Методика определения фактического водопотребления сельскохозяйственных культур на примере картофеля летнего срока посадки для условий аридной зоны юга России

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методика определения фактического водопотребления сельскохозяйственных культур на примере картофеля летнего срока посадки для условий аридной зоны юга России

Цель: научно-техническое обоснование определения динамики фактического водопотребления картофеля летнего срока посадки при различных гидрометеопараметрах для последующего прогноза и назначения сроков полива и поливных норм. Материалы и методы. Применение новых подходов в установлении технических характеристик орошения, как одного из определяющих элементов природопользования на оросительных системах в целом и в единичных фермерских хозяйствах в частности, является основой и важным компонентом обеспечения продуктивной безопасности населе-ния, необходимым инструментом в поддержании экологического баланса на землях с очевидными антропогенными рисками, в значительной мере определяет сельскохозяйственное производство и имеет высокую актуальность для развития мелиоративной науки и практики. Исследования проведены в ООО «Агропредприятие «Бессергеневское» Октябрьского района Ростовской области при возделывании картофеля летнего срока посадки в условиях поймы Нижнего Дона. Результаты. Опытные данные позволили получить эмпирические зависимости динамики фактического водопотребления от суммы температур и дефицитов влажности воздуха для лет различной водообеспеченности по дефициту естественного увлажнения. Они представлены уравнением поверхности с соответствующими эмпирическими коэффициентами, которые составили в среднем за период вегетации: А1 - 21,035; А2 - минус 0,1546; А3 - 0,29705; А4 - 0,0429; А5 - минус 0,099; А6 - 0,057.

Анализ данных показал, что установленные связи фактического водопотребления с суммой дефицитов влажности воздуха и суммой температур значительно изменяются по фазам развития картофеля и описываются нелинейными математическими зависимостями, это значительно повышает точность определения водопотребления и эффективность использования водных и энергетических ресурсов. Решение поставленной задачи позволит получить обоснованные эксплуатационные режимы орошения картофеля летнего срока посадки.

Создание высокоурожайных систем земледелия на орошаемых агроландшафтах должно базироваться на принципах соблюдения аргументированного эксплуатационного режима орошения, определении его норм и сроков в контексте сложившейся гидрометеорологической и агротехнической обстановки [1, 2]. Так, в этих целях используют модели определения водопотребления, полученные на основании эмпирического опыта, которые в свою очередь описывают динамику влияния тепла, энергии, света и других факторов в сложной системе «почва - растение - атмосфера» [3, 4].

Теоретически обоснованы и практикой орошения подтверждены следующие иерархические уровни планирования водопользования и режимов орошения сельскохозяйственных культур: проектный и эксплуатационный режимы, которые в свою очередь подразделяются на плановый и оперативный [5]. Наиболее значимой проблемой в мелиоративной отрасли является научное обоснование и разработка именно эксплуатационного оперативного режима орошения сельскохозяйственных культур, который отличается значительной дифференциацией и учетом всех фактических показателей при реализации внутрихозяйственных планов водопользования для каждого конкретного орошаемого участка, севооборота и хозяйства в целом [6, 7].

Современная ситуация в сельском хозяйстве призывает не только рассматривать необходимый уровень продуктивности агроландшафтов, но и учитывать риски природопользования вместе с получением высоких и стабильных урожаев сельскохозяйственных культур. Обоснование сложных природных связей и деятельности человека обеспечивает надлежащее планирование и оперативное управление технологическими процессами как при проведении отдельных приемов орошения, так и на более высоких иерархических уровнях мелиоративной системы в целом. Современная концепция мелиоративной науки обращает особое внимание на многозадачность управления своими единицами, ставятся задачи определения оптимального водного, теплового, воздушного, питательного, химического и других режимов [1, 8-13].

Применение новых подходов в установлении технических характеристик орошения, как одного из определяющих элементов природопользования на оросительных системах и в единичных фермерских хозяйствах, является основой и важным компонентом обеспечения продовольственной безопасности населения, необходимым инструментом в поддержании экологического баланса на землях с очевидными антропогенными рисками, в значительной мере определяет сельскохозяйственное производство, имеет высокую актуальность для развития мелиоративной науки [14-19].

Целью исследований в данной работе являлось научно-техническое обоснование определения динамики фактического водопотребления картофеля летнего срока посадки при различных гидрометеопараметрах для последующего прогноза и назначения сроков полива и поливных норм.

