каждого из которых дается аналитическое выражение. Для полной структурно -реологической модели, описывающей широкий класс почв это еыг-лядит следующим образом.

для 0 < L ij < имеем <) ijr = Т ij : Gr

ТГг-k =<r ij шач

-m имеем <1 ijk = t ijk (1 - S ): Gr

ih «т*. ■ *r T- — «г-- ( 1 -i \- Cyfr+At)

для I/k-m < ij < <- т имеем <Wjrri - n )- -z-

fr =fij max m

для

< имеем JfijT = -------- - тиксотропное

L т течение водонасы-л, иенных почв или t^ij =Vip =Kciij - сопративление-

трение сухих ^ почв

или L ij =Kn(!fij - сопративление

пластично-вязкому течению почв

Здесь Кс и Кп - коэффициент трения соответственно при сухом и пластичном трении.

Семейство кривых, полученных нами в результате исследо-ванй в однородных полях при предельных напряжениях, завершается -S - образной кривой, отображающей все реологические свойства исследуемой почвы.

Таким образом, математическая модель почвы должна соответствовать качественно структурно - реологической модели, полученной при исследовании широкого класса полидисперсных структур.

Полная структурно - реологическая модель почвы при = const иТ> h должна описываться уравнением:

я ( 13. <Г 15, V и , 15 .... ек, Ъ , Л, Ь ) (7)

Фазовые реологические переходы математически выражаются ступенчатыми функциями ^ = (С, V,) действительной переменной которая изменяет свое значение только в дискретной последовательности точек разрыва первого рода), при этом значения функции в точках разрыва определены .

В основе вывода уравнения реологического состояния лежит принцип аддитивности как напряжений, так и деформаций

Г (3)

Это означает, что общая деформация однородно нагруженной среды равна сумме ^и деформаций всех с^ элементов реологической модели, гдес£= 1,2,,3,...,7, причем для нашей модели нечетные значения соотвествуют деформационным процессам, а четные - фазовым переходам, то есть:

1 - интервал действия (область существования) среды Гука

2 - фазовый реологический переход от среды Гука к среде Кель-

вина

3 - интервал действия среды Кельвина

4 - фазовый реологический переход от среды Кельвина к среде

Максвелла

5 - интервал действия среды Максвелла

6 - реологический переход второго вида (полное разрушение

структуры)

7 - интервал действия тиксотропных явлений (сопративление тре-

ния после разрушения), т.е.' внутреннее трение в разрушенных структурах.

Математическая модель среды Бингама представляет собой сомножитель аддитивных компонентов

Г/Б да--ДО Оз.М+&Г. Р. Д.] «>

здесь ^ ^- ступенчатая функция фазовых реологических переходов первого вида.

? ?■

= 0

i\aeo(,J3 - номер интервала действия напряжений Sе< - функция, описывающая деформации сдвига До( - функция изменения S^ под действием того или иного параметра, как дилатация ftii ), влажности, температуры и т.д.

Реологический элемент модели Т.Я.Гораздовского представляет собой мультипликативную компоненту к уравнению

СИ)

здесь, б - ступенчатая функция фазового реологического перехода второго вида, отражающая верхнюю и нижнюю границы областей существования функции 1...5 и функции 7 соответственно.

£

$

Q = 1

G = О

(12)

Уравнение (11) с использованием модели Гораздовского отображает реологически все процессы, протекающие до разрушения. Для учета тиксотропных явлений, а также процессов внешнего трения,то есть тех процессов, которые протекают после полного разрушения структуры, к уравнению (12) необходимо присоединить еще аддитивный член

з^йдадт!

В этом случае уравнение (12) примет вид:

Ш[ЗДШ % Д,]'

i л i, мм

jUs tus Os

7Í.7 ¡3.8 3S.8

Напряжение ТюЪпо

II i!

o Ü

p

vi Г1

S* M

4

«i

1.1

Sg

<3

tí*?

jj аз

24

И«

v. •A

>> t^g

И»

«8

3

Упругие сбойстбо

1c

Вязкие свойства

|í ®

lj!r

Реология, фазовые переходы изменение разрушение структуры структуры

Ríe. 2. Обобщенная структурно-реологическая модель почвы, ее частные случаи и деформационно-кинетические характеристики.

Введя в уравнение (14) основную переменную, получим:

Щ (Та)] "6

Уравнение (15) в сокращенной форме является математической моделью почв, свойства которых описываются их полной структурно - реологической графической моделью.

Экспериментальные данные, полученные при исследовании различных почв, свидетельствуют, что полученная нами структурно - реолоическая модель яв'ляется широким обобщением строго детермированньи реологических моделей и уравнений реологического состояния.

СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ В ПОЧВАХ.

С помощью ротационного вискозиметра М.П.Воларовича РВ-8 получена структурно - реологическая характеристика для темно -каштановой почвы при влажности нижней границы текучести по Аттербергу, ИГ = 45 X,С = 69,0 1 (рис.За) и при влажности максимального набухания Ш = 64,5 %, С = 62,2 % (рис.36).

