Ресурсы почвенных вод и водообеспеченность агроценозов в условиях юга Русской равнины

Размещено на http://www.allbest.ru/

ресурсы почвенных вод и водообеспеченность агроценозов в условиях юга русской равнины

Общая характеристика работы

водообеспеченность агроценоз русский равнина

Актуальность проблемы. Сочетание обилия света и тепла с высоким плодородием почв способствовало превращению лесостепной и степной зон Русской равнины в агроландшафт. В лесостепной и степной зонах производится наибольшее количество товарного зерна и продуктов животноводства. Засухи в этих регионах представляют обычное явление и для различных частей этой территории отличаются лишь интенсивностью и повторяемостью. Результатом развития орошения как радикального средства борьбы с засухами в ряде регионов лесостепной и степной зон стало локальное переувлажнение земель и часто сопутствующее ему засоление, что явилось причиной деградации высокопродуктивных черноземов и сделало эти земли непригодными для сельскохозяйственного использования. Это делает актуальным разработку гидрологических основ управления ресурсами почвенных вод, которые используются недостаточно эффективно, и поиск вариантов оптимизации их режима, направленного на снижение интенсивности и повторяемости засух. Разразившийся к настоящему времени кризис продовольствия на мировых рынках, приведший к резкому скачку цен на сельскохозяйственную продукцию, а также наметившийся в последнее время переход на альтернативные источники энергии - биологическое топливо - придают еще большую актуальность проблеме рационального использования ресурсов почвенных вод с целью получения достаточно высоких, а тем более устойчивых урожаев возделываемых культур.

Снижение интенсивности и повторяемости засух на посевах неорошаемых культур в принципе возможно за счет более полного использования атмосферных осадков в вегетационный период. Это связано с решением задач о задержании снега и талых вод на полях для повышения весенних запасов почвенных вод, а также с уменьшением испарения воды почвой в период от схода снежного покрова до смыкания посевов и после уборки урожая до наступления зимы. Основы научной базы в решение этих задач были заложены В.В.Докучаевым и развивались его учениками и последователями П.А.Костычевым, А.А.Измаильским, Г.Н.Высоцким, А.Н.Костяковым, А.А.Роде, В.А.Ковдой, Ф.Ф.Давитая, С.А.Вериго, Л.А.Разумовой, Л.С.Кельчевской, С.В.Зонном и др. Исследования, связанные с развитием предложенного комплекса мероприятий «сухого земледелия», направленных на снижение интенсивности и повторяемости засух, а также поиском новых приемов по борьбе с засухами, продолжаются по настоящее время. Обычно эти исследования проводятся на уровне агрономических опытов путем сравнения урожая опытного участка с контролем. Обобщение и перенос полученных результатов на другие условия, существенно изменяющиеся в пространстве и во времени, встречает большие трудности.

В 1950-х годах с возрастанием масштабов хозяйственной деятельности человека актуальными становятся разработки, позволяющие выявить приемлемость различных вариантов изменения гидрологического режима территории и учета последствий таких изменений для почвенных вод. Особое место в этом направлении занимают исследования М.И.Львовича, который считал, что почвенные воды играют ведущую роль в формировании водного баланса территории. Эти идеи получили развитие в работах Е.П.Чернышева, Н.И.Коронкевича и др.

В 1980-х годах А.И.Будаговским было введено понятие ресурсов почвенных вод и намечены основные направления развития учения о почвенных водах и их ресурсах: биофизическое (физика почвенных вод), географическое и прикладное (инженерно-агрономическое). Задачей биофизического направления является изучение физической сущности процессов формирования почвенных вод. В рамках этого направления А.И.Будаговским разработана модель формирования почвенных вод в безморозный период. Исследования в области формирования почвенных вод были продолжены и существенно углублены Е.М.Гусевым. Им была дана экологическая трактовка понятия ресурсов почвенных вод, разработан полный комплекс моделей формирования почвенных вод в осеннее-весенний период, разработаны динамико-стохастические модели формирования почвенных вод при мульчировании.

Достижения, полученные в области физики почвенных вод, легли в основу настоящей работы, которая выполнена в рамках развития географического и прикладного направлении учения о почвенных водах и их ресурсах. Если геофизические и биофизические законы, лежащие в основе формирования почвенных вод, установлены достаточно точно, то они справедливы для любых условий. При этом одни и те же законы, действующие в разных условиях, могут приводить к существенно различным результатам. Задача географического и прикладного направления - это раскрытие закономерностей формирования почвенных вод на более высоких (ландшафтном и зональном) уровнях организации окружающей среды и получение обоснованных оценок влияния изменения режима почвенных вод на соответствующее состояние растительного покрова.

Использование в данной работе модели формирования почвенных вод, разработанной в рамках учения о почвенных водах и их ресурсах, существенно повышает научный уровень агрономических опытов и позволяет оценить ресурсы почвенных вод и водообеспеченность агроценозов как при применении традиционной агротехники, так и при проведении различных мероприятий «сухого земледелия», таких как задержание стока талых вод на полях, зяблевая пахота, парование полей и мульчирование почвы растительными остатками. Использование данного подхода позволяет не только оценить эффективность проводящихся мероприятий по повышению водообеспеченности посевов, но и служить обоснованием целесообразности постановки исследований по поиску или реализации более сложных мероприятий, детальная разработка которых требует большого труда и средств.

Цель и задачи исследований. Целью работы являются оценка и анализ закономерностей формирования ресурсов почвенных вод и водообеспеченности агроценозов в условиях юга Русской равнины.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

1. Выбор подхода к оценке ресурсов почвенных вод и водообеспеченности посевов сельскохозяйственных культур.

2. Адаптация и проверка модели формирования ресурсов почвенных вод для условий юга Русской равнины, включая оценку параметров модели, описывающих водно-физические свойства почвы и растительный покров.

3. Изучение пространственной, межгодовой и внутригодовой динамики составляющих баланса почвенных вод сельскохозяйственных полей юга Русской равнины.

4. Оценка и выявление закономерностей формирования водообеспеченности агроценозов.

5. Определение дефицита водопотребления (оросительная норма нетто) посевов сельскохозяйственных культур.

