1. Введение

В настоящее время наиболее острой стала проблема уменьшения загрязнения атмосферного воздуха токсическими веществами, выделяемыми двигателями внутреннего сгорания (ДВС) [1], [2]. Эта проблема особенно актуальна для сельскохозяйственного производства, так как около 60% мощностей сельского хозяйства приходится на долю двигателей внутреннего сгорания, работающих на дизельном топливе и бензине.

В современных условиях сельское хозяйство располагает возможностями по сохранению или увеличению плодородия почвы путем внесения органических, бактериальных и минеральных удобрений [3], [4]. Процесс рационального использования удобрений с целью повышения урожайности возделываемых культур без снижения уровня плодородия почв можно оптимизировать за счет своевременного внесения различных элементов питания и оперативного контроля выполнения технологического процесса.

В то же время на сегодняшний момент существуют альтернативные приемы повышения плодородия почвы, используемые в углеродном земледелии, когда в качестве удобрения используют отработавшие газы (ОГ) двигателей внутреннего сгорания машинно-тракторных агрегатов (МТА) [5]. При этом опыты внесения отработавших газов (СH+СО2) в почву известны более 100 лет.

2. Материалы и методы

Картофель — одна из важных культур в сельском хозяйстве, он используется на продовольственные, кормовые и технические цели. По данным одного из исследований примерно 60 % выращиваемого в мире картофеля употребляется для еды человеком, 15% — на корм животным, 5% —– как промышленное сырьё и 11% — на посадку [6], [7].

Современные технологии выращивания картофеля подразумевают использование большого количества удобрений. Без внесения удобрений мы не получим высокого урожая картофеля и хорошего качества и вкуса клубней. По данным, полученным в различных зонах, картофель на каждые 100 кг урожая выносит в действующем веществе: 0,4–0,6 кг азота, 0,15–0,25 — фосфора и 0,6–1,0 — калия, 0,2–0,4 — серы, 0,1–0,25 — магния, 0,25–0,5 кг — кальция и ряд микроэлементов [3].

Питательные вещества следует вносить еще до посадки культуры или в момент их необходимости, размещая непосредственно в зоне их поглощения культурой. Предпосевное внесение удобрений проводится или разбросным, или ленточным способом. Лучшие результаты дает внесение удобрений именно ленточным способом [4]. В то же время в составе выхлопных газов дизельных двигателей, которые устанавливаются на тракторах, используемых для агрегатирования сельскохозяйственных машин и орудий, находится ряд химических элементов, необходимых для питания растений. К ним можно отнести углекислый газ CO2, азот N2 и его окислы NOx, сера S, углерод С и ряд микроэлементов, необходимых для нормального развития растений. В таблице 1 представлен состав ОГ дизельного двигателя [8].

Для улучшения экологической обстановки при выполнении полевых работ машинно-тракторными агрегатами предлагается выполнять декарбонизацию ОГ, направляя их в верхний слой почвы. Данный технологический прием можно реализовать при обработке почвы и во время проведения посадочных работ, когда рабочие органы взаимодействуют с верхним слоем, создавая в нем пористую структуру, способную вместить значительный объем ОГ. Так как ОГ тяжелее воздуха, то они будут удерживаться в почве в течение длительного времени и перерабатываться почвенной биотой, а также усваиваться листьями растениями. Так, например, повышенное содержание углекислого газа в верхнем слое почвы приводит к увеличению интенсивности фотосинтеза в листьях растений, что способствует повышению их продуктивности [9], [10]. Такой технологический прием нашел свое применение при возделывании целого ряда сельскохозяйственных культур [11]. Однако при возделывании картофеля он не находил своего широкого применения.

Анализ технологий возделывания картофеля показал, что почвосберегающий способ выращивания клубней предусматривает минимизацию числа операций за счет активизации природных процессов влагопереноса под действием температурного градиента [12], [13]. Под действием природных явлений в зимнее время происходит формирование мелкомковатой структуры почвы, что позволяет проводить посадку картофеля комбинированным картофелепосадочным агрегатом без предварительной предпосадочной обработки [14]. При работе такого энергоемкого картофелепосадочного агрегата заделка ОГ в зону размещения посадочного материала позволит выполнить заделку посадочного материала позволит утилизировать их значительный объем.

Высокой энергоемкостью обладают также мероприятия по глубокой обработке почвы [15], [16]. В почвосберегающих технологиях глубокое рыхление почвы выполняют в качестве основной, а также междурядной обработки. Для устранения уплотнения, созданного ходовыми системами картофелепосадочного агрегата, необходимо выполнять глубокое рыхление междурядий в течение первых суток после прохода картофелепосадочной машины, пока не высохла уплотненная почва. Для этой цели применяются пропашные культиваторы-глубокорыхлители, каждая секция которого включает в себя глубокорыхлительную лапу на жесткой подпружиненной стойке, окучивающий корпус, две боковые рыхлительные лапы на пружинных S-образных стойках, профилированный прутковый каток и роторный лункователь, установленный в междурядье [17]. Во время прохода такого культиватора происходит дополнительное крошение почвы внутри гребней, а в междурядьях образуется рыхлая структура, обеспечивающая формирование лунок глубинной до 20 см при перекатывании лопастей лункователя под собственным весом. При подаче ОГ в патрубки, установленные позади рыхлительных лап пропашного культиватора-глубокорыхлителя, они заполняют крупные поры внутри гребней и в междурядьях, а также оседают на дне лунок [18].

