Суммарное водопотребление и урожайность сельскохозяйственных культур

Размещено на http://www.allbest.ru/

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 4(20), 2015 г., [108-119]

Суммарное водопотребление и урожайность сельскохозяйственных культур

Г.А. Сенчуков, И.В. Новикова

Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А.К. Кортунова Донского государственного аграрного университета, Новочеркасск, Российская Федерация

Целью исследований является рассмотрение вопроса о целесообразности и необходимости внесения изменений в существующие нормы водопотребности для высокоурожайных сельскохозяйственных культур. Оросительные нормы сельскохозяйственных культур устанавливаются по уравнению водного баланса как разность между эвапотранспирацией и ресурсами естественного увлажнения. Поэтому изучение и установление количественных показателей эвапотранспирации сельскохозяйственных культур является актуальной задачей. Отмечено, что урожайность новых сортов сельскохозяйственных культур по сравнению с изученными ранее при проведении исследований существенно выше. При этом водный режим, а также уровень агротехники (с некоторыми изменениями в питательном режиме) практически одинаков и существенной разницы в величинах эвапотранспирации нет. Многочисленными исследованиями установлено, что эвапотранспирация в условиях оптимальной влагообеспеченности обусловливается тепловыми ресурсами. Суммарное испарение формируется под влиянием радиационного баланса агрофитоценоза, который составляет разность между количеством поглощенной коротковолновой радиации солнца и эффективным длинноволновым излучением деятельной поверхности. Радиационный баланс деятельной поверхности при орошении увеличивается. В условиях орошения с повышением уровня влагообеспеченности снижается величина альбедо и увеличивается значение поглощенной коротковолновой радиации. Изменения, вызванные увеличением уровня влагообеспеченности, приведут к повышению коэффициента поглощения ФАР. Однако для одной и той же сельскохозяйственной культуры, но разных сортов при одинаковых значениях ФАР урожайность изменяется в разы. С введением новых высокоурожайных сортов можно предположить, что они будут потреблять энергии на фотосинтез значительно больше, чем районированные на сегодняшний день сорта.

Ключевые слова: суммарное водопотребление, эвапотранспирация, оросительная норма, радиационный баланс, суммарное испарение, урожайность, тепловые ресурсы, фотосинтетически активная радиация, альбедо. водопотребление урожайность сельскохозяйственный культура

G.A. Senchukov, I.V. Novikova. Total water consumption and yield of crops

The aim of the research is to consider the problem of reasonability and necessity for changing the present water demand for high-yield crops. Water demands of crops are established using the equation of water balance as a difference between evapotranspiration and natural moistening resources. Therefore, the study and establishment of quantitative terms of crops evapotranspiration are an urgent problem. It was pointed out that the yield of new cultivars of agricultural crops is significantly greater comparing to those studied before. While the water regime as well as the level of agrotechnology (with some changes in nutrition regime) is practically the same and there is no significant difference in the values of evapotranspiration. Numerous studies have found that for optimal water supply conditions evapotranspiration is determined by thermal resources. Gross evaporation is formed under the influence of agrophytocenosis radiative balance which is the difference between the quantity of the shortwave solar radiation being absorbed and effective long-wave radiation of the active surface. Radiative balance of the active surface irrigated increases. Under irrigation while the level of water supply increases, albedo decreases and the value of short-wave radiation absorbed increases. The changes caused by the increase of water supply level will lead to the increase of absorption coefficient of photosynthetically active radiation (PAR). However, for the same crop but for different cultivars at the same values of PAR the yield can vary in several times. It can be supposed that new high-yield crops will consume energy for photosynthesis much more than the crops zoned today.

Keywords: total water consumption, evapotranspiration, irrigation demand, radiative balance, gross evaporation, yield, thermal resources, photosynthetically active radiation (PAR), albedo.

