История способы обработки земли
8(800) 775-67-48 по России (бесплатно)
8(495) 133-75-43 Москва
Эволюция технологии обработки почвы
Человек обрабатывает почву более 10 тысяч лет. Это только в школьном учебнике после главы об ирригационном земледелии Древнего Египта может следовать глава о подсечном земледелии древних славян. Реальный исторический процесс не имеет «черных дыр» во времени — земледелие развивалось постепенно, и в этом развитии можно найти свои взлеты и падения, открытия и изобретения. Но главное — в нем можно найти закономерности.
ТРИЗ утверждает, что закономерности есть в развитии любых технических средств и технологий.
На длительных временных отрезках хорошо заметны этапы «развертывания свертывания» в технико-технологической сфере (рис. 1).
Рис. 1. Изменение сложности системы, иллюстрируемое линией «Развертывание-свертывание»
На этапе развертывания возрастает количество элементов, частей, подсистем технического устройства (или соответственно количество операций в технологии) — это линия усложнения. На этапе свертывания они объединяются в цельную конструкцию, или множество технологических операций свертываются в одну.
Проанализируем историческое развитие технологии обработки почвы и выстроим линию развития «Развертывание свертывание». Выделим основные этапы развития почвообработки (см. также статью «Земледелие в Европе»).
Иллюстрация линии «развертывание-свертывание»
Линия «Развертывание-свертывание» прослеживается во всех областях техники. Проиллюстрируем это на примере развития корпуса автомобиля.
Первые автомобили представляли собой обычные повозки, снабженные двигателем и системой управления. Говоря языком ТРИЗ, это была «минимально работоспособная система». Эти автомобили практически не имели кабины, ее функции выполняли отдельные элементы автомобиля: рама, сиденья с невысоким бортиком вокруг них (рис. 2).
Рис. 2. Автомобиль: минимально работоспособная система
Развертывание конструкции первых автомобилей происходило в сторону введения новых элементов — носителей дополнительных функций (рис. 3).
Рис. 3. Развертывание корпуса автомобиля
Необходимость перемещения в темноте привела к появлению фар. Для защиты от погодных условий появились крыша и ветровое стекло. К тридцатым годам прошлого века конструкция автомобиля приобрела практически все элементы современного автомобиля (рис. 4).
Рис. 4. Развернутая конструкция автомобиля
С этого времени усилия проектировщиков были направлены в основном на свертывание элементов конст-рукции автомобиля (безусловно, процесс добавления функций не остановился, однако эта тенденция потеряла главенствующую роль).
Крыша и кабина были объединены в один узел. Фары потеряли собственные корпуса — их функцию также взял на себя корпус автомобиля. Затем кабина была объединена с рамой и появился несущий корпус — основная деталь современного автомобиля (рис. 5).
Рис. 5. Свертывание конструкции автомобиля
1. Посев в лунки
Земледелие уже было в то время, когда еще не приходилось говорить о каких-либо почвообрабатывающих орудиях. Зерна сеяли в землю без всякой обработки, протыкая лунки для них простой заостренной палкой. По сути дела это и была нулевая обработка почвы, только на более низком, примитивном уровне. Борьба с сорняками и удобрение почвы проводились самым простым способом: поджигали лес, росший на месте будущего поля. Сорняки сгорали, а древесная зола была прекрасным удобрением.
2. Обработка сохой
Количество людей на Земле увеличивалось, продуктов нужно было все больше. Следующий шаг в земледелии — изобретение сохи, которую тянули люди или животные. Применение сохи позволило поднять производительность обработки почвы, но технология возделывания зерновых при этом мало изменилась. Просто вместо лунок зерна сажали в узкую борозду, образуемую лезвием сохи. Борозду заделывали вручную или таская по полю суковатую ветку — прообраз современной бороны (рис. 6). Борьба с сорняками и удобрение почвы не претерпели изменений, благо лесов еще хватало.