6. Оценка гидрологической эффективности задержания стока талых вод на полях, зяблевой пахоты, парования и мульчирования почвы.

Объектом исследований являются сельскохозяйственные поля лесостепной и степной зон Русской равнины - основных зернопроизводящих регионов России.

Предмет исследований - почвенные воды и управление ими с целью повышения водообеспеченности посевов сельскохозяйственных культур.

На защиту выносятся:

1. Методический подход к оценке ресурсов почвенных вод и водообеспеченности агроценозов в рамках учения о почвенных водах и их ресурсах.

2. Результаты оценки и анализ условий формирования ресурсов почвенных вод на юге Русской равнины. Метод определения локальной неоднородности пространственного распределения суммарного испарения.

3. Результаты оценки и анализ водообесеченности агроценозов на юге Русской равнины.

4. Результаты оценки гидрологической эффективности приемов «сухого земледелия», направленных на снижение интенсивности и повторяемости засух. Метод расчета испарения воды почвой при мульчировании.

Научная новизна и практическая значимость работы. Работа выполнена в рамках развития географического и прикладного направлений учения о почвенных водах и их ресурсах. При оценке ресурсов почвенных вод и водообеспеченности агроценозов реализуется принципиально новый подход, при котором почвенные воды рассматриваются как гидрологический ресурс, необходимый для существования и развития растительного покрова. Показаны масштабы возможного использования этого ресурса для юга Русской равнины.

Выявлены и проанализированы закономерности географического распределения и временной изменчивости параметров, показывающих:

- эффективность использования ресурсов почвенных вод агроценозами;

- водообеспеченность агроценозов, оцениваемую через величину транспирации исходя из потребности растений во влаге и из того, насколько эта потребность удовлетворяется в конкретных природно-климатических условиях;

- резервы возможного повышения водообеспеченности агроценозов.

Предложен метод оценки локальной неоднородности пространственного распределения суммарного испарения сельскохозяйственных полей.

Впервые эффективность приемов «сухого земледелия» оценивается с позиций гидрологии, а не сравнением урожаев опытных участков с контролем. Это позволило выйти на зональный уровень обобщения. Разработан упрощенный метод оценки испарения воды почвой при мульчировании.

Результаты исследований могут представлять интерес для агроклиматического районирования, использоваться при планировании различных агротехнических мероприятий по повышению водообеспеченности посевов сельскохозяйственных культур, а также при разработке экологических программ рационального природопользования.

Реализация результатов диссертационной работы. Основные положения диссертационной работы вошли в заключительные отчеты по различным тематикам государственных планов НИР, выполняемых Институтом водных проблем РАН; по грантам РФФИ № 03-05-64238 «Развитие теории экологического нормирования в применении к водному режиму экосистем и экотонов речных пойм», № 06-05-6464159 «Современный гидроморфизм и биоразнообразие степной зоны России», № 07-05-00593 «Тенденции увлажнения зональных ландшафтов Европейской России в ситуации глобального потепления XX-XXI веков» и ряду других проектов.

Разработанная методика оценки ресурсов почвенных вод используется в лекционном курсе и на практических занятиях студентов по экологии агроландшафтов в Донском государственном аграрном университете.

Апробация работы и публикации. Результаты исследований были доложены на следующих семинарах и конференциях: Заседание Гидрологической комиссии Московского отделения Русского географического общества (Москва, 2008), 7^th International Conference “Influence of anthropogenic activities of water regime of lowland territory” and 17^th Slovak-Czech-Polish Scientific Seminar “Physics of soil water” (Michalovce, Slovak Republic, 2008), IV Международный симпозиум “Степи Северной Евразии” (Оренбург, 2006), Международное совещание “Биоресурсы и биоразнообразие экосистем Поволжья: прошлое, настоящее, будущее” (Саратов, 2005), Ежегодная молодежная научная конференция “Актуальные проблемы экологии в сельскохозяйственном производстве” (пос. Персиановский, Ростовская обл., 2003 и 2004), Всероссийский конгресс работников водного хозяйства (Москва, 2003), Всемирная конференция по изменению климата (Москва, 2003), Международная конференция “Взаимодействие общества и окружающей среды в условиях глобальных и региональных изменений” (Барнаул, 2003), International Conference on Water Problems in the Mediterranean countries (Nicosia, North Cyprus, 1997), European Geophysical Society, 22nd General Assembly (Vienna, Austria, 1997), European Conference on Applied Climatology (Norrkoping, Sweden, 1996), Regional workshop on climate variability and climate change vulnerability and adaptation (Praha, Czech Republic, 1995), V школа-семинар “Системные исследования водных проблем” (Москва, 1993), International Symposium "Advances in water sciences" (Stara lesna, Slovakia, 1993), Научно-практическая конференция “Стратегия экологической безопасности России” (Санкт-Петербург, 1992), а также на семинарах Лаборатории физики почвенных вод и Лаборатории наземных экосистем под влиянием водного фактора ИВП РАН, совместном заседании лабораторий гидрологии и климатологии Института географии РАН, совместном заседании секций Ученого совета ИВП РАН «Водные ресурсы и управление ими» и «Качество вод и экология». Основные положения диссертации отражены в 47 статьях и монографии; в журналах, рекомендованных ВАКом, опубликовано 10 статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка использованной литературы. Работа содержит 237 страниц компьютерного текста, включая 114 рисунков и 14 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 212 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

основное Содержание работы

Введение

Изложен краткий анализ состояния проблемы, обоснование актуальности темы диссертационной работы, ее цели и задачи, научная новизна и практическая значимость, апробация полученных результатов, структура и объем работы.

Глава 1

Почвенные воды и их ресурсы

1.1. Общие положения

Рассматривается общая схема взаимного обмена вод суши, в котором активная роль принадлежит почвенным водам. Основной функцией почвенных вод является то, что они необходимы для существования и развития растительного покрова, синтезирующего органическое вещество из неорганического. В свою очередь органическое вещество, создаваемое растительным покровом, является первичным звеном в трофической цепи наземных экосистем. Отсюда вытекает глобальное значение почвенных вод, их роль в формировании и развитии окружающей среды.

1.2. Основы учения о почвенных водах

Задачи и содержание учения о почвенных водах как одном из важнейших компонентов гидрологического цикла были сформулированы А.И.Будаговским (1973). При рассмотрении проблемы почвенных вод выделено три основные направления исследований (рис. 1). Первое направление - биофизическое (или физика почвенных вод), изучающее физическую сущность процессов формирования почвенных вод, в основе которого лежит понятие гидрологического цикла. Второе направление - географическое, раскрывающее закономерности формирования почвенных вод на более высоких уровнях организации окружающей среды (на ландшафтном и зональном уровнях). Третье направление - прикладное (инженерно-агрономическое). Настоящее исследование выполнено в рамках развития географического и прикладного направлений учения о почвенных водах и их ресурсах.

Рис. 1. Основные направления развития учения о почвенных водах и их ресурсах

1.3. Ресурсы почвенных вод и подходы к их оценке

Почвенные воды являются жизненно необходимым природным ресурсом и рассматриваются в качестве важной части ресурсов вод суши. При обосновании количественной меры ресурсов почвенных вод анализируется уравнения водного баланса речного бассейна за средний многолетний период

(1)

где: - атмосферные осадки; - испарение; и - поверхностная и подземная составляющие речного стока. Два последних члена в правой части уравнения (1) фигурируют во многих работах в качестве оценок ресурсов поверхностных и подземных вод. Таким образом, если почвенные воды - необходимый природный ресурс, используемый растительным покровом, а и - меры ресурсов других составляющих вод суши, то естественно принять в качестве оценки ресурсов почвенных вод величину суммарного испарения , а атмосферные осадки при данном подходе будут мерой ресурсов естественного увлажнения (Будаговский, 1985).

Ресурсы почвенных вод характеризуются тремя параметрами (Будаговский, 1985), дающими представление о возможных масштабах их использования: (i) параметр водообеспеченности растительного покрова ; (ii) параметр структуры ресурсов почвенных вод ; (iii) параметр резервов ресурсов почвенных вод . Здесь - фактическая транспирация данного растительного покрова, - потенциальная транспирация (транспирация при оптимальном водоснабжении растений), - суммарное испарение за безморозный период (за период от полного схода снежного покрова весной до наступления отрицательных температур воздуха осенью).

1.4. Экологический подход к понятию ресурсов почвенных вод

Показано, что циркуляция воды в системе почва - растительный покров - атмосфера осуществляет круговорот биоэлементов во всей системе биоценозов суши, являясь необходимым экологическим ресурсом, используемым биоценозами суши (Гусев, 1993). Экологическая роль почвенных вод дает возможность подойти к понятию об их ресурсах как к одному из важнейших возобновляемых ресурсов, используемых не только человеком, сколько биосферой в целом.

Глава 2

Водный баланс почвы и методы его расчета

2.1. Уравнение водного баланса почвы

Рассматривается уравнение водного баланса корнеобитаемого слоя почвы, которое в общем случае записывается в виде (Будаговский, 1973)

(2)

где - глубина корнеобитаемого слоя почвы; - средняя влажность по глубине корнеобитаемого слоя почвы; - время; - интенсивность атмосферных осадков; - интенсивность поверхностного (склонового) стока; - интенсивность почвенного стока; - интенсивность суммарного испарения; - интенсивность вертикального водообмена корнеобитаемого слоя почвы с лежащими ниже его слоями зоны аэрации или с грунтовыми водами.

Анализируются подходы к оценке основных элементов водного баланса корнеобитаемого слоя почвы: атмосферных осадков, вертикального водообмена корнеобитаемого слоя почвы с лежащими ниже горизонтами, склонового стока и почвенного стока. Дается краткий обзор и анализ основных методов расчета суммарного испарения, в результате чего для решения поставленных задач был выбран метод, подробное описание которого приводится ниже.

2.2. Метод расчета суммарного испарения, его составляющих и запасов воды в почве

2.2.1. Расчетные зависимости

Для оценки ресурсов почвенных вод и их параметров используется модель суммарного испарения, позволяющая определить его структуру (Будаговский, 1964). Суммарное испарение в общем случае включает в себя испарение воды почвой и транспирацию

(3)

Испарение воды почвой определяется (Будаговский, Шумова, 1976)

(4)

(5)

(6)

(7)

, , (8)

где - потенциальное испарение воды почвой (испарение со смоченной поверхности почвы); - эмпирический параметр, зависящий от водно-физических свойств почвы; - запасы воды в расчетном слое почвы; - атмосферные осадки; и - функции температуры воздуха; - функция относительной площади листьев; - функция скорости ветра; - дефицит влажности воздуха; - радиационный баланс; - коэффициент, зависящий от географической широты и времени года; - относительная площадь листьев; - поток тепла в почву; - скорость ветра; - производная насыщающей упругости водяного пара от температуры воздуха .

Транспирация определяется (Будаговский, Шумова, 1976)

(9)

(10)

(11)

(12)

, (13)

, (14)

где - критические запасы воды в почве, - потенциальное испарение (при ); и - функции скорости ветра; и - функции относительной площади листьев; и - эмпирические коэффициенты.

Расчет запасов воды в почве по интервалам времени производится по формуле (Будаговский, Шумова, 1976)

(15)

где и - запасы воды в почве в начале и конце расчетного интервала времени соответственно. При и определяются по соотношениям

(16)

(17)

при и принимают вид

(18)

(19)

В принципе модель формирования почвенных вод универсальна, то есть может быть использована для оценки динамики суммарного испарения и продуктивных запасов воды в почве в разных физико-географических зонах.

2.2.2. Исходные материалы и техника расчетов

Для расчета суммарного испарения, его составляющих (испарения воды почвой и транспирации) и запасов воды в почве используются средние многолетние материалы стандартных наблюдений 45 агрометеорологических станций, равномерно освещающих территорию лесостепной и степной зон и частично выходящих за ее пределы (рис. 2). Исследуемая территория отличается высокой пространственной неоднородностью. Средний многолетний коэффициент увлажнения (Высоцкий, 1960), полученный по материалам наблюдений указанных выше станций, изменяется от 1,12 на северо-западе исследуемого региона до 0,18 на юго-востоке в низовьях Волги; значения гидротермического коэффициента (Селянинов, 1958) изменяются соответственно от 1,68 до 0,30 (Шумова, 2005). Для характеристики межгодовой изменчивости выбрано 6 характерных станций (Безенчук, Ершов, Каменная Степь, Мироновка, Гигант, Одесса), отражающих все многообразие природных условий исследуемого региона.

Подробно описываются все параметры, входящие в расчетные зависимости, и техника расчетов. Расчет проводится по декадным интервалам времени с начала первой декады после схода снежного покрова весной до конца последней декады с положительной температурой воздуха осенью. Для южных районов, где в зимнее время в среднем за декаду отрицательные температуры воздуха не наблюдаются, расчет проводится за календарный год.

Рис. 2. Схема расположения агрометеорологических станций

Точечные линии - границы лесостепной и степной зон (Берг, 1947; Берг, 1952). Светлые кружки - агрометеорологические станции, для расчетов по которым используются средние многолетние данные; темные - данные за ряд лет. 1 - Нолинск, 2 - Ройка, 3 - Казань, 4 - Немчиновка, 5 - Шокино, 6 - Михайлов, 7 - Самара, 8 - Безенчук, 9 - Ростоши, 10 - Ушаково, 11 - Оренбург, 12 - Воронеж, 13 - Глухов, 14 - Саратов, 15 - Нижнедевицк, 16 - Ершов, 17 - Уральск, 18 - Чингирлау, 19 - Каменка, 20 - Каменная Степь, 21 - Владимир-Волынский, 22 - Белогорка, 23 - Мироновка, 24 - Полтава, 25 - Джаныбек, 26 - Беловодск, 27 - Эльтон, 28 - Новая Ушица, 29 - Капустин Яр, 30 - Кировоград, 31 - Черный Яр, 32 - Волноваха, 33 - Константиновский, 34 - Харабали, 35 - Мариуполь, 36 - Кишинев, 37 - Херсон, 38 - Гигант, 39 - Одесса, 40 - Аскания-Нова, 41 - Кирилловка, 42 - Сарата, 43 - Кореновск, 44 - Краснодар, 45 - Золотушка

Биометрические параметры растительного покрова

В расчетные зависимости входит величина относительной площади листьев, являющаяся одной из важнейших характеристик растительного покрова. Описывается методика и результаты прямой и косвенной экспериментальной оценки биометрических параметров растительного покрова (Бусарова, Шумова, 1987). Выполненные обобщения экспериментального материала в сочетании с данными стандартных наблюдений агрометеорологических станций позволяют получить значения относительной площади листьев с различной степенью точности в зависимости от наличия материалов наблюдений за посевами сельскохозяйственных культур и учитывая конкретные климатические условия (Шумова, 1994; Shumova, 1994). Проведенные оценки ошибок показали, что использование в расчетах величин относительной площади листьев, полученных с различной степенью точности, не приводит к существенным погрешностям в расчетах суммарного испарения и его составляющих.

2.4. Оценка точности метода расчета

Оценка точности метода расчета проведена путем сравнения вычисленных запасов воды в метровом слое почвы с измеренными, а также путем сравнения вычисленных величин суммарного испарения с величинами, полученными по уравнению водного баланса, для полей яровой пшеницы, кукурузы и полей, занятых под пар по девяти станциям лесостепной и степной зон (Омск, Самара, Безенчук, Ершов, Семипалатинск, Мироновка, Черный Яр, Гигант, Одесса) в общей сложности за 76 лет (Шумова, 2003). Среднее квадратическое отклонение рассчитанных величин продуктивных запасов воды в метровом слое почвы от измеренных равно 21 мм, систематическая ошибка составляет 2,5%, что находится в пределах ошибки измерений запасов воды в почве (рис. 3). Среднее квадратическое отклонение рассчитанных величин испарения и величин испарения, полученных по уравнению водного баланса на основе измеренных значений запасов воды в почве и атмосферных осадков, близки аналогичным оценкам точности расчета запасов воды в почве (рис. 4).

Рис. 3. Сравнение измеренных и рассчитанных продуктивных запасов воды в метровом слое почвы

Рис. 4. Сравнение нарастающих сумм испарения, полученных по уравнению водного баланса и рассчитанных

Выполненные оценки показывают, что модель обладает достаточной точностью и может быть использована для расчетов суммарного испарения и запасов воды в почве как в условиях применения традиционной агротехники, так и при оценке эффективности различных приемов управления водным режимом почвы.

Глава 3Ресурсы почвенных вод и их формирование

3.1. Ресурсы почвенных вод лесостепной и степной зон

Как было сказано выше, количественной оценкой ресурсов почвенных вод является величина суммарного испарения за безморозный период. В результате проведенных по зависимостям (3) - (19) расчетов получены средние многолетние величины суммарного испарения посевов яровой пшеницы, представленные на рис. 5. На этом рисунке довольно четко прослеживается тенденция уменьшения испарения с северо-запада на юго-восток. Кроме того, обнаруживается локальная пестрота, когда две близко расположенных друг от друга станции имеют заметно различные значения исследуемой величины (Шумова, 1991).

Рис. 5. Средние многолетние величины суммарного испарения полей яровой пшеницы за безморозный период, мм

Рис. 6. Средние многолетние величины весеннего пополнения продуктивных запасов воды в метровом слое почвы , мм

Для лесостепной и степной зон, где сток дождевых осадков наблюдается редко и пренебрежимо мал по сравнению с годовым стоком, а водообмен между почвенными и грунтовыми водами на сельскохозяйственных полях практически отсутствует, для периода от полного схода снежного покрова и стекания талых вод до наступления отрицательных температур воздуха осенью (безморозный период) справедливо соотношение

, (20)

где - суммарное испарение за безморозный период; - осадки безморозного периода; - изменение запасов воды в почве за безморозный период; и - запасы воды в почве в начале (весной) и в конце (осенью) безморозного периода. Для средних многолетних условий справедливо соотношение

,

где - изменение запасов воды в почве за зиму (весеннее пополнение запасов воды в почве).