В последние годы на сельскохозяйственных угодьях России возделываются высокоурожайные сорта зерновых, овощных и технических культур. Все чаще возникает вопрос об оценке норм водопотребности, пересмотре существующих в сторону увеличения. Обусловливается это тем, что урожайность сельскохозяйственной культуры увеличилась в два, три раза и более, а нормы водопотребности, установленные «вчера», основаны на результатах проведения «прямых» полевых исследований. Вопрос уместен и требует ответа. В настоящем сообщении авторы на основе собственных многолетних исследований, а также исследований ученых РосНИИПМ (ЮжНИИГиМ) и НГМА (НИМИ), анализа материала по эвапотранспирации, урожайности, фотосинтезу, помещенного в научной литературе [1-3], предприняли попытку показать, насколько целесообразно и необходимо вносить изменения в существующие нормы водопотребности.

Показателем потребности фитоценоза в воде являются валовые расходы воды (транспирация и испарение с почвы) в условиях оптимальной для растений влажности почвы, что предполагает снабжение растений не только водой, но и воздухом, питательными веществами, а также соблюдение агротехники, позволяющей создать условия для получения высоких урожаев. Такие показатели суммарного испарения (водопотребности), полученные в процессе натурного эксперимента при соблюдении упомянутых условий, считаем правильным называть эвапотранспирацией.

Другими словами, эвапотранспирация фитоценоза - это суммарное испарение (водопотребление) при условиях оптимального сочетания воды (влаги), воздуха и питательных веществ, соблюдения правильной агротехники.

Изучение и установление количественных показателей эвапотранспирации сельскохозяйственных культур представляют собой актуальную задачу, так как эти показатели являются определяющими величинами для расчета оросительных норм [4, 5]. При этом оросительные нормы сельскохозяйственной культуры (мм или м3/га) устанавливаются по уравнению водного баланса как разность между эвапотранспирацией и ресурсами естественного увлажнения:

,

где - эвапотранспирация, мм или м3/га;

- осадки, мм или м3/га;

и - начальные и конечные влагозапасы почвы, мм или м3/га;

- подпитка грунтовыми водами, мм или м3/га;

- суммарный сток, мм или м3/га.

Алгебраическая сумма показателей естественного увлажнения является суммарным испарением фитоценоза (мм или м3/га) в естественных условиях:

.

При этом оросительная норма равна дефициту водопотребления [6-9].

Для получения ответа на вопрос, сформированный в начале сообщения, обратимся к содержанию полевых исследований.

При постановке эксперимента (установлении суммарного испарения) используются результаты измерений составляющих уравнения водного баланса за декадные (межфазные) периоды роста от посева (посадки), возобновления вегетации до полной спелости. При этом фиксируются осадки, количество поливной воды, почвенные влагозапасы, подпитка корнеобитаемой зоны грунтовыми водами, величина поверхностного стока и просачивания. В конкретном варианте опыта задаются оптимальные (рациональные) пределы изменения влажности расчетного слоя почвы. Глубина расчетного слоя принимается не менее 1 м. Значения верхних и нижних пределов почвенных влагозапасов зависят от водно-физических свойств почвы и изменяются от влажности разрыва капилляров до наименьшей влагоемкости. В подавляющем большинстве случаев нижний предел увлажнения для суглинистых и глинистых почв находится в интервале 70-80 % от НВ, для почв легкого гранулометрического состава - 55-65 % НВ. Верхняя граница почвенных влагозапасов находится в пределах 90-100 % НВ [10-12]. Иногда эти показатели дифференцируют по фазам развития растений.

В структуре водного баланса, а значит, и суммарного водопотребления (при орошении) изменение почвенных влагозапасов занимает, как правило, не более 20 %, следовательно, отклонение от заданных величин при проведении эксперимента на 10-15 % может вызвать ошибку в расчете суммарного испарения (эвапотранспирации) не более 3 % [3, 6].

При проведении эксперимента по изучению водного баланса сельскохозяйственного угодья, в том числе суммарного водопотребления, установлении количественных значений оросительных норм задаются рядом вариантов, отличающихся друг от друга значениями нижнего порога влагосодержания в почве. Вариант, в котором получена (в течение ряда лет) максимальная урожайность, отмечают как «оптимальный», характеризующийся условием полной соразмерности тепловых ресурсов и уровня влагообеспеченности.

Суммарное водопотребление (испарение), полученное в этом варианте, принимают за эвапотранспирацию, то есть за потребность агроценоза в воде для условий реального года. Вероятность превышения полученной величины эвапотранспирации устанавливают с использованием методов математической статистики.

