Geum.ru
   Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по сельскому хозяйству  

  На правах рукописи

МАКСИМЕНКО  ВЛАДИМИР  ПАНТЕЛЕЕВИЧ

КОМПЛЕКСНАЯ МЕЛИОРАЦИЯ УПЛОТНЕННЫХ ПОЧВ

НА  ОРОШАЕМЫХ  ЗЕМЛЯХ

Специальность: 06.01.02  - мелиорация, рекультивация и охрана земель

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации  на  соискание  ученой  степени

доктора  сельскохозяйственных  наук

Москва - 2011

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте  гидротехники и мелиорации им. А. Н. Костякова 

(ГНУ ВНИИГиМ) Россельхозакадемии

Научный консультант:  доктор технических наук, профессор,

академик Россельхозакадемии,

Кизяев Борис Михайлович

Официальные оппоненты:  доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Шуравилин Анатолий Васильевич

доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Зайдельман Феликс Рувимович

доктор сельскохозяйственных наук, профессор

  Пронько Нина Анатольевна

Ведущая организация:  Всероссийский научно-исследовательский

  институт  орошаемого земледелия

  (ВНИИОЗ)  Россельхозакадемии

Защита состоится 17 марта  2011  года  в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 006.038.01 во Всероссийском научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации им. А. Н. Костякова по адресу: 127550,  Москва, ул. Большая Академическая, д. 44.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВНИИГиМ.

Автореферат разослан  л  февраля 2011 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук С. Д. Исаева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность.  В результате антропогенного и природного воздействия значительная часть сельскохозяйственных угодий, находящихся в обороте, имеет низкую продуктивность из-за уплотнения и слитизации почв. Особенно интенсивно эти негативные процессы развиваются при орошении.

Современное состояние орошаемых земель по разным источникам оценивается как критическое.  По данным Министерства сельского хозяйства Российской Федерации, опубликованным во второй половине 2010 года в Докладе о состоянии и использовании земель сельскохозяйственного назначения, общая площадь орошаемых угодий составляет 4270 тыс. га, из них: в хорошем  состоянии - 2390 тыс. га;  удовлетворительном - 1000 тыс. га; неудовлетворительном - 860 тыс. га, из которых не используется  более 450 тыс. га по причинам заболачивания, засоления, полной деградации почвенного покрова, вызванной переуплотнением и гумусовым истощением почвы.  С 1990 по 2009 годы площадь орошаемых земель с хорошим почвенно-мелиоративным состоянием уменьшилась с 4,09 до 2,39 млн. га, или на 41,5 %, указывая на необходимость совершенствования технологий производства растениеводческой продукции на них.

Применение сельскохозяйственной техники, многократная обработка почвы, излишнее орошение, ориентированное на получение максимальной урожайности возделываемых культур, внесение больших доз азотных и калийных удобрений  создают предпосылки для интенсивного разрушения структуры почвы по всему профилю с  образованием иллювиальной прослойки на глубине 0,2Е0,4 м. Уплотненный слой почвы препятствует распространению корневой системы, снижает  объемы аккумулирования продуктивных влагозапасов,  доступность растениям влаги и элементов минерального питания из более глубоких горизонтов. При орошении с увеличением плотности почвы уменьшается ее впитывающая способность и, как следствие, интенсифицируется процесс водной эрозии. Поливы дождеванием, даже малыми нормами, вызывают образование поверхностного стока и смыв наиболее плодородного субстрата почвы и удобрений. Скопление воды в понижениях способствует  пополнению грунтовых вод, а застойный характер увлажнения почвы - формированию процессов гидроморфизма с нарушением равновесного состояния солевого баланса.

Многочисленные исследования по обработке сельскохозяйственных угодий подтверждают тот факт, что повышение продуктивности угодий происходит за счет увеличения мощности корнеобитаемого слоя почвы путем механического его рыхления, регулярность применения которого  без мероприятий, направленных на накопление органики в почве, может вызвать усиление деградационных  процессов, обусловленных интенсивной сработкой гумуса.