В результате выполненных расчетов для полей яровой пшеницы лесостепной и степной зон получены средние многолетние величины продуктивных запасов воды в почве на момент полного схода снежного покрова весной и на момент перехода температуры воздуха через 0^ОС осенью и оценены величины весеннего пополнения запасов воды в почве (рис. 6). Величины весеннего пополнения запасов воды в почве отличаются значительной пространственной изменчивостью, основные причины которой анализируются на примере результатов расчетов для трех сравнительно близко расположенных агрометеорологических станций - Воронежа, Нижнедевицка и Каменной Степи (Шумова, 1991). Наименьшие значения весеннего пополнения запасов воды в почве наблюдаются на северо-западе исследуемого района, составляя во Владимире-Волынском 4 мм, в Шокино - 25 мм, наибольшие - на востоке, достигая в Оренбурге 164 мм. Межгодовая изменчивость величин весеннего пополнения запасов воды в почве отличается значительными величинами средних квадратических отклонений, которые изменяются для характерных станций от42 до 55 мм при средних значениях от 30 до 79 мм, а коэффициенты вариации для станций Мироновка, Гигант и Одесса равны или превышают единицу. На всех шести характерных станциях имеют место случаи, когда к моменту полного схода снежного покрова запасы воды в почве оказываются ниже, чем их осенние значения .

На основании эмпирической зависимости между средними многолетними значениями суммарного испарения за безморозный период и осадками того же периода (рис. 7) оценены зональная и локальная величина весеннего пополнения запасов воды в почве (Шумова, 1991). На рис. 7 пунктиром показана прямая, отвечающая случаю, когда суммарное испарение за безморозный период равно осадкам за тот же период . Отрезок ординаты между пунктирной прямой и кривой равен средней (зональной) величине весеннего пополнения запасов воды в почве . А такой же отрезок между пунктирной прямой и конкретной точкой равен локальной величине весеннего пополнения запасов воды в почве . Разность между указанными величинами можно рассматривать в качестве величины, характеризующей локальную пространственную неоднородность весеннего пополнения запасов воды в почве , причинами которой являются различия локальных условий снегораспределения и водопроницаемости почв в период снеготаяния и стекания талых вод. Значения величин локальных отклонений весеннего пополнения запасов воды в почве на исследуемой территории (рис. 8) находятся в диапазоне от -54 мм (Владимир-Волынский) до +49 мм (Капустин Яр).

Показано, что средняя многолетняя величина ресурсов почвенных вод (суммарного испарения с сельскохозяйственных полей за безморозный период) практически не зависит от вида возделываемой культуры и, что существенно важно, для их приближенной оценки можно использовать средние многолетние величины суммарного испарения с речных бассейнов, вычисленных по уравнению водного баланса на основе материалов измерения речного стока и атмосферных осадков (Шумова, 2005). Различия между величинами суммарного испарения с сельскохозяйственных полей за безморозный период и испарения с речных бассейнов за год лежат в пределах ошибок измерения зимних осадков или вводимых в них поправок.

Рис. 7. График связи между средними многолетними осадками и суммарным испарением с сельскохозяйственных полей за безморозный период и - соответственно зональная и локальная величина весеннего пополнения запасов воды в почве

Рис. 8. Средние многолетние величины локальной пространственной неоднородности весеннего пополнения запасов воды в метровом слое почвы , мм Темными кружками отмечены станции, на которых

Выполненное сравнение средних многолетних величин ресурсов почвенных вод лесостепной и степной зон и величин валового увлажнения территории (Дрейер, 1969; Львович, 1969), которое в лесостепной и степной зонах практически равно величине испарения, показало, что значения валового увлажнения выше соответствующих значений ресурсов почвенных вод в среднем на 38%. Вероятной причиной отмеченных расхождений могут быть осадки, используемые для оценок: при расчетах валового увлажнения территории использовались осадки с поправками к показаниям осадкомера, а при расчетах ресурсов почвенных вод - без поправок.

Оценки межгодовой изменчивости суммарного испарения за безморозный период показали, что при средних для характерных станций величинах испарения от 456 мм (Мироновка) до 305 мм (Ершов) значения среднего квадратического отклонения для всех станций (за исключением Ершова) изменяются в довольно узких пределах от 56 до 62 мм при среднем значении равном 58 мм; для засушливого юго-востока его величина возрастает до 78 мм. Коэффициент вариации изменяется в пределах от 0,13 до 0,16 при среднем значении равном 0,15; исключение также составляет Ершов, где коэффициент вариации достигает 0,26.

Выявлена тенденция увеличения суммарного испарения с сельскохозяйственных полей лесостепной и степной зон во второй половине ХХ века (рис. 9).

Рис. 9. Межгодовая динамика суммарного испарения с сельскохозяйственных полей на станциях Ершов, Каменная Степь и Гигант

Структура суммарного испарения

В результате выполненных расчетов наряду с суммарным испарением были определены величины испарения воды почвой и транспирации полей яровой пшеницы лесостепной и степной зон. Средние многолетние величины испарения воды почвой полей яровой пшеницы за безморозный период (рис.10) лежат в диапазоне от 354 мм (Краснодар) до 150 мм (Харабали). При средних многолетних величинах испарения воды почвой для характерных станций от 256 мм (Мироновка) до 183 мм (Ершов) среднее квадратическое отклонение величин находится в диапазоне 27-41 мм; коэффициент вариации изменяется от 0,13 до 0,22.

Рис.10. Средние многолетние величины испарения воды почвой полей яровой пшеницы за безморозный период , мм

Рис.11. Средние многолетние величины транспирации посевов яровой пшеницы , мм

Представленные на рис.10 средние многолетние величины испарения воды почвой полей яровой пшеницы за безморозный период заметно ниже оценок величин непродуктивного испарения с сельскохозяйственных полей, занятых зерновыми культурами, представленными в работе (Чернышев, Коронкевич, Иванова, 1994), и в отдельных районах исследуемой территории различия достигают 100-150 мм. Возможными причинами указанных расхождений в оценках величин непродуктивного испарения могут являться как различия в методических подходах к их оценке, так и использование исходной информации - в частности использования данных об осадках.