Вариабельность эвапотранспирации для конкретного сельскохозяйственного угодья (в целом за вегетационный период) при оптимальной влагообеспеченности сравнительно невысока и определяется изменчивостью тепловых ресурсов [1, 13].

Следует отметить, что при проведении эксперимента необходимо соблюдать требуемые условия обеспечения растений питательными элементами с применением рациональной агротехники. В противном случае мы не получим максимально возможный урожай данной культуры (сорта) и, следовательно, суммарное водопотребление нельзя принимать за эвапотранспирацию.

Рассмотрим пример, когда урожайность нового сорта картофеля по сравнению с проведенными ранее исследованиями существенно выше. При проведении полевого эксперимента, содержание которого изложено выше, естественно, будут внесены изменения. Это прежде всего будет касаться питательного режима и частично агротехники. Водный режим будет определяться условиями влагообеспеченности, которые обусловлены природным фактором - осадками и мелиоративными факторами - поливной водой и режимом поддержания почвенных влагозапасов в заданных пределах. Вызовет ли это изменения в суммарном водопотреблении (эвапотранспирации) для лет с одинаковой вероятностью превышения? Ответ можно дать положительный, так как произойдет несовпадение режимов влаго- и теплообеспеченности внутри вегетационных периодов, продолжительности вегетации, сроков посадки и полной спелости. Насколько произойдут такие изменения? Вероятнее всего предположить, что величины отклонения будут зависеть от того, насколько перечисленные параметры будут отклоняться от идентичных в полевом эксперименте. А это значит, что при обосновании норм водопотребности следует учитывать данные факторы.

Если предположить, что сроки наступления фаз развития у различных сортов растений одинаковы, будет ли разница в величинах эвапотранспирации при различной урожайности? Вероятнее всего предположить, что существенной разницы мы не получим [3].

Многочисленные исследователи [11, 14, 15] пришли к выводу, что эвапотранспирация в условиях оптимальной влагообеспеченности обусловливается тепловыми ресурсами. То есть эвапотранспирация в основном зависит от среды обитания растений и незначительно от урожайности, от той урожайности, максимальное значение которой определяется сортовыми (биологическими) особенностями растения.

Прогнозирование эвапотранспирации осуществляется с применением расчетных методов. При этом используют климатические показатели, характеризующие условия теплообеспеченности агроценоза в данном районе. С нашей точки зрения, обоснованными показателями являются: 1) испаряемость (испарение с водной поверхности); 2) максимально возможное испарение (эквивалент суммы положительных составляющих радиационного баланса, турбулентного теплообмена между деятельной поверхностью и атмосферой и турбулентного теплообмена между верхними и нижними слоями почвы); 3) радиационный баланс агроценоза, продуцирующегося в оптимальных условиях увлажнения.

Наиболее распространенным показателем при прогнозировании эвапотранспирации является испаряемость [2, 16, 17]. Обусловлено это тем, что испарение с водной поверхности легко поддается измерению при проведении полевых исследований (небольшие затраты на измерительное оборудование, простота в работе). По результатам полевых экспериментов проводят сопоставление измеренных за расчетный отрезок времени (обычно декаду) вегетационного периода величины испарения с водной поверхности и суммарного испарения (эвапотранспирации). Частное, полученное в результате деления второго на первое, позволяет получить коэффициенты, учитывающие несоответствие между физической сущностью испарения с водной поверхности и эвапотранспирацией. Они получили название биофизических или биоклиматических (биологических) коэффициентов водопотребления. В справочнике, составленном И. П. Айдаровым и др. [16], приведены значения биологических коэффициентов водопотребления для ряда сельскохозяйственных культур в зависимости от суммы среднесуточных температур воздуха от начала до окончания вегетации. Средние, максимальные и минимальные значения этих коэффициентов для степной зоны приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Биологические коэффициенты водопотребления

В мм/мм

Анализ значений в таблице 1 показывает незначительную изменчивость биологических коэффициентов водопотребления приведенных сельскохозяйственных культур. Изменчивость этих коэффициентов для заданной культуры при вариабельности урожайности будет существенно ниже и находиться в пределах точности измерений и расчетов.