Материалы и методы. Решению этой важной проблемы были посвящены экспериментальные исследования, проведенные в ООО «Агро-предприятие «Бессергеневское» Октябрьского района Ростовской области при возделывании картофеля летнего срока посадки в условиях поймы Нижнего Дона в период 2012-2014 гг. Годы исследований по влагообеспеченности орошаемого массива за вегетационный период характеризовались по гидротермическому коэффициенту Г. Т. Селянинова как средневлажный, средний и среднесухой (соответственно 2012, 2013 и 2014 гг.) (коэффициент принимал значения 0,95; 0,65 и 0,34). В период вегетации выпало соответственно 162,8; 122,1; 65,2 мм осадков. Относительная влажность воздуха в среднем составила 51, 53 и 50 % соответственно. Сумма среднесуточных температур - 1781, 1837 и 1889 °С соответственно. Поливная норма составила 350 м3/га с поддержанием влажности 0,8-1,0 НВ в расчетном слое почвы 0,6 м. Более детально динамика влагозапасов, гидрометеорологическая и почвенная характеристика рассматриваются в предыдущих работах [20, 21].

Следует отдельно выделить проведенные ранее исследования, а именно статистическую обработку рассматриваемых величин: суммы температур и дефицитов влажности воздуха, эвапотранспирации, и на ее основании выполненный однофакторный и многофакторный корреляционный анализ. Так, установлено, что температура ( = 0,88) и дефицит влажности воздуха ( = 0,74) имеют соответственно весьма тесную и тесную связи с эвапотранспирацией. Многофакторным корреляционным анализом установлено, что вариация эвапотранспирации на 79 % (детерминация = (0,89)2 = 0,79) связана с действием изучаемых факторов - суммой активных температур воздуха и суммой дефицитов влажности воздуха - и может быть математически объяснена влиянием этих данных. Это в целом при соблюдении правильной методологии постановки опыта и обработки экспериментальных данных позволяет говорить о высокой достоверности результатов в указанных условиях соответствия и рассматриваемой почвенно-климатической зоне [21].

Результаты и обсуждение. Общеизвестен методический подход к определению эвапотранспирации по формуле водного баланса, учитывающей все расходы и приходы влаги для условий конкретного орошаемого поля:

,

орошение сельскохозяйственный картофель

где - эвапотранспирация, мм;

, - влагозапасы в почве к началу и концу расчетного периода, мм;

- осадки, мм;

, , , - соответственно величины оросительной нормы, подпитки грунтовыми водами, поверхностного стока, инфильтрации, мм.

Подпитка грунтовыми водами () происходит в случае смыкания грунтовых вод и активного (орошаемого) слоя почвы, что в общем случае недопустимо, так как является первопричиной засоления сельскохозяйственных угодий. Инфильтрация () - обратный процесс в сравнении с подпиткой грунтовыми водами (), он также нежелателен из-за расхода оросительной воды за пределы активного слоя почвы. Поверхностный сток () образуется из-за неверно выбранного режима орошения и неправильной агротехники (отсутствие рекультивации агроландшафта и др.), он является первопричиной возникновения ирригационной эрозии.

Под ирригационной эрозией понимается процесс отделения из общей массы почвы ее агрегатов (частиц) и их физическое перемещение под воздействием энергии воды. Возникновение ирригационной эрозии на орошаемых агроландшафтах может как носить площадной характер, так и образовывать локальные промоины и рытвины по трассам поверхностного стока, в результате чего следует ожидать ухудшение водно-физических свойств, изменение и потери общей структуры, снижение плодородия почвы, увеличение дренирования возделываемого агроландшафта и последующее его иссушение.

Отметим, что рассматривается общий случай протекания почвенных процессов. Частные случаи могут отличаться в зависимости от конкретных водно-физических свойств почвы и общего склада почвы и грунта. Так, если водоносный горизонт и находящаяся над ним капиллярная кайма частично присутствуют в толще грунта, а ее верхняя граница проникает в почвенную толщу, то глубокое залегание грунтовых вод не исключает возможности их питания влагой, просачивающейся через почвенно-грунтовую толщу, с образованием грунтового стока и инфильтрации. Однако стоит также отметить явление десукции почвенной влаги растениями, или иссушение почвы, которая в условиях дефицита водного баланса почти равна потенциальной эвапотранспирации. Так, А. А. Роде делает следующий вывод: «...при поддержании влажности почвы на достаточно высоком уровне, хорошо развитый, обеспеченный питательными веществами растительный покров расходует влагу в количестве, близком к испаряемости...». И далее: «...следовательно, испаряемость можно считать пределом величины десукции влаги из почвы, покрытой растительным покровом, при условии достаточно высокой влажности почвы». Испаряемость, или потенциальная эвапотранспирация, также считается абсолютным максимумом для величины эвапотранспирации. Это говорит о некой замкнутости системы «почва - вода - растение - атмосфера» и подтверждает методический подход учета всех приходов и расходов влаги в почве для определения величины эвапотранспирации [22]. Иными словами, рассматривается не просто «общий случай», а общий случай с капиллярно подвешенной влагой, находящейся в квазиравновесном состоянии, без подпитки грунтовыми водами, инфильтрации и образования поверхностного стока и ирригационной эрозии.