Средние многолетние величины транспирации посевов яровой пшеницы в лесостепной и степной зонах изменяются от 230 мм в Новой Ушице до 57 мм в Джаныбеке (рис.11). При средних значениях транспирации для характерных станций от 201 мм (Мироновка) до 123 мм (Ершов) среднее квадратическое отклонение лежит в пределах от 29 до 42 мм, а коэффициент вариации - от 0,16 до 0,35.

Величины потенциальной транспирации посевов яровой пшеницы для исследуемого региона находится в пределах от 191 во Владимире-Волынском до 335 мм в Джаныбеке (рис. 12). Среднее квадратическое отклонение величин для характерных станций лежит в пределах от 16 до 41 мм при средних значениях от 246 мм в Мироновке до 300 мм в Ершове; коэффициент вариации изменяется от 0,07 до 0,15.

Имеющиеся данные позволяют определить, насколько продуктивно расходуются ресурсы почвенных вод (Shumova, 2000). Диапазон изменения параметра структуры ресурсов почвенных вод составляет 0,49-0,24 (рис. 13). Иными словами в средний по водности год доля транспирации в суммарном испарении полей яровой пшеницы за безморозный период составляет от 49 до 24 %, что согласуется с данными, приведенными в работе (Ананьева, Самарина, 1986), согласно которым для зерновых культур доля транспирации в суммарном испарении за безморозный период составляет 32-38%. При средних для характерных станций значениях параметра от 0,46 до 0,39 среднее квадратическое отклонение изменяется в пределах от 0,04 до 0,06; коэффициент вариации - от 0,09 до 0,16.

Рис. 12. Средние многолетние величины потенциальной транспирации посевов яровой пшеницы , мм

Рис. 13. Средние многолетние значения параметра структуры ресурсов почвенных вод посевов яровой пшеницы за безморозный период

Анализ структуры суммарного испарения позволяет сделать вывод о том, что большая часть ресурсов почвенных вод идет на испарение воды почвой - то есть расходуется непродуктивно.

3.3. Влияние антропогенно изменяемых факторов на величину суммарного испарения и его составляющие

К антропогенно изменяемым факторам суммарного испарения отнесены весенние запасы воды в почве и относительная площадь листьев - эти величины могут задаваться по соображениям практического характера. Весенние запасы воды в почве можно увеличить за счет задержания весеннего стока талых вод на сельскохозяйственных полях или за счет влагозарядковых поливов, а величина относительной площади листьев может быть задана из практических соображений варьируя густотой посева. Выполненные исследования показали, что изменение на определенную величину весенних запасов воды в почве приводит практически к такому же изменению величины суммарного испарения, при этом лишь 65% от увеличения весенних запасов воды в почве пойдет на увеличение транспирации (Будаговский, Шумова, 1983). Что касается относительной площади листьев , то при ее изменении от 5 до 1 суммарное испарение поля яровой пшеницы за безморозный период уменьшается лишь на 4%, то есть практически остается неизменным (Shumova, 1994). В то же время структура суммарного испарения претерпевает значительные изменения - доля транспирации в суммарном испарении снижается с 44% при до 24% при . Из этого следует, что при разреженных посевах ресурсы почвенных вод расходуются менее эффектитвно.

3.4. Внутригодовая динамика составляющих баланса почвенных вод

На основе обширного материала, полученного в результате расчетов, выполненных с декадным временным шагом и охватывающих период от полного схода снежного покрова весной до наступления отрицательных температур воздуха осенью, анализируется динамика суммарного испарения, его составляющих (испарения воды почвой и транспирации) и продуктивных запасов воды в метровом слое почвы полей яровой пшеницы в разные по водности годы (Шумова, 2010).

3.5. Весенние запасы почвенных вод и их формирование

Анализируется пространственная и временная изменчивость весенних продуктивных запасов воды метрового слоя почвы , сформировавшихся к моменту полного схода снежного покрова (Шумова, 1993). На фоне явно прослеживающейся тенденции уменьшения с северо-запада на юго-восток, их распределение на территории лесостепной и степной зон характеризуется сильной пестротой (рис. 14). К северной границе лесостепной зоны значения средних многолетних величин весенних продуктивных запасов воды в почве достигают наименьшей влагоемкости. А в низовьях Волги, за пределами степной зоны, они близки к критическим, которые приняты за критерий достаточности продуктивных запасов воды в почве для нормального развития растений. Естественно, что к моменту посева яровой пшеницы, а тем более всходов, в этих районах продуктивные запасы воды в почве становятся еще меньше. На рис. 14 выделено три зоны: влажная (150-200 мм), умеренно влажная (100-150 мм) и недостаточно влажная (50-100 мм), что согласуется с данными (Вериго, Разумова, 1973; Синицина, 1959). При средних для характерных станций значениях продуктивных запасов воды в почве от 124 до 169 мм среднее квадратическое отклонение изменяется в пределах от 31 до 50 мм; коэффициент вариации составляет 0,22-0,37, что согласуется с данными (Кельчевская, 1983). Оценивается, насколько обеспечены запасы воды в почве , равные наименьшей влагоемкости и их критические значения.

Базой, на которой происходит формирование весенних запасов воды в почве , являются запасы воды в почве, сформировавшиеся на момент перехода температуры воздуха через 0^ОС осенью предыдущего года (Шумова, 1993). Средняя многолетняя величина осенних запасов воды метрового слоя почвы для рассматриваемой территории изменяется от очень высоких значений на северо-западе (Шокино - 235 мм, Владимир Волынский - 178 мм) до крайне низких значений на юго-востоке, опускаясь ниже 20 мм, причем прослеживается явная тенденция их уменьшения с северо-запада на юго-восток (рис.15). Средние квадратические отклонения продуктивных запасов воды в почве для характерных станций довольно высокие и изменяются от 23 мм (Ершов) до 59 мм (Мироновка) при средних значениях от 43 до 118 мм; коэффициент вариации изменяется в узких пределах и принимает значения от 0,46 до 0,53.