Известно, что суммарное испарение формируется под влиянием радиационного баланса агрофитоценоза. Напомним, что радиационный баланс - это разность между количеством поглощенной коротковолновой радиации солнца и эффективным длинноволновым излучением деятельной поверхности. Радиационный баланс () обусловливается:

- теплом, затраченным на испарение, то есть результатом умножения скрытой теплоты парообразования () на суммарное испарение ();

- теплообменом в почве между поверхностными и более глубокими слоями ();

- турбулентным теплообменом между деятельной поверхностью и атмосферой ().

При этом суммарное испарение (мм) вычисляется по уравнению:

.

При измерении радиационного баланса в ккал/см2 за период , желая получить в мм, при = 0,6 ккал/см3 будем иметь:

.

При измерении в кДж/см2, = 2,5 кДж/см3 в мм будет равно:

.

Отметим, что радиационный баланс деятельной поверхности при орошении (по сравнению с природными условиями) увеличивается [8, 11, 13]. Происходит это за счет уменьшения альбедо, увеличения поглощенной радиации и снижения эффективного излучения. Количественные показатели такого увеличения определяются тепловыми ресурсами, условиями влагообеспеченности, состоянием деятельной поверхности, условиями тепло- и влагообмена, фитоклиматом. Это увеличение происходит в каждом конкретном агроладшафте, однако оно ограничивается теплоэнергетическими ресурсами.

Уравнение теплового баланса агроценоза можно представить в виде:

,

где - суммарная коротковолновая солнечная радиация, кДж/см2;

- поглощенная растениями (фитоценозом) фотосинтетически активная радиация (ФАР), кДж/см2;

- поглощенная почвой радиация, кДж/см2;

- радиация, отраженная растениями, кДж/см2;

- радиация, отраженная почвой, кДж/см2.

ФАР (кДж/см2) может быть установлена по уравнению:

.

Коэффициент поглощения ФАР можно определить по зависимости:

,

где - альбедо фитоценоза (посева), показывающее, какая доля суммарной радиации отражается от растений, тогда

. (1)

В условиях орошения с повышением уровня влагообеспеченности снижается величина альбедо ( ) и увеличивается значение поглощенной коротковолновой радиации [11].

В связи со снижением температуры почвы в условиях полива увеличивается величина радиации, отраженной почвой, при этом снижается и радиация, поглощенная почвой, в связи с более развитой растительной массой (затенением почвы). Разность, приведенная в скобках по отношению к суммарной радиации, уравнения (1) будет уменьшаться. А значит, изменения, вызванные увеличением уровня влагообеспеченности, приведут к повышению коэффициента поглощения ФАР, который при соблюдении оптимального соотношения водно-тепловых ресурсов может достичь максимального значения. А это значит, что будут соблюдены условия для формирования максимально возможного урожая.

Наиболее вероятно предположить, что такой вывод является справедливым. Почему же тогда для одной и той же сельскохозяйственной культуры, но разных сортов при одинаковых значениях ФАР урожайность изменяется в разы? Очевидно, что поглощение радиации растениями не является в полной мере определяющим фактором урожайности, так как только незначительная ее доля (0,5-1,0 %) расходуется на фотосинтез. Наукой доказано [11, 14, 15], что величину расхода поглощенной радиации на процесс фотосинтеза можно увеличить до 2 и даже до 4 %. То есть не величина ФАР, а только незначительная ее доля, расходуемая на фотосинтез, обусловливает его продуцирование, и прежде всего формирование урожайности.

Изложенное позволяет сделать следующие выводы:

1 На фоне орошения при соблюдении оптимальных условий тепловлагообеспеченности растений эвапотранспирация практически не зависит от урожайности.

2 Значения эвапотранспирации, полученные в полевых исследованиях, могут использоваться при прогнозировании норм водопотребности для сельскохозяйственных культур с различной урожайностью. Корректировка требуется при различии сроков сева (посадки, возобновления вегетации), наступления полной спелости.

3 Радиационный баланс деятельной поверхности при орошении увеличивается за счет уменьшения альбедо, увеличения поглощенной радиации и снижения эффективного излучения. Количественные показатели такого увеличения определяются тепловыми ресурсами, условиями влагообеспеченности, состоянием деятельной поверхности, условиями тепло- и влагообмена, фитоклиматом.