По изменению формы петли гистерезиса в интервале Рк1 -Рк2 можно судить о характере разрушения и восстановления структуры, что весьма важно с точки зрения оценки деформационного поведения почв.

Как видно из экспериментальных кривых отношение пределов прочности равна Рш / Рк = 2,2 обе кривые (рис.4) имеют хорошо выраженный предел текучести Рк2, и при снятии напряжения обе системы проявляют гистерезис; указывающий на их тиксотроп-ность.

Темно - каштановые почвы имеют высокую начальную вязкость, которая с увеличением влажности резко падает.

Диапазон напряжения, в котором происходит разрушение структуры характеризуется отношением условного предела текучести к динамическому пределу текучести т.е.

РК1 / Рк2 = 0,585

Прямолинейный участок на кривой структурной еязкости в интервале напряжений Рк1 - Рк2 указывает на малопрочные структурные связи частиц темно - каштановой почвы.

При влажности Мн = 64,5 X с увеличением напряжения эффективная вязкость резко падает с 3 х 10 до 4 пуаз. С увеличением влажности от до усиливается коагуляционное структурооб-разование и проявляется большая петля гистерезиса, которая указывает на слабую коагуляционную тиксотропную структуру, разрушение которых происходит в диапазоне.

= 1,71

При снятии напряжении в течении определенного времени ко-агуляционные структуры имеет свойства самопроизвольно восстанавливать свою прочность.

Оптимальное проявление тиксотропных свойств соответствует петле гистерезиса в интервале напряжении структурообразования Рк1 •- Рк2 (Фукс,1930).В почве реализуется все основные типы дисперсных структур коагуляционные,кристализационные и конденсационные (Рабинерсон, Фукс - 1933,1952,ребиндер - 1956,1966).

Реологические кривые, полученные при максимальном набухании темно - каштановых почв, по характеру петли гистерезиса идентичны ветви кривой полученной при снятии напряжения, что указывает на увеличение скорости восстановления сопративления деформаций.

Формирование в темно -каштановых почвах коагуляцион-ных(тиксотропных) структур значительной прочности имеет отрицательное значение,так как почва становится податливой к водной эрозии.

При влажности 27 % для темно-каштановой почвы получены кривые показывающие, что почвенная суспензия в реологическом отношении характеризуется наличием коагуляционно - конденсационных структур малой прочности^Рис.^")

Иш / Т к1 = 2,2

резким падением эффективной вязкости с ЗхЮ4 до 5 пуаз. Характер восстановления коагуляционных структур указывает на проявления тиксотропного разжижения при нагрузках и весьма медленное восстановление после снятия нагрузки.

а

4

I

Jj VI

О

4, * .

0

1 5

5 4

S SJ

fc * s 5

S-

. *

$ 1 » §

a Ч* S

w

M

a $ «.S > к a

> s 4 a « ?

5f 1 5 1 &

s N ^ >

t

ВЗАИМОСВЯЗЬ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЕФОРМАЦИИ ПОЧВ.

Точность расчетных методов оптимизации конструктивных параметров и режимов работы тракторов и сельскохозяйственных маша определяется в первую очередь выбором рациональных математических моделей деформирования почв.

При определении характеристик взаимодействия ходовых частей тракторов с почвой, уплотнения почвы движителями машин необходимо рассмотреть закономерности деформирования почв в различных условиях нагружения и процесс взаимодействия колеса с почвой, путем выбора соответствующих реологических моделей.

Для описания некоторых свойств почв и при решений задач, связанных с оптимизацией конструкций тракторов и почвообрабатывающих орудии применены вязкоупругие модели Максвелла.

с1<Э ¿б' Е ¿б т

---1- -4==- — £ -г^— ^

с1± Т с(/ь

и модель Кельвина

где Е - модуль упругости

П,- коэффициент вязкости Т = Е - время релаксации

Определяющее соотношение деформирования среды в случае линейности ее свойств выражается линейным интегральным уравнением Вольтерры 2-го рода.

о

Решение уравнения (3) имеет вид: С о

где (I) и (и - напряжения и деформации при одноосном напряженном состоянии в момент времени I; Т - предшествующее моменту I - время.

Функция'НЬ) - ядро интегрального уравнения (3) (ядро релаксации): К(Ь) - его резольвента (ядро ползучести). Для описания нелинейных свойств в деформируемых сред использовано нелинейное уравнение Ю.Н.Работнова (1979).

Ч>в (£)=ег со + \ к (г- г) <5(Т) сК (5)

Решением уравнения (5) имеет вид:

t

6-(t)^ofc(t)]-iT(t-T)fefccc)]cLT

(б)

В качестве функций злияния в уравнениях (5) и (6). приняты следующие взаимосвязанные слабосингулярные функции.

Т(1)= А 9*4*"' (0<°<<£) (7)

П ,о(П

[ArW] t

t 6 Г(оО

(8)

где Г(о0 , Г(Ып ) - гамма функции.