Специалисты и ученые Российской академии сельскохозяйственных наук РФ  А. А. Жученко (1988, 1990, 1994), А. Н. Каштанов (1988, 2001), В. И. Кирюшин (1993, 1995, 2002),  И. П. Кружилин (1997, 1999), Н. А. Пронько (2001,2009), В. П. Часовских (1999), А. Яблоков (2001) и другие считают, что идеальной формой интенсификации растениеводства должна быть биологическая система земледелия, при которой высокая продуктивность достигается преимущественно за счет применения органических удобрений, сидератов и использования потенциальных возможностей самого растения. Однако этот путь интенсификации растениеводческого производства требует длительного времени.

Результаты теоретических исследований и накопленный практический опыт свидетельствуют о необходимости дальнейшего совершенствования технологических процессов возделывания сельскохозяйственных культур на орошаемых землях,  основу которых должны составлять  комплексные мелиоративные мероприятия, направленные как на получение необходимой продукции, так и на повышение плодородия почв.

Рабочая гипотеза, положенная в основу данной работы, состоит в  том, что интенсивное восстановление плодородия уплотненных почв на орошаемых землях может быть достигнуто в результате реализации мероприятий, ориентированных  на эффективное использование водных ресурсов, биопотенциала сельскохозяйственных культур и комплексных мелиораций,  включающих глубокое рыхление с одновременным внутрипочвенным внесением животноводческих стоков (ЖВС).

Цель и задачи исследований. Целью работы является теоретическое и экспериментальное обоснование комплексных мелиораций для интенсивного восстановления плодородия переуплотненных деградированных почв на орошаемых землях. 

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих основных задач:

- изучить факторы, обусловливающие возникновение процессов уплотнения почв на орошаемых землях, и их влияние на агробиоценоз;

- разработать технологию интенсивного восстановления плодородия уплотненных почв на орошаемых землях, основанную на повышении эффективности использования водных ресурсов, биопотенциала сельскохозяйственных культур и применения комплексных мелиораций, включающих глубокое рыхление почв;

- определить влияние глубокого рыхления почвы на качественные и количественные характеристики её химических,  водно-физических свойств и микробиологическую активность;

- выявить закономерности формирования влагозапасов на глубоко-разрыхленных почвах в зависимости от количества атмосферных осадков и различных режимов орошения сельскохозяйственных культур;

- установить закономерности между потребностью растений в воде, их урожайностью и эффективностью использования водных ресурсов;

- разработать методику расчета потребностей в оросительной воде и обосновать режимы орошения сельскохозяйственных культур на глубокоразрыхленных почвах;

- оценить эффективность применения комплекса мелиоративных мероприятий при интенсивном восстановлении плодородия деградированных уплотненных почв на орошаемых землях.

Объектом исследования  является комплекс мелиоративных мероприятий, направленных на интенсивное восстановление плодородия деградированных уплотненных почв и эффективное использование антропогенных энергетических затрат.

Методология исследований.  Теоретической и методологической основой работы явились классические труды В. И. Вернадского (1984), В. Р. Вильямса (1948), С. И. Долгова (1969), Н. А. Качинского (1970), А. Н. Каштанова (2001),  А. Н. Костякова (1961), А. А. Роде (1965)  и других ученых, а также материалы научно-практических конференций и совещаний рабочей комиссии РАСХН  по созданию Методического пособия и нормативных материалов для разработки адаптивно-ландшафтных систем земледелия. При проведении исследований использованы принципы системного анализа, позволяющие эффективно решать поставленные задачи.

