сотрудник
Россия
сотрудник
сотрудник
УДК 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ОКСО 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
ББК 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
ТБК 6 ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ. МАТЕМАТИКА
BISAC TEC003000 Agriculture / General
В статье рассмотрены новые технические решения, позволяющие расширить функциональные возможности мелкодисперсного дождевания, использовать его для регулирования фитоклимата приземного слоя воздуха с исключением поверхностного и глубинного сброса, а также применять мелкодисперсное дождевание для предотвращения последствий таких неблагоприятных климатических явлений, как весенние заморозки и летняя воздушная засуха. В статье на основе анализа изобретений, разработанных в последнее десятилетие в РФ, определены тенденции в разработке конструкций систем мелкодисперсного дождевания.
дождевание, регулирование фитоклимата, атмосферная засуха, весенние заморозки, аэрозольные дождеватели, локальный мелкодисперсный дождеватель
Введение. Способ орошения сельскохозяйственных культур дождеванием наиболее активно разрабатывался в нашей стране в середине прошлого века. В семидесятые годы налажено производство и внедрение таких высокопроизводительных широкозахватных машин, как «Волжанка», «Фрегат», «Днепр» и «Кубань».
Опыт эксплуатации этих машин показал, что для такой техники характерны существенные недостатки. К этим недостаткам относятся высокая интенсивность дождя и большой размер капель, что в совокупности приводит к образованию поверхностного стока и разрушению структуры почвы. В девяностые годы проводились опытно-конструкторские работы по устранению этих недостатков. Однако переход на новые хозяйственно-экономические отношения в сельском хозяйстве привел к резкому сокращению количества широкозахватной дождевальной техники. В новых условиях хозяйствования возникла потребность в создании новых технологий орошения и мобильной дождевальной техники, позволяющей производить точную подачу воды к каждому растению без поверхностного и глубинного стока и разрушения структуры почвы. Одним из таких способов является технология мелкодисперсного дождевания. Особенность мелкодисперсного дождевания состоит в том, что воду подают в виде дисперсии – смеси воздуха и капель воды размером 50…600 мк.
Методика проведения исследований включала подбор и анализ научно-технической информации о системах мелкодисперсного дождевания. Отбирались преимущественно описания к патентам, полученным ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова, где в последние годы проводилась целенаправленная работа по совершенствованию технологии и технических средств мелкодисперсного дождевания.
В средней полосе РФ нередко бывают весенние заморозки, губительно действующие на сельскохозяйственные культуры, что ведет к снижению урожая. Даже при кратковременных заморозках клеточный сок замерзает, превращаясь в кристаллы, которые повреждают клеточные мембраны. Клетки деформируются, их функция нарушается. Особенно заморозки губительно действуют на цветки. Под воздействием низких температур пыльца стерилизуется, и, хотя цветки могут сохранить нормальный вид, образования завязей не произойдет, и деревья не дадут плодов. Мелкодисперсное дождевание – действенный способ борьбы с заморозками, так как при малом размере капель они не стекают с листьев и образуют тонкую пленку. При замерзании вода переходит из одного агрегатного состояния в другое и выделяет тепло. При охлаждении 1 г воды на 1 °С выделяется 1 калория, а при замерзании – 80 калорий тепла. При этом растения снаружи могут покрыться «ледяным панцирем», но жидкость внутри клеток не замерзнет. За счет выделяемого тепла повышается температура приземного слоя воздуха. Наиболее эффективно мелкодисперсное дождевание, проводимое за несколько часов до заморозков.
В зоне неустойчивого увлажнения сумма осадков в целом соответствует величине испаряемости, однако в последние годы здесь отмечаются весенне-летние засухи продолжительностью до 20 дней. Для достижения высокой урожайности в этой зоне во время засухи требуется дополнительное орошение, направленное на поддержание оптимального водно-воздушного режима, как в корнеобитаемой зоне почвы, так и в приземном слое воздуха. Определенная температура поверхности листьев необходима для синтеза органических веществ у растений. Оптимальная температура достигается путем испарения влаги через устьица, покрывающие нижнюю поверхность листьев. Во время засухи в результате увеличенной транспирации в листьях растений снижается количество жидкости, необходимое для процесса фотосинтеза. При температуре воздуха более 25 °С и относительной влажности ниже 30 % сельскохозяйственные культуры могут испытывать температурный стресс даже при достаточной влажности почвы.