Параметры интегрального уравнения (5) различных почв зависят от их механического состава и физического состояния, определяемого плотностью и влажностью.

Для короткого времени взаимодействия орудии с почвой продифференцировав (5) по времени и учитывая K(t) = Р = const, получаем:

Ctfo

где G0(£)= =------ - мгновенный модуль деформации.

d&

Дифференциальное уравнение (9) приближенно заменяет нелинейное наследственное интегральное уравнение (5) в интервале [О, t ] при произвольных .

Параметр Р - представляет собой некоторое усредненное значение функции K(t) в этом интервале.

Параметр G0(.£) численно равен тангенсу угла наклона к оси абсцисс касательной к кривой мгновенного деформирования в точке с абсциссой .

Прибес 0; €,3 f0(£) = 6„& , тогда G0(£) = G0 = const Из формулы (9) подучим

аб d£

-----+ р б = G0------------" (10)

dt .dt

Это уравнение приближенно описывает зависимость6"=б (S, t.) при t &[ 0; t ], ве. [ 0; 8,3

Дифференциальное уравнение (10) при малых значениях t и заменяют интегральное уравнение (5) и достаточной степенью точности описывает деформирование почв.(табл.3).

Таким образом,вязкоупругие модели позволяют найти глубину распространения деформации в почве переменной плотности, изменение плотности в результате воздействия почвообрабатывающих машин с учетом их скорости,которые могут быть использованы при расчетных методах оптимизации конструктивных параметров и режимов работы почзообрабатываюшх машин и орудии.

Механический ! Наименование ! Параметра ! Уравнение крипом

состав !экспоримоиталыш I---------------------!(Э --- ^Ро (6 ) или

! длнпых ! ! д ^ сок! С ---- % (£)

!КоП:|.рМЦИе!1Т ! плдпоия ! кривых

ЧЕРНО 9 Е М К) Ж Н Ы Й

тякелмй суглинок! кривые релаксации

! |

средний суглинок! кривые ползучести (

! 0,06.26 ! 1Я ! ! • I

0,6 ! 0,0487 ! Ь ! !

легкий суглинок ! кривые релаксации! о,б ! 0,0487 ! ! ! ! ! I

-1.1£

(5- 0,2Н4 0 (! - 9 ) (о =. 0,2225 Ып 0,836

(1,5817-16,706 + 2Н>,НН 1Ь,1.66

<5- 0,061 О - 1 )

(Э- 0,5741 (1-е )

<5 = 0,531Я 0,'Л1 £

У., УНЬ7

1 ,777«

I,777Н

Т Е М НО- К А !!1 Т А Н О И Л Я

тяжелый суглинок! крнт поляуч^сги

I

средний суглинок!кривы« ползучести

I I |

пррз^ми ОиГЛКНОК ! ^р!!]'!.!'1 рОЛс'ЛССЯ'И"! ! 0,6 ! 0,0348 ! ! !

-5,64

0,751 0,0834 ! (),УЬ |б - 0,00|Н (1-6 )

О,13НЯ

0,3 ! 0,0510 ~

0,1 !<Э = О.ОЗх (1- б )

! -0,^-1 Ю ! <э О.Л'Х-'У. (1- 6 ) ! <у - 0,474Н Г.Г1 0,46 &

,61 ¡00 ,61)1 ¡0 ,4Ы

УПЛОТНЕНИЕ ПОЧВ ТЯЖЕЛЫМИ ТРАКТОРАМИ.

Многократное передвижение тяжелых тракторов и агрегатов по полям породило проблему переуплотнения пахотного и подпахотного горизонтов почвы.

Уплотнение- почвы сопровождается изменением характера по-рового пространства и приводит к радикальным изменением ее водного, воздушного и теплового режимов.

В Северном Казахстане на полях яровых зерновых культур уплотнение почвы происходит во время зяблевой обработки, при внесении удобрении, на предпосевной обработке,посеве и особенно, при уборке во время неконтролируемой езды сельскохозяйственной техники по поло.

При движении трактора К - 701 по полю наибольшая деформация по следу происходит в основном за первые 3 прохода. Повторные проходы по этому же следу изменяют сложение почвы в меньшей степени,хотя и уплотняет ее (табл.4).

Таблица 4.

Изменение плотности почвы (г/см3) под воздействием ходовых систем трактора К - 701 (среднее за 1983 - 1990 гг)

Количество про- | Глубина слоя, см

ходов трактора |

0 - 10 ! 10-20! 20 - 30 ! 30 - 40 ! 40 - 5

0 1,05 1,18 1,23 1,35 1,4

1 1,28 1,32 1,36 . 1,45 1,4

3 1,35 1,34 1,44 1,50 1,5

4 1,38 1,43 1,45 1,48 1,5

7 1,37 1,41 1,48 1,48 1,5

10 1,38 1,45. 1,48 1,58 1.5

В результате многократных проходов трактора К - 701 происходит деформация поверхности почвы и образование колеи. Средняя величина деформации поверхности почь между колесами тракторов варьирует от 3 до 10 см.