Таким образом, при возделывании картофеля по энергосберегающей технологии можно обеспечить декарбонизацию значительного объема ОГ за счет их заделки в гребни и междурядья, так как посадка картофеля комбинированным посадочным агрегатом и междурядная обработка культиватором-глубокорыхдителем являются наиболее энергоемкими операциями, требующие до 80% затрат топлива, используемого в период вегетации растений.

3. Основные результаты

Для реализации технологического приема внесения ОГ при выполнении посадки картофеля разработана конструктивно-технологическая схема устройства для подачи ОГ в почву, которая может быть адаптирована к тракторам любой конструкции. Данная схема приведена на рисунке 1. В состав картофелепосадочного машинно-тракторного агрегата входит трактор 1. Рядом с выходом ОГ из выхлопной трубы 2 установлен газозаборный патрубок 3 предлагаемой системы. При этом расстояние между газозаборным патрубком и выходом выхлопной трубы может меняться для управления температурным режимом путем смешивания ОГ с наружным воздухом. Далее, охлажденные таким образом ОГ по трубопроводу 4 поступают в центробежный вентилятор 5, который под давлением подает воздушную смесь в распределитель 6. Вентилятор приводится во вращение от гидромотора 7, соосно с ним установленным. Из распределителя воздушная смесь ОГ под давлением направляется в сошниковую группу картофелепосадочного агрегата по гибким гофрированным трубопроводам 8. Сошниковая группа состоит из рыхлительных лап 9, установленных перед каждым сошником 10. Эти лапы готовят почву в зоне размещения семенного материала. Клубни картофеля из бункера 12 высаживающим аппаратом подаются на дно борозды, сформированной сошником 10, после чего заделываются рыхлой почвой заделывающими дисками 11. Для формирования рыхлого полнообъемного гребня позади заделывающих дисков устанавливается окучивающий корпус 13, а упрочнение гребней производится профилированным прутковым катком 14. При работе предлагаемой системы ОГ вместе с картофелем поступают в почву и оседают в крупных воздушных порах внутри рыхлого гребня. При этом повышенная концентрация ОГ непосредственно в зоне размещения семенного материала способствует обеззараживанию почвы и ускорят появление всходов [19].

Аналогичная система устанавливается и на пропашном культиваторе-глубокорыхлителе, который устраняет уплотнение в дне междурядий и дополнительно рыхлит гребень в зоне формирования клубней нового урожая. Подача ОГ в почву через трубки, установленные позади рыхлительных лап, повышает их концентрацию внутри гребней и частично оседает внутри рыхлых междурядий и на дне лунок.

Ввиду того, что ОГ ДВС обладают высокой температурой, которая находится в пределах от 120 до 250°, то для снижения рисков получения ожогов тела у обслуживающего персонала, а также обеспечения безопасного температурного режима работы технических систем требуется их охлаждение до момента поступления в центробежный вентилятор. На сегодняшний день известно два способа охлаждения ОГ: путем установки в систему теплообменника, либо за счет смешивания ОГ с окружающим воздухом [5].

Для повышения эффективности применения ОГ предложено использовать комбинированную систему их охлаждения, чтобы обеспечить более высокую плотность, гарантирующее оседание внутри крупных пор и на дне лунок. Длительная экспозиция ОГ внутри почвы обеспечивает более эффективное обеззараживание зоны размещения семенного материала и формирования клубней нового урожая, а также способствует более полному усвоению почвой углерода и окислов азота NOx, а повышенная концентрация углекислого газа СО2 обеспечивает более интенсивное протекание фотосинтеза в листьях растений, что все суммарно приводит к увеличению урожайности картофеля. Данная комбинированная система охлаждения ОГ представлена на рисунке 2. Согласно представленной схеме, ОГ из выхлопной трубы 1 под действием вакуума, через газозаборный раструб 2 направляются в сажеуловитель 4. При этом расстояние между выхлопной трубой и газоприемным раструбом регулируется с помощью актуатора 3. Из сажеуловителя ОГ поступают в интеркулер 6, расположенный на крыше энергетического средства. На выходе из интеркулера установлен температурный датчик 7, который регистрирует текущее значение температуры. Сигнал от датчика температуры поступает в управляющее устройство 5, которое оценивает текущую температуру ОГ и при отклонении от заданных значений, подает сигнал на актуатор для удаления или приближения газозаборного раструба к выхлопной трубе, что обеспечивает постоянный температурный режим газовоздушной смеси, поступающей в почву. Подача ОГ в почву производится через центробежный вентилятор 8, гибкие шланги 9, присоединенные к рабочим органам посадочного или почвообрабатывающего агрегата 10.