При достижении критической температуры поверхности листьев процесс испарения влаги нарушается, растения закрывают устьица, процесс синтеза органического вещества замедляется. При дальнейших потерях влаги листья теряют тургор, то есть подвядают и фотосинтез прекращается. Все это приводит к снижению урожайности. При кратковременном мелкодисперсном опрыскивании поверхность листьев покрывается мелкими каплями размером 50…600 мкм, которые удерживаются на ней и, испаряясь, понижают ее температуру на 3…5 °С. Эффект от этого охлаждения сохраняется до двух часов. Снизить опасность возникновения температурного стресса можно, опрыскивая посевы с интервалом в 2 ч. При этом расход воды составит 1,5…2 м3/га в день, при продолжении засушливого периода в течение двух-трех недель расход воды будет составлять порядка 30…50 м3/га. Для подачи на поле такого количества воды не целесообразно строительство стационарной оросительной сети, и мелкодисперсное дождевание можно проводить с помощью мобильной техники. Первоначально для мелкодисперсного дождевания использовали сельскохозяйственные опрыскиватели. Наиболее часто использовались вентиляторные опрыскиватели, образующие аэрозоли путем впрыскивания воды в поток воздуха, и штанговые опрыскиватели с форсуночными щелевыми или винтовыми разбрызгивателями. В настоящее время разработаны специализированные конструкции для мелкодисперсного дождевания, учитывающие специфику этого способа.
Так, в описании патента РФ № 2650935 представлен мелкодисперсный дождеватель, предназначенный для использования в передвижных установках для орошения дождем с регулируемым размером капель самых разных сельскохозяйственных культур [1]. Регулирование расхода воды в этой дождевальной машине осуществляется с помощью универсальных насадок. Принцип работы дождевателя состоит в том, что вода из водоподводящего трубопровода подается в корпус, проходя через рассекатель-направитель, струя воды сжимается, за счет чего возрастает ее скорость. В нижней части корпуса поток от воздействия рассекателя-направителя перемещается в водовыпускные отверстия, которые обеспечивают распыление потока на мелкодисперсные капли, поступающие горизонтально на орошаемую площадь. При встрече с атмосферным воздухом скорость капель снижается, и они оседают на орошаемую площадь в виде мелкодисперсного потока, что предотвращает негативное ударное воздействие капель на почву.
Для орошения осушенных земель во время засушливого периода можно использовать осушительно-увлажнительную систему (рис. 1), защищенную патентом РФ № 2608050 [2].
В конструкции закрытые дрены сопряжены с коллекторами, оборудованными колодцами-накопителями дренажного стока, собранного во время весеннего паводка. К этим колодцам возможно подключение установки мелкодисперсного дождевания, размещенной на специальной платформе. Каждая установка имеет силовой агрегат, водяной насос, компрессор, регулятор подачи воздуха и смесительную камеру с выпускным оголовком. Оголовок смонтирован с возможностью вращения в горизонтальной плоскости и снабжен двумя разбрызгивающими насадками, работающими по принципу Сегнетова колеса, изогнутыми в противоположных направлениях и расположенными друг против друга. Подача воздуха компрессором в сочетании с впрыскиванием воды через форсунки обеспечивает образование аэрозоля, который выбрасывается над полем через сопла, вращающиеся с заданной скоростью, что обеспечивает интенсивность подачи воды расходом, не разрушающим почву и не образующим стока.
Более остро стоит проблема борьбы с температурным стрессом сельскохозяйственных культур в южных регионах РФ: Саратовской, Волгоградской, Оренбургской, Астраханской и Ростовской областях, Ставропольском крае, республике Крым. Здесь наблюдается два типа засухи – атмосферная и почвенная. Низкая влажность (ниже 30 %) и высокая температура приземного слоя воздуха (более 25 °С) характеризует атмосферную засуху. Такая засуха может длиться более 30 дней в рассматриваемых регионах. При долговременной и интенсивной атмосферной засухе (35…40 °С) земля может прогреться до 70 °С и вызвать почвенную засуху.