В этом случае почвенная влага в межполивной период, представляемая разницей влагозапасов, зависит только от фактического водопотребления, которое обуславливается гидрометеорологическими условиями орошаемого поля, водопотребностью возделываемой культуры, изменяющейся по фазам ее развития, и испарением:

,

где - изменение влагозапасов почвы, мм;

- фактическое водопотребление сельскохозяйственной культуры, мм;

- эффективные осадки, мм.

В результате проведенных производственных исследований установлена динамика фактического водопотребления, суммы температур и суммы дефицитов влажности воздуха по фазам развития картофеля летнего срока посадки (таблица 1).

Опытные данные таблицы 1 при представлении в виде уравнения поверхности с соответствующими эмпирическими коэффициентами (таблица 2) позволили получить эмпирические зависимости динамики фактического водопотребления от суммы температур и дефицитов влажности воздуха по фазам роста и развития культуры (рисунки 1-6):

где , , , , , - эмпирические коэффициенты.

Таблица 1. Динамика фактического водопотребления, суммы температур и суммы дефицитов влажности воздуха за 2012-2014 гг.

Таблица 2. Эмпирические коэффициенты

Рисунок 1.Динамика фактического водопотребления в зависимости от суммы дефицитов влажности воздуха и суммы температур по фазам развития картофеля (фаза всходов)

Рисунок 2. Динамика фактического водопотребления в зависимости от суммы дефицитов влажности воздуха и суммы температур по фазам развития картофеля (фаза бутонизации)

Рисунок 3 - Динамика фактического водопотребления в зависимости от суммы дефицитов влажности воздуха и суммы температур по фазам развития картофеля (фаза цветения)

орошение сельскохозяйственный картофель

Рисунок 4. Динамика фактического водопотребления в зависимости от суммы дефицитов влажности воздуха и суммы температур по фазам развития картофеля (фаза прекращения роста ботвы)

Рисунок 5. Динамика фактического водопотребления в зависимости от суммы дефицитов влажности воздуха и суммы температур по фазам развития картофеля (фаза увядания ботвы)

Рисунок 6. Динамика фактического водопотребления в зависимости от суммы дефицитов влажности воздуха и суммы температур по фазам развития картофеля (фаза технической спелости)

Анализ данных показал, что применение предложенного метода как инструмента для расчета эксплуатационных характеристик режима орошения не связано с ведением трудоемких наблюдений за гидрометеорологическим состоянием агроландшафта, используются наиболее доступные параметры, учитывается фактор времени наступления фенологических фаз культуры, вместе с тем фактически обеспечивается возможность прогноза и назначения сроков полива и объемов поливных норм.

Выводы

орошение сельскохозяйственный картофель

Получены эмпирические зависимости динамики фактического водопотребления от суммы температур и дефицитов влажности воздуха для лет различной водообеспеченности по дефициту естественного увлажнения. Они представлены уравнением поверхности с соответствующими эмпирическими коэффициентами, которые составили в среднем за период вегетации: - 21,035; - минус 0,1546; - 0,29705; - 0,0429; - минус 0,099; - 0,057.

Установлена динамика фактического водопотребления, суммы температур и суммы дефицитов влажности воздуха.

Анализ данных показывает, что фактическое водопотребление значительно изменяется по фазам развития картофеля и прежде всего связано с биологическими особенностями культуры и гидрометеорологическими условиями возделываемого агроландшафта. Установление его имеет большое значение для определения динамики влагозапасов почвы, определяющих эксплуатационные режимы орошения. Полученные зависимости будут использованы при составлении программы для ЭВМ для прогноза и назначения сроков полива и поливных норм.

Список использованных источников

1. Щедрин, В. Н. Стратегические направления развития мелиоративного сектора в АПК / В. Н. Щедрин, С. М. Васильев // Стратегические направления развития АПК стран СНГ: материалы XVI Междунар. науч.-практ. конф., г. Барнаул, 27-28 февр. 2017 г. - Новосибирск: СФНЦ РАН, 2017. - Т. 2. - С. 167-169.

2. Васильев, С. М. Регулирование управленческих процессов в структурированных проблемных ситуациях АПК / С. М. Васильев, Ю. Е. Домашенко // Вестник российской сельскохозяйственной науки. - 2018. - № 4. - С. 12-13.

3. Васильев, С. М. Мониторинг орошаемого агроландшафта с учетом калибровки данных дистанционного зондирования в рамках геоинформационных технологий / С. М. Васильев, Л. А. Митяева // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета [Электронный ресурс]. - 2017. - № 131. - С. 216-231. - Режим доступа: http:ej.kubagro.ru/2017/07/pdf/23.pdf.

4. Ольгаренко, И. В. Методология функционирования экологически сбалансированных оросительных систем / И. В. Ольгаренко // Труды Кубанского государственного аграрного университета. - 2010. - № 6(27). - С. 181-186.

5. Ольгаренко, Г. В. Научно-техническое обеспечение программы развития мелиорации земель / Г. В. Ольгаренко // Мелиорация и водное хозяйство. - 2013. - № 6. - С. 2-4.

Размещено на Allbest.ru