4 Изменения, вызванные увеличением уровня влагообеспеченности, приведут к повышению коэффициента поглощения ФАР, который при соблюдении оптимального соотношения водно-тепловых ресурсов может достичь максимального значения.

С введением новых высокоурожайных сортов (гибридов) можно предположить, что они будут потреблять энергии на фотосинтез значительно больше, чем районированные на сегодняшний день сорта.

Список литературы

1 Сенчуков, Г. А. Ландшафтно-экологические и организационно-хозяйственные аспекты обоснования водных мелиораций земель / Г. А. Сенчуков. - Ростов н/Д.: Изд-во СКНЦ ВШ, 2001. - 276 с.

2 Ольгаренко, Г. В. Нормирование орошения люцерны с учетом вероятностного характера гидрометеорологической и воднобалансовой информации / Г. В. Ольгаренко. - Новочеркасск, 1998. - 129 с.

3 Новикова, И. В. Нормирование водопотребности сельскохозяйственных культур: учебное пособие / И. В. Новикова, Г. А. Сенчуков, В. Н. Шкура; Новочеркасский инженерно-мелиоративный ин-т ДГАУ. - Новочеркасск, 2014. - 93 с.

4 Алпатьев, А. М. Влагообороты в природе и их преобразования / А. М. Алпатьев. - Л.: Гидрометеоиздат, 1969. - 323 с.

5 Шумаков, Б. А. Изучение водопотребления сельскохозяйственных культур - основа для проектирования режима орошения / Б. А. Шумаков // Биологические основы орошаемого земледелия. - М., 1957. - С. 21-30.

6 Константинов, А. Р. Испарение в природе / А. Р. Константинов. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Гидрометеоиздат, 1968. - 532 с.

7 Харченко, С. И. Тепловоднобалансовый метод обоснования норм орошения / С. И. Харченко // Труды ГГИ. - Л., 1965. - Вып. 125. - С. 3-33.

8 Шабанов, В. В. Биоклиматическое обоснование мелиораций / В. В. Шабанов. - Л.: Гидрометеоиздат, 1973. - 165 с.

9 Штойко, Д. А. Нормативы проектирования режимов орошения сельскохозяйственных культур и гидромодуля в условиях интенсивного использования орошаемых земель / Д. А. Штойко // Орошаемое земледелие в Европейской части СССР: сб. - М.: Колос, 1965. - С. 171-185.

10 Милторп, Ф. Л. Поступление и расход воды в сухих и засушливых зонах / Ф. Л. Милторп // Растение и вода / под ред. Г. Ф. Хильмана. - Л., 1967. - С. 5-63.

11 Парфенова, Н. И. Экологические принципы регулирования гидрогеохимического режима орошаемых земель / Н. И. Парфенова, Н. М. Решёткина; под ред. Б. Б. Шумакова. - СПб.: Гидрометеоиздат, 1995. - 359 с.

12 Роде, А. А. Водный режим почв и его регулирование / А. А. Роде. - М.:

Изд-во Акад. наук СССР, 1963. - 120 с.

13 Айдаров, И. П. Мелиоративный режим орошаемых земель и пути его улучшения / И. П. Айдаров, А. И. Голованов // Гидротехника и мелиорация. - 1986. - № 8. - С. 44-47.

14 Ничипорович, А. А. О путях повышения продуктивности фотосинтеза растений в посевах / А. А. Ничипорович // Фотосинтез и вопросы продуктивности растений. - М.: Изд-во Акад. наук СССР, 1963. - С. 5-36.

15 Петинов, Н. С. Физиология орошаемых сельскохозяйственных растений / Н. С. Петинов. - М.: Изд-во Акад. наук СССР, 1962. - 159 с.

16 Мелиорация и водное хозяйство. Т. 6. Орошение: справ. / И. П. Айдаров [и др.]; под ред. Б. Б. Шумакова. - М.: Агропромиздат, 1990. - 415 с.

17 Ольгаренко, И. В. Информационные технологии планирования водопользования и оперативного управления водораспределением на оросительных системах: автореф. дис. … д-ра техн. наук: 06.01.02 / Ольгаренко Игорь Владимирович. - Саратов, 2013. - 31 с.

Размещено на Allbest.ru