При этом восходящий поток воздуха образует пыльный туман из частичек почвы. В таких погодных условиях урожай может быть полностью уничтожен. Различные растения по-разному страдают от воздушной засухи.
Засухоустойчивые растения обладают генетически определенной приспособленностью, адаптацией к недостатку воды за счет особенностей строения стебля, листьев, репродуктивных органов. Например, к засухоустойчивым культурам можно отнести кукурузу. Идеальная температура для кукурузы +25…30 °С. Относительно хорошо кукуруза переносит засуху до фазы выхода в трубку. Максимальная температура, при которой прекращается рост, +45…47 °С. Засухоустойчивыми являются и томаты, родом из полупустынных областей Южной Америки. Меньшей устойчивостью к засухе обладают зерновые, особенно в период всходов, цветения, в период формирования пыльцы и оплодотворения, в период формирования колоса. Засуха во время цветения зерновых вызывает пустотелость (завязываются не все зерна в колосе), а в период формирования колоса – щуплость зерна (мелкий размер и вес зерна), что приводит к снижению урожайности.
Рис. 1. Осушительно-увлажнительная система:
1 – участок; 2 – дрены; 3 – закрытые коллекторы; 4 – колодцы–накопители; 5 – дождевальные установки; 6 – каналы
В этих условиях аэрозольное орошение является дополнительным способом в сочетании с влагозарядковыми поливами весной или в межполивной период традиционных поливов во время роста и развития растений для поддержания благоприятного для растений микроклимата. При температуре воздуха выше 25 °С растения опрыскивают водой каждые 1…2 ч, что позволяет повысить урожай на 20 %. В этих регионах целесообразно строить стационарные системы, позволяющие производить как классическое дождевание, так и мелкодисперсное.
Согласно патенту РФ № 2567521 оросительная сеть для регулирования микроклимата поля применяется при борьбе с атмосферной засухой [3]. Производится периодическое мелкодисперсное увлажнение растений с учетом температуры, влажности приземного слоя воздуха и почвы, скорости и направления приземного ветра. Распыление аэрозоля производят с автоматическим регулированием высоты и направления его подачи, а также размера капель в нем на основе данных, полученных от автоматизированного измерительного комплекса по результатам мониторинга в режиме реального времени за температурой и влажностью почвы и приземного слоя воздуха, за направлением и скоростью приземного ветра. Реализация данного способа позволяет предотвратить ущерб от любых видов засухи на посевах культур сплошного сева в течение всего вегетационного периода путем автоматического поддержания благоприятных условий для растений.
Для предотвращения температурного стресса у растений в наиболее жаркое время суток, в том числе при засухе, рекомендуется способ, защищенный патентом РФ № 2684746, который использует тепловизионную съемку беспилотным летательным аппаратом (БПЛА) в привязке к локальным дождевальным аппаратам в поле [4]. Для реализации этого способа орошаемое поле, делят на площадки, орошаемые отдельными локальными дождевателями, спутниковые координаты которых используют в качестве точек съемки при разработке маршрута БПЛА. Высота съемки выделенных участков поля рассчитывается с учетом угла обзора объектива тепловизора. Поле оборудуется автоматизированной дождевальной системой, управляемой компьютером. При наступлении жаркой погоды производится систематический облет поля БПЛА и проведение съемки тепловизором, который передает информацию на компьютер. При получении информации о достижении критической температуры поверхности листьев компьютер дает команду дождевателям на проведение мелкодисперсного дождевания.
При регулировании микроклимата поля используют мелкодисперсный дождеватель, защищенный патентом РФ № 2685478 [5], выполненный в виде основания и мачты, в верхней части которой размещены разбрызгиватели, подсоединенные к водоподводящему трубопроводу. Мачта выполнена в виде телескопической трубы. По длине мачты выполнены вертикальные прорези, соразмерные с величиной фиксатора. По мере роста возделываемой сельскохозяйственной культуры постепенно увеличивают высоту мачты, вытягивая ее из основания. При этом труба мачты, преодолевая сопротивление пружины, отжимает рычаг фиксатора до его совмещения с очередной прорезью, что обеспечивает фиксацию мачты на новой высоте. В конце оросительного сезона дождеватель демонтируют. В процессе демонтажа отсоединяют шланги и снимают мачту, используя веретенообразную форму ножа с пилообразными зубьями, которые облегчают извлечение основания из почвы. Предложенная конструкция повышает технологичность и эффективность мелкодисперсного дождевания.