Научная  новизна исследований состоит в теоретическом и экспериментальном обосновании: 

- комплекса мероприятий интенсивного восстановления плодородия деградированных уплотненных почв на орошаемых землях,  основанных на адаптационных принципах повышения эффективности  использования водных ресурсов, биопотенциала возделываемых сельскохозяйственных культур и реализации мелиораций на фоне глубокого рыхления  почв; 

- метода вероятностной оценки качества глубокого рыхления почвенного профиля, позволяющего провести сравнительную характеристику реализуемых способов обработки почвы и прогнозировать потребность в них;

- влияния глубокого рыхления на водно-физические, химические свойства и микробиологическую активность почв;

- закономерностей формирования влагозапасов на глубокоразрыхленных почвах в зависимости от количества атмосферных осадков; 

- закономерностей и корреляционных соотношений между потребностью растений в воде, их урожайностью и эффективностью использования водных ресурсов;

- методики расчета потребностей в оросительной воде и проектных режимов орошения сельскохозяйственных культур на глубокоразрыхленных почвах;

- технологии интенсивного восстановления плодородия деградированных почв на орошаемых землях путем применения  комплексных мелиораций, обеспечивающих более эффективное использование затрат антропогенной энергии по сравнению с традиционной системой земледелия.

Достоверность научных результатов. Разработанный технологический комплекс мелиорации земель базируется на  фундаментальных положениях биологии и законов формирования биоценозов, основных законов земледелия, на принципах адаптивно-ландшафтного земледелия, балансовых методах оценки ресурсных и энергетических потоков. Теоретические исследования  подтверждаются многолетними данными натурных экспериментов, их математической обработкой, а также апробацией в производственных условиях.

На защиту выносятся:

- технология интенсивного восстановления плодородия уплотненных деградированных почв на орошаемых землях,  основанная на принципах эффективного  использования водных ресурсов, биопотенциала возделываемых сельскохозяйственных культур и применения комплексных мелиораций, включающих глубокое рыхление почвы с одновременным внесением животноводческих стоков, и реализуемых  без вывода сельскохозяйственных угодий из оборота;

- закономерности и корреляционные зависимости между потребностью растений в воде, их урожайностью и эффективностью использования водных ресурсов;

- методика установления и расчета потребностей сельскохозяйственных культур в дополнительном увлажнении для получения планируемых (экономически и экологически целесообразных) уровней продуктивности сельскохозяйственных угодий на глубокоразрыхленных почвах.

Практическая значимость.  Установленные закономерности и корреляционные зависимости между потребностью растений в воде, их урожайностью и эффективностью использования водных ресурсов, методика расчета потребностей сельскохозяйственных культур в дополнительном увлажнении для получения планируемой (экономически и экологически обоснованной) продуктивности сельскохозяйственных угодий  позволяют  обосновывать параметры высокоэффективной ресурсосберегающей комплексной технологии интенсивного восстановления плодородия уплотненных деградированных почв на орошаемых землях  без вывода их из оборота и получать в восстановительный период от 6,7 до 10 т к.е. /га  качественных кормов.

ичный вклад автора заключается в разработке нового направления комплексных мелиораций - технологии интенсивного восстановления плодородия деградированных почв на орошаемых землях, обеспечивающей более эффективное использование затрат антропогенной энергии по сравнению с традиционной системой земледелия; в оценке влияния глубокого рыхления на водно-физические, химические свойства почв и их микробиологическую активность; в установлении закономерностей формирования влагозапасов на глубокоразрыхленных почвах в зависимости от количества атмосферных осадков; в установлении закономерностей и корреляционных соотношений между потребностью растений в воде, их урожайностью и эффективностью использования водных ресурсов; в разработке методики расчета потребностей в оросительной воде и проектных режимов орошения сельскохозяйственных культур на глубокоразрыхленных почвах.

Апробация результатов диссертационной работы. Основные теоретические положения и результаты исследований доложены и обсуждены на международных научно-практических  конференциях,  проводившихся в Абакане (1989, 2007), Коломне (2003, 2004, 2007), Курске (2000, 2001), Майкопе (2004), Москве (1998, 2002, 2005, 2006, 2007, 2007, 2008, 2009), Рязани (1990),  Фрунзе (1990), Ханты-Мансийске (2003), Херсоне (1993); на  Всесоюзной  научно-практической конференции молодых ученых по проблемам мелиорации земель, посвященной 100-летию со дня рождения А. Н. Костякова [Москва, 1987];  на Всероссийском совещании по теме Экологические основы орошаемого земледелия [Москва, 1992]; на заседании Координационного совета по системам земледелия на ландшафтной основе при ВНИИЗиЗПЭ РАСХН [Курск, 2000, 2001]; на международных научно-практических конференциях Костяковские чтения [Москва, 1989, 2002, 2007, 2008, 2009] и ряде других научно-практических  региональных и международных конференциях (1984 - 2009 гг.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 54 печатных работах, в том числе 12 - в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ, монографии; получено 2 патента.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов и предложений производству; изложена на 278 страницах, содержит 62 рисунка и 83 таблицы, основная часть которых размещена в приложениях. Список литературных источников  включает 320 работ, в том числе 15 - зарубежных  авторов. 