Рис. 14. Средние многолетние весенние продуктивные запасы воды в метровом слое почвы полей яровой пшеницы, мм

Пунктиром показаны границы зон: I - влажная, II - умеренно-влажная, III - недостаточно влажная

Рис. 15. Средние многолетние осенние продуктивные запасы воды в метровом слое почвы полей яровой пшеницы , мм

Показано влияние основных климатообразующих факторов на формирование величины весенних запасов воды в почве. Проведено сравнение составляющих баланса почвенных вод в осеннее-зимний период с данными (Комаров, 1959; Коронкевич, 1970; Атлас мирового водного…, 1974). Обсуждается использование физико-математических моделей (Гусев, 1993) для вычисления характеристик режима почвенных вод в зимне-весенний период.

Глава 4.

водообеспеченность посевов сельскохозяйственных культур

4.1. Подходы к оценке водообеспеченности

Приводится краткая характеристика основных методов оценки водообеспеченности посевов сельскохозяйственных культур (Алпатьев, 1954; Будыко, 1971; Константинов, 1968; Селянинов, 1958; Харченко, 1975; Шашко, 1967; Allen, Pereira, Raes, Smith, 1998). В данной работе для оценки водообеспеченности посевов сельскохозяйственных культур используется параметр (Шумова, 2001). Если величина отношения равна 1, это значит, что растения не испытывают недостатка влаги. Если отношение меньше единицы, то запасы воды в почве ограничивают транспирацию, а, следовательно, рост и развитие растений, то есть имеет место засуха.

Представление об абсолютных величинах влаги, которой не хватает растениям, можно получить через дефицит транспирации, определяемый как разность между величиной потенциальной транспирации и ее фактическим значением (Shumova, 2000).

4.2. Методы расчета потенциального испарения и их оценка

Дается краткий обзор наиболее известных методов определения потенциального испарения (Будаговский, 1964; Будыко, 1956; Будыко, Зубенок, 1961; Иванов, 1954; Константинов, 1968; Мезенцев, 1962; Ольдекоп, 1911; Тюрк, 1958; Holdridge, 1959; Monteith, 1985; Thornthwaite, 1948) и приводятся результаты расчетов средних многолетних годовых величин потенциального испарения для лесостепной и степной зон, полученные по этим методам (Черенкова, Шумова, 2007). Выполненный анализ полученных результатов позволил сделать вывод, что из тринадцати рассмотренных методов расчета наиболее надежными для использования на территории лесостепной и степной зон являются методы А.И.Будаговского, Пенмана-Монтейта, Н.Н.Иванова, А.Р.Константинова, М.И.Будыко (на основе дефицита влажности воздуха) и Э.М.Ольдекопа.

4.3. Водообеспеченность посевов сельскохозяйственных культур в лесостепной и степной зонах

Рассчитанные величины транспирации и потенциальной транспирации позволили оценить значения параметра водообеспеченности и дефицита транспирации посевов яровой пшеницы как средние многолетние, так и за отдельные годы. На рис. 16 представлены средние многолетние величины водообеспеченности посевов яровой пшеницы за периоды всходы - полная спелость и по основным фазам развития растений (Шумова, 2001). В средний по водности год за вегетационный период в целом параметр водообеспеченности не достигает единицы на всей территории лесостепной и степной зон и изменяется в пределах от 0.8 на северо-западе лесостепной зоны до 0.3 в низовьях Волги. Это свидетельствует о том, что засухи здесь распространены повсеместно и отличаются только интенсивностью.

В начальные фазы развития растений - всходы и третий лист - величина не достигает единицы лишь за пределами степной зоны в низовьях Волги. Но уже с фазы кущение засуха пересекает юго-восточную границу степной зоны и начинает свое движение в более северные районы. К фазе колошения засухой охвачена уже практически вся исследуемая территория за исключением северо-запада и юга. Такое пространственное распространение засухи прослеживается до фазы молочная спелость, усиливается лишь ее интенсивность. К фазе полной спелости засухой охвачена уже вся территория лесостепной и степной зоны.

Рис. 16. Средняя многолетняя водообеспеченность посевов яровой пшеницы всего вегетационного периода (всходы - полная спелость) и по основным фазам развития растений. Темные кружки - растения не испытывают недостатка влаги (), светлые кружки - водообеспеченность растений ниже оптимальной (имеет место засуха), цифрами показаны величины отношений

Между водообеспеченностью всего вегетационного периода и водообеспеченностью в отдельные фазы развития растений существует довольно тесная зависимость (рис. 17).

Рис. 17. Зависимость величины водообеспеченности посевов яровой пшеницы в основные фазы развития растений от водообеспеченности всего вегетационного периода

Что касается межгодовой изменчивости, то за вегетационный период в целом величина достигает единицы лишь в 20% случаев даже в наиболее благоприятной по увлажнению Мироновке, в 14% случаев в Каменной Степи, и в 4% случаев в Гиганте и никогда не достигает единицы в Безенчуке, Ершове и Одессе. Другими словами в Безенчуке, Ершове и Одессе засуха наблюдается каждый год, отличаясь лишь интенсивностью. При средних значениях водообеспеченности вегетационного париода посевов яровой пшеницы для характерных станций от 0,42 (Ершов) до 0,82 (Мироновка) коэффициент вариации соответственно изменяется от 0,43 до 0,20.

На рис. 18 показаны кривые обеспеченности параметра для всего вегетационного периода (всходы - полная спелость) и в основные фазы развития яровой пшеницы в Каменной Степи. Если рассматривать водообеспеченность посевов яровой пшеницы по отдельным фазам развития растений, то из шести характерных станций растения полностью обеспечены влагой в начальные фазы развития (всходы, третий лист) лишь в Гиганте. На остальных пяти станциях на фазу всходов засуха имеет место в 4% случаев в Безенчуке, Каменной Степи, Мироновке и Одессе и около 30% случаев - в Ершове. Полностью охвачены засухой все годы в Безенчуке к фазе цветения, в Ершове - к фазе молочная спелость, в Одессе - к фазе восковая спелость.