Рис. 6. Древние почвообрабатывающие орудия: борона-суковатка (вверху), соха (внизу)
3. Плужная обработка почвы
Соха была эффективным орудием, пока можно было сжигать леса, расчищая и удобряя новые поля. Но так не могло продолжаться бесконечно… А на старых полях плодородие почвы падало. И тогда для повышения урожайности нашли новый способ — обеспечить хорошее разрыхление и борьбу с сорняками.
Уже древние греки пользовались отвальным плугом (рис. 7), который запахивал сорняки на глубину, где они не могли прорасти. Классическая технология того времени — вспашка отвальным плугом, посев зерна вручную и боронование для заделки зерна в почву.
Рис. 7. Старинный деревянный плуг
4. Максимально развернутая технология обработки почвы
Повышение урожайности оставалось самым важным требованием, и экстенсивный путь развития земледелия казался единственно приемлемым. Технология обработки почвы включала все новые дополнительные операции — в соответствии с тенденцией «развертывание свертывание».
Наиболее развернутая технология, применявшаяся в середине XX века, включала следующие операции: вспашку, несколько культиваций, боронование и предпосевное выравнивание. Затем следовали посев и дополнительное прикатывание почвы. Мощность тракторов, глубина вспашки и ширина захвата плугов постоянно росли. Сами плуги совершенствовались, появились плуги для гладкой пахоты, не образующие развальной борозды.
Казалось, была одержана полная победа над природой. Но победа оказалась пирровой. Тратились огромные ресурсы, в первую очередь нефть, затраты труда на проведение большого числа операций превысили все мыслимые пределы. В результате верхний слой почвы был разрыхлен, как пух, а слой ниже плужной подошвы сильно переуплотнен колесами тракторов (рис. 8). В равнинных областях часто налетал ветер и вспаханный плодородный слой уносился с полей пылевой бурей, оставляя за собой пустыню. Эрозия почв охватила десятки миллионов гектаров. Содержание гумуса в лучших черноземах упало с 10-12 до 5-6%. Земледелие зашло в тупик.
Рис. 8. Нарушенная плугом структура почвы
Передовые умы забили тревогу. В одном из канадских университетов висит плакат: «Немецкий плуг Сакса принес больше вреда, чем вся немецкая армия во Второй мировой войне».
Отвал переворачивает почву, но почва — это в первую очередь разнородные слои земли. В верхнем слое обитают бактерии, которые дышат кислородом, — их называют аэробными. А глубже живут бактерии, которые на воздухе моментально погибают, — их называют анаэробными. При обороте пласта те бактерии, которые могут жить только в верхнем слое, оказываются внизу и умирают от недостатка кислорода, а те бактерии, которые существуют в глубине почвы, попадают наверх и также гибнут. А ведь эти бактерии своей жизнедеятельностью обеспечивают плодородие почвы, накопление в ней гумуса.
Другая проблема, связанная с применением плуга, — образование плужной подошвы, то есть слоя пере-уплотненной почвы на глубине 20-25 сантиметров (см. также статью «Не давите, мужики! Не давите. «). В нор-мальных условиях влага перемещается по капиллярам, поступая то из нижних слоев в верхние, то из верхних — в нижние. А плужная подошва перекрывает почвенные капилляры, естественная циркуляция влаги в почве прекращается.
5. Безотвальная обработка почвы
Началась упорная борьба за внедрение безотвальной обработки почвы. Об этой проблеме заявил на весь мир американский ученый Эдвард Фолкнер в своей книге «Безумие пахаря», мгновенно ставшей бестселлером. Новый способ обработки исключал использование отвального плуга. Почва рыхлилась на глубину 10-15 сантиметров плоскорезами с широкими горизонтальными подрезающими ножами или чизельными рыхлителями с узкой стойкой (рис. 9).
Рис. 9. Рыхлитель
С точки зрения технологической эволюции началось свертывание технологии обработки почвы. Была исключена простая, но весьма энергоемкая операция — оборот почвенного пласта.
Энтузиасты нового метода работали в разных странах мира. В Советском Союзе за бесплужную обработку почвы боролся известный агроном Мальцев (см. также статью «Дума о Терентии Мальцеве»). Технология совер-шенствовалась, удалось справиться с ее «детскими болезнями», главная из которых — очистить поля от злостных сорняков без их запашки. Эта проблема была решена с изобретением гербицидов, которые через некоторое время после использования распадаются на безвредные составляющие.
Безотвальная обработка начала бурно развиваться во многих странах мира, прежде всего в США и Мексике. Результат: лучшие условия для роста и развития растений, экономия топлива.
6. Минимальная обработка почвы
Следующим шагом на пути свертывания обработки почвы был переход к минимальной обработке, при которой глубина рыхления почвы равна глубине заделки семян, то есть гораздо меньше, чем при безотвальной. Основные положения этой технологии разработал в середине XIX века украинский ученый Иван Овсинский. Его взгляды жестко критиковались. Тем не менее Овсинский создал специальные орудия для неглубокой обработки почвенного слоя и успешно применил этот метод в собственном хозяйстве. Новая технология решала целый комплекс задач: сохраняла плодородие черноземов, помогала справиться с засухами, избавиться от вредителей и сорняков.
7. Нулевая обработка почвы
Нулевая обработка почвы — это уже не обработка в обычном смысле слова, а обеспечение комплекса условий для создания оптимальной структуры почвы. То есть складывается ситуация, когда обработки нет, а функция ее выполняется. Такое определение нулевой обработки перекликается с принятым в ТРИЗ определением идеальной системы (см. также статью «Стратагемы идеального земледелия»). В идеале при нулевой обработке нет вообще никакого воздействия на почву, но, несмотря на это, почва находится в состоянии, оптимальном для роста и развития растений. Благодаря равновесию между входящими в биоценоз организмами — травами, культурными растениями, микроорганизмами, животными и человеком необходимая работа человека сводится к минимуму (см. также статью «No-till в России — время пришло?»). Сегодня нулевая технология — это отсутствие обработки почвы, за исключением воздействия сеялки (рис. 10).
Рис. 10. Прямой посев по стерне
Графически история совершенствования технологий обработки почвы показана на рисунке 11.
По Гегелю, развитие материального мира подчиняется закону отрицания отрицания. В результате эволюции по линии «Развертывание свертывание» мы в определенном смысле опять вернулись к первым шагам человечества в земледелии…
Рис. 11. Линия «Развертывание-свертывание» для технологии обработки почвы
Борьба с плугом получила свое отражение и в литературе. Николай Лесков показывает сопротивление крестьян-хлеборобов внедрению передовых по тем временам плугов. Они отстаивали свою технологию: рыхление верхнего слоя почвы сохой и бороной без отвальной вспашки.
«… По переселении орловских крестьян с выпаханных ими земель на девственный чернозем в Нижнем Поволжье Шкот решился здесь отнять у них их «Гостомысловы ковырялки», или сохи, и приучить пахать легкими пароконными плужками Смайля; но крестьяне такой перемены ни за что не захотели и крепко стояли за свою «ковырялку» и за бороны с деревянными клещами…
…А чтобы еще более поддержать авторитет своего англичанина, он (граф Перовский. — примеч. Н. Ш.), развеселясь, обра-тился к «хозяевам» и спросил, хорошо ли плужок пашет.
-?Это как твоей милости угодно.
-?Знаю я это; но я хочу знать ваше мнение: хорошо или нет таким плужком пахать?
Тогда из середины толпы вылез какой то плешивый старик малороссийской породы и спросил:
-?Где сими плужками пашут (или орут)?
Граф ему рассказал, что пашут «сими плужками» в чужих краях, в Англии, за границею.
-?То значится, в нiмцах?
-?Это вот, значится, у тех, що у нас хлеб купуют?
-?Ну да — пожалуй, у тех.
-?То добре. А тильки як мы станем сими плужками пахать, то где тогда мы будем себе хлеб покупать. «
Н. С. Лесков. Загон
Линия «Развертывание-свертывание», применяемая в ТРИЗ, описывает цикл жизни технической системы от ее появления до замены новой системой, выполняющей аналогичную функцию.
1. Образование функционального ядра системы или технологического процесса
2. Введение в систему или процесс одного дополнительного объекта или операции
3. Введение нескольких дополнительных объектов или операций
4. Образование полного состава системы или процесса и обеспечение их удовлетворительной работоспособности
5. Удаление одного объекта или операции из системы или процесса
6. Удаление нескольких объектов или операций из системы или процесса
7. Переход к максимально свернутой системе или процессу
Источник
Дары земли: история земледелия от плуга до трактора
Камнем и деревом
С древнейших времен люди занимались охотой и собирательством. На это уходило много времени и энергии – фактически наши предки проводили большую часть жизни в поисках пропитания. Да и количество ресурсов на каждом участке земли было ограничено, поэтому поселения не могли разрастись и все время «переезжали».
До неолитической революции – так называют зарождение сельского хозяйство – популяция людей на планете была ограничена количеством пищи, которую можно было найти. Поэтому на протяжении долгого времени на Земле могло жить не более 6-10 миллионов человек. К моменту появления Римской Империи 2000 лет назад это число выросло в 25 раз, а сейчас на Земле проживает более 7,5 млрд человек.
Все изменилось с окончанием ледникового периода более 11 000 лет назад. Климат стал мягче, а у людей к тому моменту появились каменные орудия труда. Постепенно приспособления совершенствовались, и в конце 4 тысячелетия до н.э. появился прототип сохи, а еще тысячу лет спустя началась история деревянного плуга. Для сбора урожая использовали серп и цеп.
Неолитическая революция протекала сразу в нескольких регионах, которые стали родиной многих современных сельскохозяйственных культур: из Эфиопии пришел кофе, из Индии – огурцы, из Китая – яблоки. Особые достижения принадлежали шумерам, которые изобрели особую борону для разрыхления почвы.
Высокой технологичностью древние технологии не отличались. Наши предки занимались подсечно-огневым земледелием: срезали с деревьев кору, а затем сжигали. На месте бывших лесов засевали землю, а угли и пепел использовали в качестве удобрения.
По античному образцу
Огромную роль в развитии сельского хозяйства сыграли древние греки. Они использовали бронзовые серпы, мотыги, сапки, трезубые вилы и рала – орудия, которые только рыхлили поверхность земли, не переворачивая ее. Чуть позже появился примитивный плуг, который пахари тянули с помощью упряжки волов. Плуг переворачивал землю, чтобы солнце ее прогрело и выжгло корни сорняков. После пахоты комья земли разбивали кувалдой или дубиной.
Даже Аристотель в своих знаменитых трактатах писал на тему сельского хозяйства. В «Естественной истории» и других работах философа встречаются попытки классификации растений и советы по возделыванию.
По окончании сезона дождей посевы окапывали, выпалывали сорняки. Созревший урожай жали железными серпами и увозили на ток, или гумно – расчищенный для молотьбы участок земли. В ходе молотьбы семена и плоды отделяли от колосьев, початков и стручков. Часто для этого использовали животных, гоняя их по кругу и бросая им под ноги то, что еще не вытоптано. Затем зерно очищали и отправляли на хранение в специальные ямы.
Греческие технологии переняли и усовершенствовали древние римляне. Для вспашки использовались орудия, знакомые еще грекам, но сама система была гораздо сложнее. Обычно один и тот же участок вспахивали по 3-4 раза, а в некоторых регионах и по 8-9 раз. Мотыгой землю также обрабатывали по несколько раз: в январе-феврале, в начале марта и в мае.
В латинском языке даже существовали особые термины для обозначения каждой вспашки: proscindere — пахать в первый раз, поднимать землю; iterare — перепахивать; tertiare — пахать в третий раз; lirare — пахать в четвертый раз, чтобы произвести покров семян.
Способы жатвы были различными. Иногда стебель вырывался с корнем – при этом земля сильно истощалась. Чаще использовали серпы, срезая урожай наполовину или под корень. Был и более прогрессивный способ: с помощью инструмента, похожего на гребень, срезались одни колосья. В ряде регионов даже существовали машины на основе этого орудия. Бык толкал впереди себя большой короб с зубьями, которые срывали колосья, и те падали в короб.