При регулировании микроклимата на посевах полевых культур применяются дождевальные системы, состоящие из стационарной водоподводящей сети и разборной мачты с распылителями, подключенными гибким трубопроводом к водоподводящей сети. Усовершенствованная конструкция стойки дождевателя для такой системы, защищена патентом РФ № 2714252 [6] и приведена на рис. 2.
Технический результат усовершенствования состоит в том, что выполнение трубы основания и мачты дождевателя квадратного сечения обеспечивает надежное совмещение прорезей в мачте с зубьями шестерни, что позволяет равномерно изменять высоту мачты дождевателя вращением шестерни с помощью рукоятки по мере роста орошаемой культуры. Кроме того, выполнение опорной площадки между основанием и якорем повышает устойчивость основания и предотвращает переувлажнение и зарастание поля в зоне размещения мелкодисперсного дождевателя. Перед уборкой урожая дождеватель удаляют с поля. Для этого шланг отключают от трубопровода. Мачту вынимают из основания. Основание вывинчивают из грунта с помощью ворота. Отсутствие дернины под диском и сохранение почвы во влажном состоянии облегчают процесс вывинчивания. Таким образом, применение предложенной конструкции снижает трудоемкость регулирования высоты мачты, а также установки и демонтажа мелкодисперсного дождевателя, повышает его устойчивость в процессе работы и устраняет препятствие проведению междурядных обработок.
Патент РФ № 2189733 выдан на полосный дождеватель [7]. Изобретение может быть использовано для орошения небольших участков, преимущественно огородов и садов. Работа дождевателя проводится в режиме полива с регулируемой шириной увлажняемой полосы и в режиме мелкодисперсного дождевания для снятия температурного стресса и для борьбы с заморозками, для внесения ядохимикатов при борьбе с вредителями. Дождеватель располагают на грядке, заглубляя стойку в грунте с таким расчетом, чтобы щелевой вырез был выше растений. Поворачивая корпус в муфте, задают нужное направление полива. Патрубок подключают к оросительной сети, затем включают воду и, поворачивая головку, регулируют сектор полива по ширине грядки, увеличивая или уменьшая размеры перекрытий щелевых вырезов. После окончания регулировки проводят полив заданной нормой. Дождеватель включает стойку, подводящий шланг, щелевую насадку, которая выполнена в виде корпуса и подвижной головки с совмещаемыми щелевыми прорезями. Корпус снабжен выступом-ограничителем со сквозной канавкой. В противостоящем выступу-ограничителю торце прорези подвижной головки выполнено зеркальное отражение этой канавки. Обе канавки снабжены спиральными нарезами. Такая конструкция позволяет с учетом конкретных условий регулировать ширину увлажняемой полосы, менять структуру дождя и использовать дождеватель для борьбы с заморозками, снимать температурный стресс при засухе.
Дождеватель, защищенный патентом РФ № 2365097, предназначен для применения в садах, выращиваемых на карликовом подвое с посадкой деревьев по схеме 2×4 м. При такой плотности посадки применяется способ полосового увлажнения [8]. К подводящему трубопроводу подсоединяют подводящие шланги дождевателей. Дождеватель устанавливается на стойке рядом с деревом и состоит из корпуса с тремя распылителями и форсункой. Распылители расположены в трех позициях: 45° вверх под углом к горизонтали, горизонтально и 45° вниз под углом к горизонтали.
При проведении полива в зависимости от возраста дерева используют один из трех распылителей. При поливе саженцев для уменьшения увлажняемой площади воду подают из третьего распылителя, направляя факел разбрызгивания вниз. При поливах двухлетних насаждений для увеличения орошаемой полосы используют центральный распылитель. При поливе взрослого сада для сплошного увлажнения пространства между соседними деревьями используют верхний распылитель. При атмосферной засухе дождеватели переключают в режим мелкодисперсного увлажнения, подавая воду через форсунку на крышке корпуса.