Особенность предложенного конструктивно-технологического решения заключается в комбинировании способов подачи охлажденных отработавших газов в почву теплообменником и смешивания их с атмосферным воздухом. Охлаждение отработавших газов будет проходить с помощью теплообменника, установленного на крыше трактора и с помощью подмешивания наружного воздуха через раструб в непосредственной близости от выхлопной трубы, который в свою очередь будет оснащен актуатором, регулирующим зазор между ними.

4. Обсуждение

Предложенная схема устройства, используемого для декарбонизации ОГ, может адаптироваться к различным типам машин и орудий в технологии возделывания картофеля, рабочие органы которых, выполняют воздействие на верхний слой почвы и формируют рыхлую структуру со значительным объемом порового пространства [20]. При использовании почвосберегающей технологии возделывания картофеля подача ОГ в обрабатываемый слой может выполняться при посадке картофеля и при междурядной обработке пропашными культиваторами-глубокорыхлителями, оснащенными лопастными лункователями ротационного типа. Высокое качество заделки ОГ в почву и обеспечение наиболее эффективной их декарбонизации достигается при выполнении этих операций при достижении в обрабатываемом слое состояния физической спелости, когда крошение пласта производится с минимальными усилиями по линии наименьших внутренних связей между почвенными агрегатами. Такое состояние почвы достигается при прогревании верхнего слоя до температуры более 10 °С и влажности в пределах 22–28%.

Формирование мелкокомковатой структуры почвы внутри гребня со значительным объемом крупных пор обеспечивает стабилизацию температурного режима в зоне укладки семенного материала и формирования клубней нового урожая, что способствует удержанию значительного запаса влаги за счет минимизации ее оттока в нижние горизонты корнеобитаемого слоя под действием температурного градиента. Глубокое рыхление междурядий и формирование лунок в них позволяет отводить влагу в нижние горизонты в местах ее выпадения, исключая избыточное увлажнение и заполнение крупных пор водой, что способствует более длительной экспозиции ОГ внутри гребневой поверхности. При стабильной температуре почвы и достаточном ее увлажнении обеспечиваются благоприятные условия для развития корневой системы растений, а также активной деятельности почвенной биоты, которая способна преобразовывать окислы азота NOx в доступные для растений азотные соединения нитратной формы. Это снижает до 30% потребность во внесении азотных минеральных удобрений.

Насыщение почвенных пор углекислым газом CO2, находящегося в составе ОГ и создание условий для его длительного удержания внутри гребней и в междурядьях способствует более быстрому развитию листового аппарата растений и ускорению формирования клубней нового урожая. Это способствует скорейшему смыканию ботвы в междурядьях, стабилизации температурного режима в верхнем слое почвы, обеспечивая стабильное влагообеспечение корневой системы растений за счет минимизации миграции влаги в нижние горизонты корнеобитаемого слоя. Необходимо отметить, что при ширине междурядий 75 или 90 см локальное внесение ОГ в смеси с воздухом в охлажденном состоянии непосредственно в зону посадки клубней не будет существенно нарушать условия жизнедеятельности для почвенной биоты и дождевых червей по всей площади поля. При этом почвенная биота использует для своей жизнедеятельности окислы азота NOx, а черви, обладая мобильностью могут свободно мигрировать внутри почвы.

5. Заключение

В результате выполненных теоретических исследований и анализа литературных источников разработана схема устройства для внесения ОГ дизельных двигателей энергетических средств, используемых при выполнении самых энергозатратных операциях при возделывании картофеля в почвосберегающих технологиях. Для обеспечения технической надежности предлагаемого устройства и безопасности ее эксплуатации предложена система управления температурным режимом воздушной смеси ОГ, подаваемой в почву. Отмечено также, что наибольший эффект декарбонизации ОГ достигается при выполнении посадки картофеля и междурядной обработки в период физической спелости почвы, когда ее температура на глубине заделки семенного материала достигает 10 °С, а влажность 22–28%. При этом посадка картофеля и его междурядная обработка выполняются синхронно с временным разрывом не более 24 часов. Соблюдение таких условий способствует стабилизации температурного и водного режима внутри гребней и в междурядьях, что обеспечивает благоприятные условия для развития растений и жизнедеятельности почвенной биоты, перерабатывающей окислы азота NOx в доступные для растений азотные соединения. Стабильный температурный и водный почвенный режимы, а также повышенная концентрация углекислого газа СО2 в верхнем слое почвы и активная деятельность почвенной биоты позволяют получить планируемый урожай картофеля в более краткие сроки при снижении потребности до 30% в минеральных азотных удобрениях.

The additional file for this article can be found as follows: