Прогнозирование режимов орошения сельскохозяйственных культур на примере картофеля

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ ОРОШЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР НА ПРИМЕРЕ КАРТОФЕЛЯ

И.В. Новикова - канд. с.-х. наук

ФГОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия»,

г. Новочеркасск, Россия

Представлена методика прогнозирования режимов орошения сельскохозяйственных культур. Приведены значения дефицитов водопотребления картофеля по метеостанциям Ростовской области в характерные по тепловлагообеспеченности годы.

The method for forecasting irrigation rate estimation of agricultural crops is considered. Values of water consumption deficiencies of a potato on meteorological stations of the Rostov region in characteristic heat and moisture receipt years are presented.

Как известно, основой при прогнозировании режимов орошения сельскохозяйственных культур является оросительная норма, которая определяется как сумма дефицитов водопотребления сельскохозяйственной культуры за вегетационный период и вневегетационных поливов (влагозарядкового, предпосевного)

,

где - дефицит водопотребления за расчётный период (декада или месяц), мм;

- норма влагозарядкового, предпосевного полива, мм.

Дефициты водопотребления определяют как разницу между суммарным водопотреблением (эвапотранспирацией) культур и суммарным испарением в условиях естественного увлажнения

,

где ET_o - эвапотранспирация или суммарное водопотребление сельскохозяйственной культуры за расчетный период, мм; ET - суммарное испарение в естественных условиях увлажнения, мм.

Уменьшаемое этого уравнения ET_o даёт представление о потребности растений в воде для формирования высоких урожаев. Наиболее точные значения суммарного водопотребления получают на основе данных полевых исследований. Такие исследования ведутся с различными сельскохозяйственными культурами, как правило, на ограниченных территориях, что не позволяет обосновать водный режим орошаемых земель на больших площадях. Наряду с этим применяют расчётные методы определения суммарного водопотребления, которые в увязке с экспериментальными данными могут быть использованы при разработке режимов орошения сельскохозяйственных культур.

Для прогнозирования эвапотранспирации наиболее приемлемым следует считать биоклиматический метод, согласно которому искомая величина является произведением биоклиматических коэффициентов водопотребления на сумму суточных значений дефицитов влажности, температуры воздуха или испаряемости:

ET_o = K_d d; ET_o = K_t t; ET_o = K_E E_m,

где , , - биоклиматические коэффициенты водопотребления, установленные в результате многолетних водно-балансовых исследований конкретной сельскохозяйственной культуры; d - сумма среднесуточных значений дефицита влажности воздуха за рассматриваемый период, мб; t - сумма среднесуточных температур воздуха за рассматриваемый период, ⁰С; E_m - максимально возможное испарение за рассматриваемый период, мм.

Точность использования такого метода зависит от количественных значений биоклиматических коэффициентов водопотребления, которые целесообразно устанавливать в ходе проведения многолетних полевых экспериментов с различными сельскохозяйственными культурами.

Вторая часть уравнения, вычитаемое ET, характеризует уровень естественного (природного) увлажнения. Естественное увлажнение слагается из величин атмосферных осадков и влагозапасов в почве, равных разнице между запасами на начало и конец расчётного периода. В ряде случаев возможно дополнительное питание процесса влагообмена за счёт грунтовой воды при высоком расположении её уровня. Тогда суммарное испарение в естественных условиях увлажнения за любой расчётный промежуток времени составит

ET = P + (W₁ - W₂) + V_q,ds+V_sw,

где P - эффективные атмосферные осадки, мм;..W₁, W₂ - влажность активного слоя почвы в начале и в конце расчетного периода, мм; V_q,ds - объем воды, используемый растениями из грунтовых вод, мм; V_sw - суммарный поверхностный и внутрипочвенный сток, мм.

Осадки являются наиболее изученной составляющей естественного увлажнения и могут быть установлены по данным гидрометслужбы. Почвенные влагозапасы при отсутствии экспериментальных данных также могут быть установлены по данным агрометеорологических станций.

Трудоёмкость и сложность экспериментальных методов определения почвенных влагозапасов приводят к тому, что многие исследователи отдают предпочтение расчётным методам. Для определения элементов суммарного испарения в естественных условиях увлажнения целесообразно использовать метод гидролого-климатических расчётов проф. В.С. Мезенцева [1].

Согласно методу ГКР В.С. Мезенцева суммарное испарение в естественных условиях увлажнения устанавливается по зависимости

,

где п - параметр, определяемый отношением фактического испарения в условиях оптимальной влагообеспеченности и максимально возможного испарения [2, приложение 3].

Значения максимально возможного испарения по расчетным интервалам для каждого года определяется как отношение радиационного баланса к удельной теплоте парообразования

E_m = B/L, (1)

где L - удельная теплота парообразования, составляет 0,539 ккал/см² ;

В - радиационный баланс, ккал/см².

Наблюдения за величинами радиационного баланса имеются на весьма ограниченном числе актинометрических станций. Недостаточная изученность элементов теплового баланса привела к необходимости вывода эмпирических зависимостей максимально возможного испарения от радиационного баланса и последнего от основных метеорологических факторов.

В связи с этим были установлены взаимосвязи радиационного баланса с суммой среднесуточных температур воздуха [3]. Эти связи представлены зависимостями:

для периода апрель - июнь В = 0,0093 · t + 3,46;

для периода июль - сентябрь: В = 0,0132 · t - 1,38.

Максимально возможное испарение для периода октябрь - март рассчитывается по формуле Н.Н. Иванова.

Таким образом, располагая приходными и расходными составляющими уравнения водного баланса, в зависимости от наличия биоклиматических коэффициентов водопотребления определяются подекадно или помесячно дефициты водопотребления. При отсутствии подпитки грунтовыми водами дефициты водопотребления могут быть установлены по формулам:

; (2)

E = K_t t - E_m ; (3)

E = E_m. (4)

Дефициты водопотребления рассчитываются подекадно или помесячно за дли-тельный период наблюдений (не менее 20 лет). Определённые дефициты водопотребления суммируются по периодам вегетации сельскохозяйственной культуры по годам расчётного периода. Многолетний ряд рассчитанных дефицитов водопотребления позволяет выбрать реальный год на заданный процент обеспеченности.

Данные по дефицитам водопотребления за вегетационный период сельскохозяйственной культуры ранжируются в убывающем порядке, подвергаются статистической обработке, в результате чего выявляются годы с обеспеченностью дефицитов водопотребления 5, 25, 50, 75 и 95-й%. При этом 5%-я обеспеченность дефицитов водопотребления соответствует крайне сухому году, 25 - среднесухому, 50 - среднему, 75 - средневлажному и 95%-му - влажному году.

Основываясь на расчётной схеме В.С. Мезенцева, с использованием результатов наблюдений метеорологических станций, результатов экспериментальных исследований, на кафедре мелиорации земель ФГОУ ВПО НГМА выполнены расчёты дефицитов водопотребления для различных сельскохозяйственных культур, в тои числе для картофеля весенней посадки [1, 4]. В течение ряда лет в Семикаракорском районе Ростовской области проводились исследования по режиму орошения и суммарному водопотреблению картофеля. Исследования проводились в условиях нормативной влагообеспеченности, когда влажность почвы в активном слое в течение всего периода вегетации поддерживались в пределах 80…100 % НВ (v₀ = 0,9) и рациональной влагообеспеченности, когда почвенные влагозапасы в течение вегетационного периода поддерживалась в пределах 70…90 % НВ ().

Суммарное водопотребление определяли подекадно методом водного баланса с учётом оросительной воды, осадков и почвенных влагозапасов. По результатам исследо-ваний рассчитывались биоклиматические коэффициенты водопотребления картофеля по формулам:

;

Для прогнозирования режимов орошения сельскохозяйственных культур с учётом пространственной и временной изменчивости использовали результаты непосредственных наблюдений и расчётные методы. Применение расчётных методов позволило определить дефициты водопотребления сельскохозяйственных культур в характерные по тепловлагообеспеченности годы для территории Ростовской области. Для картофеля весенней посадки вегетационный период принят с мая по август.

Расчёты выполняются в следующей последовательности:

1. Устанавливаем сроки начала и окончания вегетации, продолжительность вегетационного периода (по годам расчета принимаются одинаковыми).

2. Назначаем расчетные временные интервалы (с апреля по сентябрь - декады, с октября по март - целиком).

3. Определяем показатели, характеризующие почвенные условия: глубину увлажнения, наименьшую влагоёмкость, максимальную гигроскопичность.

4. Определяем значения поливных норм по методу А.Н. Костякова.

5. Для принятых временных интервалов по результатам наблюдений метеостанций устанавливаем: осадки, среднесуточные значения температуры и относительной влажности воздуха за непрерывный ряд лет (желательно не менее 20). В расчётах использованы сведения о метеопараметрах по 31-й метеостанции Ростовской области [4].

6. Обосновываем (задаем) величину почвенных влагозапасов по состоянию на 1 апреля для первого расчетного периода. Влажность почвы на начало расчётного периода (в первый год) может быть приравнена к среднемноголетней величине и обоснована для конкретных условий по результатам наблюдений за почвенными влагозапасами на агрометеорологических станциях.

7. Определяем значения максимально возможного испарения по расчетным интервалам для каждого года как отношение радиационного баланса к удельной теплоте парообразования по формуле (1). Максимально возможное испарение для периода октябрь - март рассчитываем по формуле Н.Н. Иванова.

8. Определяем значения почвенных влагозапасов на начало и конец расчетных временных интервалов. За расчетный отрезок времени внутри вегетационного периода целесообразно принять декаду или месяц.

Почвенные влагозапасы на конец расчетного интервала времени предлагается рассчитать по формуле В.С. Мезенцева 1

V₂ = V_1,

где V₁, V₂ - почвенные влагозапасы в заданном слое почвы, соответственно, на начало и конец расчетного интервала в долях от наименьшей влагоемкости, то есть

V₁ = W₁/W_HB; V₂ = W₂/W_HB,

W_HB - наименьшая влагоемкость расчетного слоя почвы, мм; V_ср - среднее значение влажности почвы за расчетный промежуток времени; r - параметр, определяемый водно- физическими свойствами почвы, для территории Ростовской области изменяется в пределах 2,0…2,6 и может быть принят по результатам исследований Г.А. Сенчукова 2.

При известных значениях почвенных влагозапасов на начало расчетного временного отрезка, осадках, максимально возможного испарения, V_ср можно определить по формуле

.

9. Определяем значения эвапотранспирации сельскохозяйственных культур по расчетным интервалам времени по годам за период апрель-октябрь, используя разработанные биоклиматические коэффициенты водопотребления.

10. Устанавливаем дефициты водопотребления по расчетным интервалам времени по формулам (2)…(4) и в целом за вегетационный период по годам.

Сумма рассчитанных дефицитов водопотребления за поливной (вегетационный) период даст значение оросительных норм. Многолетний ряд рассчитанных дефицитов водного баланса позволяет выбрать реальный год на заданный процент обеспеченности.

Расчеты выполнены на ПК с использованием программы Microsoft Excel для условий нормативной и рациональной влагообеспеченности.

11. По расчетным значениям дефицитов водопотребления за период вегетации ранжируем годы в порядке убывания и по формуле (100m/n + 1) устанавливаем проценты обеспеченности дефицитов водопотребления и выбираем реальный год на проектную (заданную) обеспеченность.

12. Для выбранного года по значениям дефицитов водопотребления за декады (месяцы) строим интегральную кривую и далее, используя значения поливных норм, определяем сроки и число поливов.

Дефициты водопотребления картофеля весенней посадки по метеостанциям Ростовской области для характерных по тепловлагообеспеченности лет представлены в таблице.

Дефициты водопотребления при различной обеспеченности (при v₀ = 0,9) за период май - август, мм

Анализ дефицитов водопотребления показывает, что на всей территории Ростовской области при возделывании картофеля в крайне сухие, среднесухие и средние по обеспеченности годы необходимо дополнительное увлажнение. Значения оросительных норм для условий крайне сухого года при поддержании влажности в расчётном слое почвы в пределах 80…100 %НВ на территории Ростовской области варьируют в пределах 2000…4900 м³/га, при этом число поливов составляет 5...12; для среднесухого года оросительная норма изменяется в пределах 1100…3400 м³/га, при этом число поливов составляет 3…8; для среднего года оросительная норма составляет 600…2200 м³/га, что требует проведения 2…5 поливов; для средневлажного года оросительная норма варьирует в пределах 250…1600 м³/га, число поливов составляет 1…4; во влажный год оросительная норма не превышает 950 м³/га, что требует проведения 1…2 поливов. В центральных, центрально-восточных и южных районах области во влажные годы требуется небольшое доувлажнение только при необходимости создания высокой влагообеспеченности. Возделывание картофеля без орошения возможно во влажные годы в северных, западных, северо-западных районах области.

Таким образом, располагая значениями биоклиматических коэффициентов водопотребления, данными наблюдений на метеостанциях за осадками, температурой и влажностью воздуха, водно-физическими константами расчётного слоя почвы, агротехническими особенностями возделывания сельскохозяйственных культур, данными о сроках начала и окончания вегетации, можно дать прогноз режимов орошения сельскохозяйственных культур в характерные по влагообеспеченности годы.

культура сельскохозяйственный орошение

Библиографический список

1. Мезенцев, В.С. Гидролого-климатические основы проектирования гидромелиораций [Текст]: учеб. пособие./ В.С. Мезенцев. - Омск: Изд-во Омского СХИ. 1993.

2. Сенчуков, Г.А. Ландшафтно - экологические и организационно - хозяйственные аспекты обоснования водных мелиораций земель [Текст]: монограф. /Г.А. Сенчуков. - Ростов-на Дону: Изд-во СКНЦ ВШ. 2001.

3. Сенчуков, Г.А. Водопотребность фасоли при орошении с учетом экологических ограничений [Текст] / Г.А. Сенчуков, М.Г. Сенчукова // Пути повышения эффективности использования орошаемых земель: сб. науч. трудов ФГНУ РосНИИПМ, 2005.С. 59-66.

4. Метеорологический ежемесячник. Вып. 13. Ч. 2. Гос. ком. СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды Сев.-Кавк. тер. упр. по гидрометеорологии и контролю природ. среды. - Обнинск: ВНИИГМИ - МЦД, 1970-1989.

Размещено на Allbest.ru