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность решаемой проблемы, сформулированы цель и задачи исследований, даны методология и методика проведения исследований, отмечены  новизна и практическая значимость полученных результатов

В первой главе проведен анализ факторов антропогенного и природного характера, влияющих на уплотнение почв и ухудшение условий произрастания растений. Изучение причин возникновения процессов уплотнения почв на орошаемых землях осуществлялось с учетом  работ  В. Н. Богословского (2004), А. Г. Бондарева (1990, 1998), О. Г. Грамматикати (1969), Ю. П. Добрачева (2004), Ф. Р. Зайдельмана (1996, 2003), В. С. Казакова (1984), Н. А. Качинского (1970), А. Н. Костякова (1961), В. В. Медведева (1988, 1994), Н. А. Пронько (2001, 2009), Н. Д. Прянишникова (1929),  Н. С. Скуратова (2001), А. Н. Соколовского (1956), Ю. П. Танделова (2007), Д. А. Черняховского (2003), Б. Б. Шумакова (1993, 1995) и многих других  ученых, посвященных различным аспектам ухудшения состояния мелиорируемых земель. 

Под антропогенным и природным воздействием на орошаемых землях происходит разрушение структуры почвы и ее уплотнение, образование иллювиальных горизонтов,  развитие процессов гидроморфизма, оглеения и слитизации, которые негативно влияют на условия произрастания сельскохозяйственных культур и снижают  эффективность мелиоративных технологических процессов. Почвы орошаемых земель особо чувствительнны к воздействию механического давления, так как находятся в состоянии увлажнения, оптимального не только для растений, но и для их уплотнения.  Причинами образования плужной подошвы  (микроиллювия)  являются высокая влажность почвы, многочисленные ее обработки и внесение с минеральными удобрениями  солей  Na, K и  NH4,  которые, вытесняя обменный кальций из почвенного поглощающего комплекса,  нарушают устойчивость почвенной структуры. 

К одной из основных причин, снижающих эффективность растениеводства на орошаемых землях, необходимо отнести проявление процессов гидроморфизма в условиях повышенной влажности почвы. Выраженный гидроморфный режим почв при большом количестве в них пожнивных остатков способствует увеличению подвижности металлов вследствие изменения окислительно-восстановительного потенциала в гумусовом горизонте. Сбраживание органики в гидроморфных условиях влечет за собой образование низкомолекулярных водорастворимых органических веществ и фульвокислот.

Ухудшение условий произрастания растений на орошаемых землях связано с формированием процесса глееобразования. Этот процесс проявляется при подтоплении или затоплении почв в зонах действия крупных каналов и водохранилищ, при переполивах,  на рисовых системах и при лиманном орошении. В степной зоне глееобразование может возникать в результате интенсивной обработки автоморфных почв, которые под действием сельскохозяйственной техники уплотняются, создавая предпосылки к перераспределению поверхностного стока в понижения, где происходит длительное переувлажнение почвы. В условиях застойно-промывного режима увлажнения почвы под воздействием глееобразования происходит максимальное элювирование не только железа и марганца, но и алюминия, кальция, магния, а также илистой фракции мелкозема, сопровождающееся разрушением структуры почвы и ее уплотнением.