Рис. 2. Мелкодисперсный дождеватель:
1 – разбрызгиватель; 2 – внутренняя труба; 3 – продолговатые отверстия; 4 – шестеренчатый механизм; 5 – наружная труба; 6 – якорь; 7 – опорная площадка; 8 – водоподводящая трубка; 9 – распределительный трубопровод
Анализ рассмотренных выше технических решений показал, что разработка конструкций для систем мелкодисперсного дождевания ведется в различных направлениях. Наиболее перспективным представляется компьютеризация процесса управления подачей воды на основе наблюдения в режиме реального времени за температурой и влажностью почвы и приземного слоя воздуха, что позволяет обеспечить поддержание благоприятных условий для роста и развития растений для достижением высокой урожайности.
1. Пат. РФ № 2650935 B05B 1/18 (2006.01) B05B 1/18 (2006.01) A01G 25/02 (2006.01). Мелкодисперсный дождеватель / Н.Н. Дубенок, С.Я. Семененко, В.Г. Абезин, С.С. Марченко, В.Ф. Лобойко, А.Н. Чуш¬кин. № 2017118869. Заявл. 30.05.2017; опубл. 18.04.2018. Бюл. № 11.
2. Пат. РФ № 2608050 E02B 11/00 (2006.01). Осушительно-ув¬лажнительная система / В.К. Губин, М.Ю. Храбров, В.П. Мак¬сименко, Л.В. Кудрявцева, А.П. Соломина, Е.Б. Стрельбицкая. № 2015142674. Заявл. 08.10.2015; опубл. 12.01.2017. Бюл. № 2.
3. Пат. РФ № 2567521, A01G 15/00 (2006.01) B05B 12/12 (2006.01) B05B 3/12 (2006.01) A01G 25/02 (2006.01). Оросительная сеть для ре¬гулирования фитоклимата поля / В.К. Губин, В.П. Максименко, А.В. Матвеев, М.Ю. Храбров, В.В. Бородычев,А.В. Майер, Э.Г. Ари¬стов, Л.В. Кудрявцева, Н.Г. Колесова, С.И. Харитонов, М.В. Силков. № 2014118907/13. Заявл. 13.05.2014; опубл. 10.11.2015. Бюл. № 31.
4. Пат. РФ № 2684746A01G 25/00 (2006.01) A01G 25/00 (2019.02) A01G 25/16 (2019.02). Способ мелкодисперсного дожде¬вания. /В.К. Губин, В.А. Шевченко, А.В. Матвеев, Г.Н. Суханов. № 2018138840. Заявл. 06.11.2018; опубл. 12.04.2019. Бюл. № 11.
5. Пат. РФ № 2685478A01G 25/00 (2006.01) B05B 1/18 (2006.01) A01G 25/00 (2019.02)B05B 1/18 (2019.02). Мелкодисперсный дож¬деватель / В.К. Губин. № 2018133668. Заявл. 25.09.2018; опубл. 18.04.2019. Бюл. № 11.
6. Пат. РФ № 2714252A01G 25/00 (2006.01) A01G 25/00 (2019.08). Мелкодисперсный дождеватель / Л.В. Кудрявцева. № 2019110393. Заявл. 09.04.2019; опубл. 13.02.2020. Бюл. № 5.
7. Пат. РФ № 2189733A01G 25/02 (2000.01). Дождеватель / В.К. Губин, М.Ю. Храбров, К.В. Губер, Г.П. Лямперт, В.И. Канардов, Н.Г.Колесова. № 98122853/13. Заявл. 16.12.1998; опубл. 27.09.2002. Бюл. № 27
8. 8. Пат. РФ № 2365097A01G 25/02 (2006.01) B05B 1/04 (2006.01). Дождеватель / В.К. Губин, К.В. Губер, М.Ю. Храбров, Н.Т. Губина. № 2007146915/12. Заявл. 20.12.2007; опубл. 27.08.2009. Бюл. № 24.