В колее аккумулируется Еыпадаюшие атмосферные осадки, которые з связи с уплотнением почвы плохо фильтруются и застаиваются в понижениях после дождя. Колея изменяет микрорельеф, увеличивает поверхность испарения,усложняет условия проведения механизированных работ, ухудшая количество посева, усиливает неравномерность заделки семян по глубине.

Уплотненная почва плохо впитывает и фильтрует влагу, и это при выпадении ливневых осадков, способствует усилению поверхностного стока,эрозии и в целом снижению влагообеспечен-ности растений, создает предпосылки для более частого проявления засухи.

Плотность почвы между следами колес трактора К - 701 значительно ниже, чем почвы между следами, незатронутой уплотнением. Если на неуплотненном ходовыми частями тракторов урожайность яровой пшеницы составила 12,8 ц/га, то при уплотнении 10,3 ц/га или 2,5 ц/га меньше. Между следами колес урожай снижался значительно меньше,чем по следу. По нашим наблюдениям, величина краевых зон, где отмечается снижение урожая зерновых культур, зависит главным образом от степени уплотнения почвы непосредственно по следу трактора.

Полученные данные при сплошной уборке яровой пшеницы со-пытной делянки показали снижение урожайности на 13 - 22 %.

Статически значимое повышение твердости чернозема и темно - каштановой почвы по воздействием ходовых систем тракторов прослеживается на глубину 30 см при обработке почвы трактором ДТ - 75 в 3 и 5 следов и на глубину 50 см при обработке почвы трактором К - 701.С глубиной нарастание твердости почв по воздействием ходовых систем тракторов снижается.

Деформация темно - каштановой почвы ходовыми системами тракторов вызывает разрушение структуры пахотного и уплотнения подпахотного слоев.

В пахотном горизонте после прохода трактора К - 701 во-допрочность почвенной структуры на б - 7 % ниже, чем при проходе трактора ДТ - 75.

Под воздействием ходовых систем тракторов в пахотном слое повышается содержание глыбистости агрегатов более 10 мм.

Наибольшие изменения в структурном состоянии отмечены в слое (0 - 20) после 3 - кратного уплотнения почвы трактором К-701.При этом глыбистость по следу трактора К - 701 возрастает в слое 0 - 10 см более, чем в 2 раза, а после 3-х следов в 2,6 раза.

Под воздействием ходовых систем трактора уменьшается межагрегатная пористость, что свидетельствует о повышении глы-бистости, т.е. об ухудшении качества порового пространства.

Наши наблюдения показали, что глубокая основная обработка почвы в сочетании с посевом гусеничным трактором ДТ,- 75 улучшает агрофизичесие свойства не только пахотного, но и подпахотного слоя, а следовательно,условия роста яровой пшеницы, что положительно сказывается на ее урожайности. Достоверная прибавка урожая зерна яровой пшеницы по обработке и посеву трактором ДГ - 75 по сравнению с трактором К - 701 составило 1,9 ц/га или 20 по глубокой обработке в сочетании с. посевом гусеничным трактором 4,2 ц/га или 45 X.

Глубокая обработка черноземов и каштановых почв устраняет сильную деформацию подпахотного слоя почвы и снижает его твердость .

Любые мероприятия по сохранению почв от уплотнения и их разуплотнению доданы проводится дифференцировано в зависимости от объемной массы пахотного слоя. Основой для дифференцированного технологии обработки являются картограммы плотности полей.

На основании наших опытов рекомендуется максимально ограничить использование весной колесных тракторов К - 700, К -700А, К - 701, Т-150К.

По колее трактора объемная масса чернозема возросла на 0,13 г/см3 и достигла критического для пахотного слоя уровня (табл.5).

Опыты показали, что урожайность яровой пшеницы определяется степенью уплотнения почвы. Отрицательное влияние уплотнения на свойства почвы и на влагообеспеченность растений в первую очередь усугубляется в засушливые годы (1984 г). После однократного прохода урожай яровой пшеницы снизился на 20 %,после трехкратного - на 34 %, после последующих уплотнений колесами тяжелого трактора на 46,55 и 58 % соответственно(табл.6).

Таблица 5.

Влияние уплотнение чернозема на физические свойства и урожайность яровой пшеницы.

Варианты 1 i | Объемная| I масса | I г/см3 1 1 | твердость кг/см5 1 1 (Содержание еодо- | |прочных агрегатов| 1 крупнее 0,25 мм ] Урожай ц/га

Без уплотнения (вне колей ) 1 1 1 1 1 1,20 | 1 | 10,8 50,7 | 21,2

С уплотнением (колея) 1 1 1 1 1 1,33 | ! | 14,2 с\> со 13,4

НСР 0,95 ! 1 1 0,06 | 1 1 1 1 2,2 1 i 1,3

Таблица 6.