В сельскохозяйственный оборот вовлекается достаточно большое количество земель с изначально неблагоприятными свойствами. Это солонцеватые черноземы, имеющие тенденцию к засолению и уплотнению корнеобитаемого слоя,  обусловленную близким залеганием грунтовых вод неблагоприятного  солевого состава (обычно сульфатно-натриевого), комплексностью и неоднородностью почвенного покрова. Из-за процесса осолонцевания почв,  сопровождающегося слитизацией почвенной структуры и увеличением плотности сложения, продуктивность таких земель низкая, в то время как они занимают значительные площади на Северном Кавказе, в Поволжье, в центрально-черноземных областях, в Западной Сибири. Причиной отрицательных физико-механических свойств солонцовых почв является наличие на определенной глубине токсичных солей натрия (реже магния). Однако сами по себе отрицательные химические свойства солонцов не являются препятствием для получения на них хорошего урожая. Более существенное влияние на развитие сельскохозяйственных культур на таких орошаемых  землях оказывает плотность почвы. 

В работе показано влияние уплотнения и слитизации почв на их водоудерживающую способность, эффективность использования атмосферных осадков и оросительной воды. С увеличением плотности почвы снижается доступность влаги для растений в связи с ухудшением условий проникновения корневой системы вглубь; уменьшается микробиологическая активность почвы. 

В условиях повышенной плотности почвы происходит интенсивный отток влаги на физическое испарение и накопление солей в корнеобитаемом слое почвы, развитие процессов его засоления и осолонцевания. При уплотнении почвы возникает необходимость коррекции элементов мелиоративных технологий, что ведет к увеличению затрат энергетических и материальных ресурсов. Блок-схема факторов, определяющих процессы уплотнения почв на орошаемых землях и их влияние на агробиоценоз,  представлена на рис. 1.

Вторая глава посвящена анализу технологий восстановления плодородия деградированных почв орошаемых земель. Показано, что они должны быть в наибольшей степени адаптированы к агроландшафтным условиям при эффективном использовании  водных ресурсов и биопотенциала сельскохозяйственных культур, включая применение физических, химических и биологических мелиораций, создающих предпосылки повышения плодородия почв.

В естественных условиях плодородие почв в основном обеспечивается за счет гумификации органического вещества, поступающего в почву с отмершими растениями, с остатками микроорганизмов и животных, а также корневых выделений и корней. Наибольшие запасы гумуса формируются в черноземах степной зоны и составляют более 426 т/га или более 9,2 ТДж/га аккумулированной энергии. Аккумулирование таких запасов потенциальной энергии стало возможным благодаря значительному ежегодному поступлению в почву биологической массы и ее эффективной переработке микроорганизмами. Продолжительность же формирования  запасов гумуса в условиях естественного развития биоценозов составляет более 125  лет (М. М. Кононова, 1963).

Рис. 1.  Блок-схема факторов, определяющих процессы уплотнения почв на орошаемых землях и их влияние на агробиоценоз

При интенсивной эксплуатации земель сельскохозяйственного назначения, когда значительная часть  сформировавшейся биомассы отчуждается с урожаем, происходит истощение плодородного слоя почвы. На орошаемых землях это усугубляется процессами гидроморфизма, оглеения и слитизации, возникающими  под влиянием увеличения приходной части  водного баланса и несбалансированным привносом солей с поливной водой. Поэтому агроэкосистемы, особенно при орошении, нуждаются в постоянном пополнении энергии (восполнении дефицита органики),  отчуждаемой с произведенной продукцией. 

Внесение минеральных удобрений частично восстанавливает питательную среду, обеспечивая рост продуктивности угодий, но, по мнению многих ученых, может сопровождаться  разрушением структуры почвы и снижением активности почвообразующих организмов,  что приводит к еще большим темпам уплотнения почв и, как следствие, к снижению их плодородия и деградации. Для уменьшения негативного воздействия на почву минеральных удобрений возникла и получила развитие в работах А. А. Жученко (1990, 1994),  В. И. Кирюшина (1995, 2002) и других ученых идея экологизации  растениеводческого  производства. Новое направление, связанное с адаптацией растений, и в целом  агроценозов,  к экологическим условиям, повышением их устойчивости в экстремальных ситуациях, возникло и развивается в виде эколого-биосферных систем земледелия, в которых предлагается использовать физиологические особенности самих растений [С. А. Самцевич, 1972; А. А. Жученко, 1994;  Ю. А. Овсянников, 1996].