Рис. 18. Кривые обеспеченности параметра по основным фазам развития яровой пшеницы в Каменной Степи

Критическим периодом к влаге для яровой пшеницы в засушливых регионах считается период от фазы кущения до колошения. Так называемое понятие «продуктивное использование растениями влаги» включает формулу: 30% урожая планируется в период кущения зерновых, 60% - в период колошения, 10% - в период налива. Расчеты показывают, что в фазу кущения засуха наблюдается в 25% случаев в Безенчуке, в 42% - в Ершове, в 9% - в Каменной Степи, и в 4% случаев - в Мироновке, Гиганте и Одессе. В фазу колошения засуха отмечается в 88% случаев в Безенчуке и Ершове, в 54% случаев в Каменной Степи, в 33% - в Мироновке, в 62% - в Гиганте и 46% - в Одессе. К фазе молочной спелости засуха наблюдается ежегодно в Безенчуке и Ершове, в 82% случаев в Каменной Степи, в 58% - в Мироновке, в 88% - в Гиганте и в 83% - в Одессе. По мере снижения водообеспеченности при переходе от одной фазы развития растений к другой возрастает изменчивость водообеспеченности. Наибольший диапазон изменения коэффициента вариации характерен для Ершова - от 0,15 в фазу всходов до 0,81 в фазу молочной спелости, а наименьший для Мироновки (от 0,03 в фазу всходов до 0,48 в фазу полной спелости).

Средняя многолетняя величина дефицита транспирации посевов яровой пшеницы (рис. 19) равна нулю только на севере за пределами лесостепной зоны (Немчиновка, Шокино), то есть здесь растения не испытывают недостатка влаги. В низовьях Волги дефицит транспирации составляет 246 мм (Харабали). На рис. 20 представлена зависимость между параметром водообеспеченности и дефицитами транспирации .

Наибольшие значения дефицита транспирации посевов яровой пшеницы для характерных станций наблюдаются в Ершове и достигают 346 мм, в наиболее увлажненные годы дефицит транспирации может снизится до 50 мм. Более благоприятные условия обеспечены в Мироновке, где максимальная величина дефицита транспирации не превышает 120 мм, а каждый шестой год посевы яровой пшеницы вовсе не испытывают недостатка в воде. При средних значениях дефицита транспирации для характерных станций 45-177 мм значения среднего квадратического отклонения лежат в пределах 41-72 мм, а коэффициенты вариации изменяются в пределах от 0,40 в Ершове до 0,90 в Мироновке.



Рис. 19. Средние многолетние величины дефицита транспирации посевов яровой пшеницы за период вегетации , мм

Рис. 20. Зависимость между параметром водообеспеченности и дефицитом транспирации

Построена зависимость (Шумова, 2001) между урожаем зерна яровой пшеницы, полученным при использовании традиционной агротехники, и водообеспеченностью (рис. 21), в основе которой лежат подходы, предлагаемые в (Кириличева, 1967) - темные точки и в (Мещанинова, 1971) - светлые точки. Коэффициент корреляции между значениями водообеспеченности и урожаем в первом случае равен 0,98, во втором 0,90 при среднем значении 0,93. Для обеспечения минимального урожая зерна яровой пшеницы в лесостепной и степной зоне величина отношения в среднем за вегетационный период должна быть не менее 0.2. В условиях оптимального увлажнения (когда ) урожай зерна яровой пшеницы на исследуемой территории может достигать 25 центнеров с гектара. Наблюдаемые с начала 1950-х годов климатические изменения привели к увеличению водообеспеченности посевов сельскохозяйственных культур на юге Русской равнины (рис. 22). Повысилась урожайность всех зерновых и зернобобовых культур, в том числе за годы перестройки с обвальным ухудшением культуры земледелия, что свидетельствует об улучшении агроклиматических условий территории, среди которых ведущая роль принадлежит водному фактору.



Рис. 21. Зависимость урожая зерна яровой пшеницы от водообеспеченности вегетационного периода Светлые кружки - урожай зерна рассчитан по уравнению Н.Б.Мещаниновой, темные - по уравнению К.В.Кириличевой.

Рис. 22. Межгодовая динамика водообеспеченности посевов яровой пшеницы на станциях Ершов, Каменная Степь и Гигант

Резервы возможного повышения водообеспеченности

Количественное представление о резервах возможного повышения водообеспеченности (резервах ресурсов почвенных вод) посевов сельскохозяйственных культур (Shumova, 2000) дает параметр (рис. 23), величина которого для наиболее увлажненных северо-западных районов рассматриваемой территории достигает 2,0, для средне засушливых районов она не менее 1,5 и только для острозасушливых районов юго-востока она снижается до 1,0; и лишь для таких уникальных районов как низовья Волги - до 0,8. Для характерных станций величина параметра больше 1 и находится в пределах от 1,87 (Мироновка) до 1,05 (Ершов), что свидетельствует об имеющихся резервах повышения водообеспеченности посевов. Величина среднего квадратического отклонения параметра резервов ресурсов почвенных вод для характерных станций лежит в пределах 0,29-0,37, а коэффициент вариации составляет от 0,16 (Мироновка) до 0,32 (Ершов).

Рис. 23. Средние многолетние значения параметра резервов ресурсов почвенных вод посевов яровой пшеницы за безморозный период

Темными кружками отмечены станции, на которых

Приведенные материалы показывают, что в средний по водности год практически на всей территории лесостепной и степной зон для яровой пшеницы или любой другой культуры с такой же продолжительностью вегетационного периода в принципе можно довести водообеспеченность посевов до оптимальной не прибегая к дополнительным затратам воды на орошение, а используя лишь имеющиеся резервы ресурсов почвенных вод, то есть за счет изменения структуры суммарного испарения путем снижения непродуктивной составляющей.

Глава 5.

Дефицит водопотребления сельскохозяйственных культур

5.1. Проблемы использования водных ресурсов в орошаемом земледелии

Площадь орошаемых земель в нашей стране за последние годы (2000-2005) составила 3,6% от площади пашни (Охрана окружающей среды…, 2006). Сосредоточены орошаемые земли в основном на юге Европейской территории России. В нижнем течении Волги и Дона густота оросительной сети, вычисленная по аналогии с густотой речной сети, составляет от 0,16 до 12.9 км/км², что позволяет говорить о чрезвычайно высокой антропогенной нагрузке в южных регионах России. Рассматриваются негативные последствия орошения и эффективность использования воды, забираемой из природных источников. Анализируются традиционные подходы к оценке безвозвратного водопотребления в орошаемом земледелии, которое является важнейшей составляющей водохозяйственного баланса.