Влияние уплотняющего воздействия ходовых систем трактора К - 701 на урожай яровой пшеницы Саратовская - 29, ц/га ( темно-каштановая почва)

Годы проведения опытов 1 Число проходов трактора

| без уплотне-| ния контроль 1 1 I 1 1 1 1 з 1 1 ( 1 5 1 I 1 г> 1 ! 10

1982 1 10,8 1 18,0 1 1 ! 7,3 1 1 1 6,2 1 I 5,2 4,6

1983 | 12,2 1 19,6 1 1. 8,1 I 1 1 5,6 1 I 5,5 5,2

1984 1 8,5 | 18,1 1 1 1 5,4 1 1 1 4,9 1 1 3,8 3,4

в среднем 1 10,5 I 1 18,5 1 1 1 6,9 1 1 1 5,6 1 1 4,8 ( 4,4

Борьба с'переуплотнением почв связана с использованием на обработке и посеве более легких гусеничных тракторов, освоения глубого рыхления почв, составление картограмм плотности и твердости пахотного слоя,обработка в состоянии физической спелости почв, ограничения использования весной тяжелых тракторов, минималмзацией обработки и других мероприятий.

Технология разуплотнения определяется почвенно - климатическими, генетическими свойствами, зональной системой земледелия и другими факторами. В снижении уплотнения важную роль играет также приемы глубокого подпахотного рыхления (шелевачие, чизелевание, почвоуглубление), также внесение повышенных доз органических и минеральных удобрений, внедрение комплексной интегрированной системы борьбы с сорняками, вредителями и болезнями, освоение севооборотов и применение почвозащитных ресурсосберегающих технологий возделывания культур.

Все эти мероприятия должны применятся с учетом структуры почвенного покрова и генетических свойств почв Северного Казахстана.

ВЫВОДЫ

1. Дана агрофизическая характеристика черноземов и темно-каштановых почв Северного Казахстана.

Механический и минералогический состав зональных почв определяют водно - физические и реологические свойства:содержание водопрочных агрегатов, водные свойства, сопротивление сдвигу,характер прилипания и другие. Почвы характеризуются высокой потенциальной способностью к структурообразованию и почти полной агрегацией ила.

2. Объемная масса верхнего слоя целины характеризует почву как очень рыхлую. При обработке черноземов и каштановых почв величина объемной массы пахотного слоя близка к оптимальной (1,05 - 1,15 г/см3).однако под воздействием движителей тяжелой техники она возрастает до 1,30 - 1,40 г/см3. Общая порозность не опускается до критических значений и даже при максимальной обводненности почва имеет высокую воздухоем-кость.

3. Старопахотные почвы на пашне по сравнению с целиной характеризуется более высокой способностью запасать и удерживать доступную влагу.

Водопроницаемость пахотных почв Северного Казахстана может не обеспечить полное впитывание талых вод и интенсивных ливней.

В результате длительной обработки почв происходит морфологическая деградация почв, разрушение водопрочных агрегатов на 25-30 %, снижение содержания агрегатов крупнее 1 мм и увеличении фракции агрегатов размером 1 - 0,25 мм.

4. При воздействии на почвы тяжелых машин и орудии плотность достигает критических величин и наносит огромный вред земледелию Северного Казахстана.Темно-каштановые карбонатные почвы в меньшей степени,чем черноземы способны противостоять деформащи.

Установлено, что разрушение почвы является функцией не только нагрузки т.е. предельного напряжения сдвига, но и времени и чем выше нагрузка тем меньше интервал времени от момента нагружения до разрушения.

5. Уплотнение тяжелыми тракторами изменяет реологические свойства черноземов и каштановых почв: сопративление сдвигу и сжатью.Возникающая при уплотнении деформация проявляется в виде усиления сдвиговых усилий и перераспределения агрегатов.Интенсивность деформации находится в прямой зависимости от величины нагрузки, структурных свойств почв и влажности. Уплотнение связано с природой структурно - механических свойств прочностными, деформационными и структурными характеристиками.

6. В результате разрушения структуры ухудшается агрофизческие свойства почвы: агрегатный состав, сложение, водопроницаемость, образуется глыбистость. В уплотненной ходовыми системами тракторов почве уменьшается объем некапиллярных пор, доступность почвенной влаги и ухудшается ее водный режим. В зависимости от марки трактора и кратности воздействия глубина деформации достигает 50 - 60 см, при этом уплотнение как в пахотном,так и в подпахотном горизонтах почвы сохраняются в последействии на ряд лет.

7. В процессе деформации возрастает релаксация напряжений, которая являются одним из факторов, способствующих увеличению глубины колеи при повторных проходах одинаково нагруженных колес. В деформированной почве возникают избыточные для данного структурного состояния напряжения, способные производить работу сдвиговых дислокации по месту концентрации напряжений.На образование колеи ходовыми системами влияют реологические факторы (время запаздывания деформации, период релаксации) и процессы связанные с переупаковкой частиц почвы при повторных нагрукениях. В результате воздействия на почву ходовых систем увеличивается плотность, твердость, глибистость, сопративление обработке изменяется структурный состав почвы.