В работе рассмотрены вопросы применения в орошаемом земледелии сельскохозяйственных культур,  которые являются как продуктами растениеводческого производства, так и биологическими мелиорантами  почвы. Согласно имеющейся концепции поддержания плодородия почв на орошаемых землях доля многолетних трав должна изменяться  (по природным зонам)  от 25Е30 до 60Е80 %, однолетних трав (в основных и промежуточных понсевах)  - от 12 до 30 %. Структура укосных площадей бобовых трав должна совершенствоваться  за счет расширения посевов культур, ранее считавшихся нетрадиционными. По комплексу хозяйственных показателей к наиболее эффективным для выращивания на орошаемых земнлях являются  многолетние бобовые (люцерна, клевер луговой, галега восточная, лядвенец рогатый, донник белый).  Таким образом,  для поддержания почвенного плодородия рекомендуются севообороты  с включением в них таких сельскохозяйственных культур, возделывание которых сопровождалось бы накоплением органического вещества и элементов минерального питания в почве и ее разуплотнением. Однако сама идея введения эколого-биосферных систем земледелия и реализуемая на практике  структура посевных площадей с включением культур-мелиорантов  принимаются при условии,  что почвообразовательные процессы формируются без учета ограниченных возможностей развития самих растений, влияния измененного водного фактора, интенсивности его влияния на формирование условий развития растений и микробиологических процессов, то есть без учета последствий антропогенного воздействия при производстве продукции.  При этом не ставятся задачи интенсивного восстановления  орошаемых земель, на которых произошла глубокая деградация (уплотнение) почв, или введенных в оборот земель с изначально низким уровнем плодородия,  или осолонцованных, имеющих иллювиальные прослойки. Поэтому биологические мелиоративные приемы имеют недостаточно высокую эффективность, требуется длительное непрерывное их применение для восстановления плодородия почв до биоклиматического потенциального уровня продуктивности. 

Чтобы эти системы были эффективными, необходимы дополнительные затраты антропогенной энергии и ресурсов, направленные на создание условий эффективного использования биопотенциала сельскохозяйственных культур. В работе показано, что в начале таким мероприятием должно быть глубокое  рыхление деградированных почв, при котором разрушаются  иллювиальные прослойки и создаются условия для формирования растением мощной корневой системы.  При глубокой механической обработке почвы практически мгновенно происходит разрушение уплотненных иллювиальных прослоек и увеличение объема почвы, используемого корневой системой растения. Продуктивность земель повышается за счет интенсификации  процессов мобилизации имеющегося энергетического потенциала  почвы и самого растения.  При этом, если не обеспечивается бездефицитный баланс органики, происходит интенсивная дегумификация с последующей более глубокой деградацией почв. 

Глубокое механическое рыхление почв на орошаемых землях должно проводиться в комплексе с другими мероприятиями, направленными на увеличение органической массы в мелиорируемом слое почвы.  Рассмотрены варианты применения в качестве культур-мелиорантов на орошаемых землях не только люцерны, но и галеги восточной, обладающих высоким уровнем связывания солнечной энергии, значительная часть которой поступает в корневые системы,  обогащая почву органической массой и элементами питания. Рассмотрены возможности разуплотнения почв в эколого-биосферных  системах земледелия с применением агробиологических, а также  химических способов мелиорации почв, используя структурообразующие  поверхностно-активные вещества, композитные мелиоранты на углеродной основе.

Орошение как фактор,  обеспечивающий устойчивость производства растениеводческой продукции в засушливых условиях России,  может сопровождаться эрозионными процессами и гидроморфизмом. Как в первом, так и во втором случае это результат недостаточно научно обоснованных режимов орошения сельскохозяйственных культур и технологических процессов поливов, от чего и происходит  уплотнение почвы. Поэтому дальнейшее совершенствование технологий орошения на основе адаптивно-ландшафтных подходов, обеспечивающих рациональное использование водных и земельных ресурсов, требует решения.