Для молотьбы часто использовали простую палку, выбивавшую зерно из колосьев. Но существовали более совершенные методы, например выколачивание зерна прогоном волов по колосьям на гумне.
Забытое знание
С началом эпохи средневековья развитие науки и сельского хозяйства застопорилось. Новые разработки долгое время не появлялись, а античные знания в большинстве своем были утеряны. Кроме того, в 536 году на Европу в результате извержений вулканов обрушилось глобальное похолодание, которое продлилось более ста лет. Атмосфера наполнилась вулканической пылью, а температура упала. Результатом стали неурожаи и голод.
Серьезные перемены к лучшему начались в XI-XIII веках. Возобновилось развитие сельскохозяйственной техники: получает распространение тяжелый плуг с железным отвалом, появляется новый тип железного топора, внедрение подков и новой сбруи позволяет в несколько раз эффективнее использовать лошадиную силу.
В XIII-XIV веках, в эпоху наивысшего сельскохозяйственного подъема, в целом удалось достичь античного уровня хозяйства. При этом обрабатывались более обширные территории, которые требовали большего объема работы, так что отчасти средневековым земледельцам удалось превзойти своих предшественников.
Переход к двигателям
С окончанием средневековья произошло возрождение сельского хозяйства. Деревянные орудия заменялись железными, но их применение по-прежнему основывалось на ручном труде с использованием тяги животных.
Начали появляться новинки, например, в начале XVIII века в Англии изобрели рядовые сеялки, а чуть позже – ложечные сеялки, которые после усовершенствования в 1790 году работали без изменений до XX века. Примерно в это же время были разработаны жатвенная машина и механическая молотилка, ставшая предшественницей комбайна.
Попытки изобрести уборочный комбайн начались в 30-е годы XIX века. Машины срезали колосья, связывали их в снопы, а позже – еще и молотили зерно. Однако устройства были громоздкими, и для их передвижения требовалось не менее десяти лошадей. Проблема была решена во второй половине XIX века с появлением парового двигателя. Первое время комбайн перемещался с помощью отдельного трактора, но позже машины удалось оснастить собственным двигателем.
Благодаря появлению двигателей удалось в целом сократить применение живой тягловой силы. Например, в Голландии в 1862 году уже активно использовали паровые плуги с двусторонними лемехами (острыми наконечниками), а в ряде других стран обычный плуг прикрепляли к паровому трактору.
Другим крупным изобретением того времени наравне с комбайном стал паровой трактор, разработанный в середине XIX века. В 1901 году появились первые тракторы с двигателями внутреннего сгорания, но они были слишком тяжелыми, большими и часто ломались. Все эти недостатки удалось устранить к 1907 году, когда тракторы получили широкое распространение. К машинам также подключали вспомогательные механизмы, такие как косилки, молотилки и мельницы.
Тракторы на гусеничном ходу начали производиться в 1912 году, но еще в 1817 году русский инженер Василий Гурьев предложил идею «сухопутного парохода». По его плану машина должна была поднимать 50 десятин (чуть больше 50 гектаров) крепкой почвы в день и заменить 300 лошадей.
Высокие технологии
Если раньше при развитии земледелия акцент делался на улучшении технологий, сейчас речь идет прежде всего об экологичном производстве. Другими словами, важно максимально эффективно использовать почву, оказывая на нее минимальное воздействие.
Современные машины развиваются именно в этом направлении. Например, почвообрабатывающая техника John Deere создает наиболее благоприятные условия для прорастания семян и позволяет добиться оптимальной урожайности. Другие типы машин также нацелены на максимально эффективное производство. Тракторы представляют собой универсальные машины, которые помогают пахать, поливать, перевозить грузы и выполнять другие виды работ. Сидение оператора может быть оснащено массажной функцией, а кабина – акустической системой Harman/Kardon. Стоимость трактора в такой комплектации может доходить до 700 000 $. Комбайны создаются с учетом сразу нескольких показателей: энергоэффективности, комфорта, надежности, проходимости и не только.
Источник