8. Наибольшие величины плотности и твердости почвы отмечено в колее трактора- 701 после 7-10 проходов. Переуплотнение черноземов и каштановых почв снижает урожай яровой пшеницы на 20 - 58 % в зависимости от числа прохода тяжелого трактора. Для снижения отрицательного влияния переуплотнения рекомендован ряд мер: использование на посеве легких гусеничных тракторов,глубокая вспашка, минимизация обргчботки и другие.

9. В результате воздействия движущей сельскохозяйственной техники на почву происходит ее деформация, проявляющаяся б ви-• де возрастания сопротивление сдвиговым усилиям. Установлено что в нижней части пахотного слоя уплотнение происходит сильнее, вследствие вибрации почвы и перераспределения агрегатов. Динамика развития деформации почв зависит от величины действующей нагрузки и структурных свойств. Наиболее интенсивная деформация наблюдается в начальный период воздействия . Прочность почвы определяется силами структурных связей и находится в функциональной зависимости от ее влажности и содержания илистой фракции.

10.Впервые получены структурно - реологические характеристики почв Северного Казахстана и построена ее структурно - реологическая модель. Процесс деформирования почв Северного Казахстана в зависимости от величины напряжении включает в себя все виды реологического состояния: Гуковское, Кельви-новское, Максвелловское и Бингамовское.

11.На основе экспериментальных данных построена структурно -реологическая модель почвы, описывающая все реологические свойства при изменении трех основных параметров реологического состояния: напряжение сдвига, времени и деформации. Структурно - реологическая модель свидетельствует о возможности создания физико - математического базиса под теорию расчета рабочих органов и проходимости мелиоративных машин и транспортных средств.

12.Релогические модели расширяют возможности применения математических методов для решения задач оптимизации конструктивных параметров и режимов работы тракторов и сельскохозяйственных машин.Установлен однотипный характер реологической модели черноземов и темно - каштановых почв. Различия между реологическими свойствами разных почв заключается в различии величин параметров и интервалов изменения переменных обшего уравнения реологической кинетики.

13.Существующие методы изучения физических свойств почв неадекватно отражает деформационные процессы, протекающие в почвах под действием тяжелых сельскохозяйственных малин, так они не учитывают единный процесс - деформируемость, упругость и вязкость, который раскрываются при изучении комплекса реологических свойств.

14.Разуплотнение почв связано с использованием на обработке и посеве ьместо колесных, более легких гусеничных тракторов, освоения глубоким рыхлением почв, составлением картограмм плотности и твердости пахотного слоя, обработкой в состоянии физической спелости почв,ограничением использования весной тяжелых колесных тракторов, минимализацией обработки почвы и другими технологическими мероприятиями.

15.Дальнейшие исследования в области реологии почв должны быть направлены на изучение влияния движителей на реологические свойства и деформацию почвы, допустимого давления движителей на почву и снижения продуктивности сельскохозяйственных культур. Необходимо разработать технологию обес-печивающюю более полное использование техники с пониженным давлением возделывания сельскохозяйственных культур и минимализацию обработки почв.

Предложения производству.

1. Выявленные особенности формирования физических свойств черноземов и каштановых почв Северного Казахстана являются научной основой для рекомендации зональных приемов обработки почвы.

2. Для разработки технологии охраны почв Северного Казахстана от переуплотнения движителями тяжелых тракторов рекомендуется составление картограмм плотности на всех полях севооборотов по слоям 0-20 и 20-30 см,включающие набор технологических приемов.

3. Ввести в практику почвенно-физических исследовании при изучении антропогенного изменения почвенного покрова Северного Казахстана и на ■полигонах мониторинга изучение реологических свойств почв с применением усовершенствованного автором прибора .

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ.

1. ТУЛЕУБАЕВ Ж.С. Агрофизические и реологические свойства почв Северного Казахстана. Монография, Алматы, Палым,1994,320 с.

2. ТУЛЕУБАЕВ Ж.С. Уплотнение темно - каштановых почв Северного Казахстана сельскохозяйственной техникой. Алматы, Рауач, 1994, 126 с.

3. ГОРАЗДОВСКИЙ Т.Я., МУХИЕВ Т.М., ТУЛЕУБАЕВ Ж.С. Структурно -реологические свойства почв Южного Казахстана. Труды МГМИ, вып. 53. Сельхозмелиорация, М., 1977, с.76-85.

4. ГОРАЗДОВСКИЙ Т.Я., ТУЛЕУБАЕВ К.С. Повышение прочности и деформируемости почвогрунтов нарушенной структуры методом вибрации. Экспресс-информация. ЭСУ Нефтегазстрой, вып. И, М., 1978, с.36-42.

5. ГОРАЗДОВСКИЙ Т.Я., ТУЛЕУБАЕВ Ж.С. Вибрационное уплотнение и упрочнение насыпных грунтов. Экспресс - информация. ЭСУ Нефтегазстрой, вып.19, М., 1979, с.21-26.

6. ТУЛЕУБАЕВ К.С., ГОРАЗДОВСКИЙ Т.Я. Реологические исследования почв нарушенной структуры. Отчет по госбюджнетной теме. Гос.регистр.N78070415.Инв, N5697371,М., 1978, 223 с.

7. ТУЛЕУБАЕВ Ж.С., МУХИЕВ Т.М. Исследование реологических свойств уплотненных почв. Труды ДГМСИ и ТИМСИХ, вып. XI, Ташкент, 1979.с.110-114

8. ТУЛЕУБАЕВ 1.С., РУБИНШТЕЙН М.И., Г0РАЗД0ВСКИЙ Т.Я. Применение ротационного вискозиметра с однородными реологическими полями для почвенных исследований. Деп. Т-1255 Ка, М, ВИНИТИ, 1986, 69 с.

9. ТУЛЕУБАЕВ Ж.С., МУХИЕВ Т.М. Обоснование технологии обработки почвы с целью увеличения ее плодородия, учитывая основные реологические свойства почв. Отчет по НИР. N гос.регстр 018500828716 Инв. N 02870053925,ЗКамбыл, 1986, 329 с.

10.ТУЛЕУБАЕВ JLC., МУРАДОВ А.Д., СЕЙСЕНБАЕВ Т.О. Разработать и внедрить технологию магнитной биостимуляции семьян зерновых

■ культур с учетом реологических сеойств почв. Отчет по НИР N гос.реестр 01870079037,Инв. N 02370069059, ЗХамбыл, 1987, 106 с.

И.ТУЛЕУБАЕВ JK.C. Исследование реологических сеойств почв на ротационном реометре с однородными реологическими полями. Тез. докл. б-й респ.съезд, почвоведов Казахстана, Алматы, 1987.

12.ТУЛЕУБАЕВ Ж.С. Влияние ходовых систем трактора К-701 на плотность каштановой почвы и урожай яровой пшеницы. В сб. Плодородие почв Казахстана, вып. 7, Алматы,1990 с.25-31.

13.ТУЛЕУБАЕВ Ж.С. Влияние уплотнения движителями тракторов на' агрофизические и реологические свойства темно - каштановых почв Центрального Казахстана. Автореф. канд.дисс., Ташкент, 1990, 21 с.

14. ТУЛЕУБАЕВ Ж.С. Физический анализ уплотнения почв. Тез.докл. 1-съезда почвоведов Казахстана, Алматы, 1990.

15. ТУЛЕУБАЕВ Ж.С. Уравнение реологического состояния почв. Тез.докл.1-съезда почвоведов Казахстана, Алматы, 1990.

16.ТУЛЕУБАЕВ Ж.С. Влияние физических свойств почв на урожайность зерновых культур. ИЛ. Н 59-90, ЦНТИ, ЗКамбыл,1990,6 с.

17.ТУЛЕУБАЕВ Ж.С., РАИМКУЛОВ K.P. Влияние уплотнения на агрофизические и реологические свойства почв Центрального Казахстана. Тез. докл.НПК, ЗКамбыл, 1991.с.27-29

18.ТУЛЕУБАЕВ Ж.С. Реологические свойства и реологическая модель темно - каштановой почвы. Тез. докл. НПК, Жам-был,1991.с.58-59.

19.ТУЛЕУБАЕВ Ж.С. Плотность почвы и урожай яровой пшеницы. Деп. 5501-Ка 94, Алматы, 1994, 8 с.

20.ТУЛЕУБАЕВ Ж.С. Реологические свойства и математическая модель почвы.Деп. 5502-Ка 94, Алматы, 1994, 26 с.

21.ТУЛЕУБАЕВ Ж.С. Изменение водно - физических свойств темно -каштановой почвы при ее уплотнении ходовыми системами тракторов. Алматы,1994, деп. 5507-Ка 94, 20 с.

22. ТУЛЕУБАЕВ Ж.С. Физическая деградация почвы и пути ее снижения. Алматы, 1994, деп. 5504-Ка 94, 15 с.

23.ТУЛЕУБАЕВ Ж.С. Физические и водные свойства черноземов и каш-тановых почв Северного Казахстана. Алматы, 1994, деп. 5503-Ка 94, 25 с.

24.ТУЛЕУБАЕВ Ж.С. Уплотнение пахотного слоя черноземов тяжелыми тракторами. Алматы, 1994, деп.5505-Ка 94, 10 с.

25.ТУЛЕУБАЕВ Ж.С. Минералогическая характеристика илистой фракции черноземов и каштановых почв Северного Казахстана. Алматы, 1994, деп.5506-Ка 94, 22 с.

1 I '

ШИМОЛИЙ НОЗОРИСГОН ТУПРЩ1АРИНЙНГ АГР0ФИ5ИКАВИЙ ВА РЕОЛОГИК ХОССАШИ

Шимолий Козористон республкканинг энг йирик чишлоч хуналиги егионларидан бири булиб, увда хосилдорлигининг тупроч-физик муаммо-ари яхши урганилмаганлиги сабабли зокал дехчончилик системасини узищца катга чийинчиликлар турдирмочда.

Бу регионтанг кора ва каштан тупрочларида узоч вачтлар давомида ррункали донли экинлар экиш, нураш яараёнлари, юцори массали грак-зряар билан куп маротаба чайта ишлаш мучаррар равищда тупроч хосил-зрлигини пасайишга ва физик хоссасини бузилииига олиб келди.

Дехчончиликда ючори самарадорликки мачсадга мувофик илмий всосет учун гупрокларнинг физика-реологик хоссаларини чукур Урганиш ; фур. Тупрочнинг антропоген узгариш цонуниятларини Ургании чучур ; 1зарий ва аыалий ахамият касб зтади.

Авгорнинг излакишлари асосида бу регионнинг тупроч физик хосса-|рикинг свзиларли узгариш, инсон хуиалик юритиш фаолияти биоичлим фоитининг узгариши билан борличлиги Ургакилган.

Тупроч деформацияси намлиги, зичлиги, тракгорнинг маркаси, ига сисгемаларини характери ва такрорланиш таъсирига борличлиги рсатилган.

Кишлоч хукалкк техникаскдан куп маротаба фойдалиниш тупроч гтиклигини кескин ошишига, унуедорлигини пасайикига, донли экинлар-н сезиларли кам хосил йиришга олиб келиши курсатилган.

Шимолий Нозористон гупрочлари хййдал1..а чаглашнинг структура зичлигини узгариш, дала майдонида гракторлар угиш сокига борлич- ' ги аничланган. ;

Тракторларнинг юриш чисмлари тупрочнинг су в угказувчанлиги.дала « сирими ва шхоят бахори бурдой хосидцорлигига гаьсир этиши аничлан-ч.

Автор томонидан тупрочнинг реологик хоссаларини аничловчи янги 5об ишлаб чичилган.

Биринчи булиб Шимолий Козогистон тупрочларини структура-реоло- : { модели тузилди, бу эса уз навбатида механизм иичи кисмларининг гетрукцияси ва тупрочни ишлащца уни чувваг сиришни бахолашга ,

1,ам беради. Бу модель машина ва глехашзмларни ишчи чисмларини туда купроч асосланган техник ва аник хисоблаш усули гузишни таьмин-

!ди.

Механизм кшчи цисмларини зичлаш эффектини хисобга олган *олда тупрощнинг математик деформация модели таклиф этилган.

Автор гомошдан бажарилган илмий излакишлари асосида Шиыо-лий Козористон тупроцларинкнг физик хоесаларини яхшилаш технологиям тавсия этилган.

AGB0PHY3ICAL A1TD RHEOLOGIC SOIL PROPER? IBS Hi N0RTH3RII KAZAKHSTAN

The Northern Kazakhstan is the largest agricultural region of the Republic,"but the agrophysical aspects of its soil fertility have never been studied properly up to now and,duo to this fact, it is rather difficult to develop the appropriate crop farming system for this area»

The long-berm utilization of black-earth and'chestnut soils in t his area for the non-rotation cereal crop cultivation,as well as the erosion processes and the repeated tillage with heavy-type tractors and thoir mounted implements,have inevitably resulted in the loss of soil fertility and the deterioration ox its physical properties.

3?o provide the scientific basis for the rational and more effective crop faming,it is indispensable to study thoroughly the soil physical and rheologic properties»At the same tine,the more profound investigation, of laws of the anthropogeneous changes in soils would be of great theoretical interest and practical importance.

The researches,carried out "by the author,allow to make a conclusion that the soil physical properties are subject to some significant variations,due to the changing bioclimatic conditions in. the process of human economic activities.

It has been shown that the soil deformation depends upon such factors as the soil moisture content and soil density,type of a tractor and of its undercarriage,multiplicity of mechanical effects on the soil.

It has been established that the soil compaction,caused by the moving agricultural machines,would entail the sharp increase of soil hardness,thus reducing the fertility of soils and the harvest of cereal crops.

It has also been revealed that the density and structure of the soil arable layer in the Northern Kazakhstan changed in direct relation to the number of tractor runs along the given field.

The effects of the tractor undercarriage moving systems on the water permeability and moisture capacity of soils,and,consequently,on the spring crop harvest,have been shown there as well.

The author has developed a new instrument to determine the soil rheologic properties.

For the first time,there has been created the structural and rheologic model of soils in the Northern Kazakhstan,which allows to evaluate the energy consumption during the soil cultivation process and the design of the machine working parts„This model provides the well-founded and accurate methods of technical calculations for the design of machine working parts and tools«

There has been suggested the mathematical model of soil deformation, which takes into account the effects of nachines on the soil compaction.

. On the basis of the performed investigations,there were recommended some new technologies aimed to improve the soil physical properties in the northern Kazakhstan»