Наибольший эффект ресурсосбережения достигается при комплексной мелиорации земель с использованием животноводческих стоков как необходимый элемент восполнения органического вещества в экологическом земледелии.

В третьей главе показано, что глубокое рыхление в качестве мелиоративного приема, улучшающего свойства почв,  в мировой практике начало применяться в начале XX века.  Этот прием занимает ведущее место в системе агротехнических мероприятий, поскольку определяет не только велинчину и стабильность урожая, но в значительной степени и эффективность многих важнейших звеньев агротехнического комплекса. Глубокое рыхление почвы создает предпосылки для формирования страховых запасов энергии в более глубоких слоях почвы и их дальнейшего использования последующими культурами в севообороте. Рассматривая глубокое рыхление почв на орошаемых землях с позиций адаптивно-ландшафтного земледелия, определен состав требований к его применению. 

Дана характеристика агрегатов для проведения глубокой обработки почв, их параметры и условия применения. Предложен рыхлитель с V-образными стойками,  обеспечивающий объемное рыхление почвы с одновременным внутрипочвенным внесением неосветленных животноводческих  стоков (рис. 2).  В каждом конкретном случае выбор рыхлителей должен определяться, исходя из требований к технологическому процессу комплексной мелиорации почв на орошаемых землях.

Рис. 2. Рыхлитель РГ-0.5 М, оборудованный системой для  внутрипочвенного внесения животноводческих стоков или жидких мелиорантов

Проанализированы существующие методики оценки качества глубокого рыхления, которые в основном рассматривают частные случаи и  не позволяют сравнивать эффективность рыхления в пространстве и времени.  Для сопоставления показателей качества рыхления различными рыхлителями предложена методика оценки состояния почвенного профиля по плотности его сложения, которая основана на графоаналитическом анализе с использованием вероятностных моделей.  Такой подход позволяет оценить качество рыхления как сразу после его проведения, так и по истечении времени, а также установить длительность эффекта последействия мелиоративного мероприятия по заданной обеспеченности распределения плотностей и определить необходимость проведения глубокого повторного рыхления. При этом общая совокупность распределения складывается из значений плотности, которые относятся как к разрыхленной, так и  неразрыхленной частям почвенного профиля в пределах заданной мощности мелиорируемого слоя почвы. Законы распределения подобной структуры описываются построением биноминальных кривых.

Адаптация методики оценки качества рыхления агрегатом РГ-0.5М была осуществлена в процессе проведения экспериментальных исследований при мелиорации деградированных южных черноземов на юге Западной Сибири. Фактические биноминальные кривые распределения плотностей представлены на рис. 3.

Рис. 3. Вероятностные кривые распределения плотности сложения почвенного профиля южных черноземов: 1 - перед рыхлением;  2 - сразу после рыхления (осенью);  3  - перед посевом культуры (весной);  4 - 7  - в конце вегетационных периодов, соответственно  в первый,  второй,  третий и  четвертый годы  последействия глубокого рыхления почвы (РГ-0.5)

При верхнем пределе оптимальной плотности сложения южных черноземов 1400 кг/м3 (В. В. Медведев, 1988) после уборки культуры осенью в исходном распределении таких значений встречается с обеспеченностью не более 10 % (рис. 3, 1), а после обработки почвы рыхлителем РГ-0.5 достигает 90 %  обеспеченности (рис. 3, 2). При некотором снижении значений плотностей верхнего предела до 85 % обеспеченности существенно увеличивается плотность в диапазоне 1100Е1400 кг/м3.  В процессе дальнейшего определения плотности почвы было выявлено, что эффект глубокого рыхления южных черноземов прослеживается и после четырех вегетационных периодов. При этом в почвенном профиле сохраняются значения плотности меньше установленного верхнего предела  на  уровне 25 % обеспеченности (рис. 3, 7). Наиболее интенсивное уплотнение почвы под действием природных и антропогенных факторов происходит в первый год за осенне-зимний период и весной при подготовке почвы к посеву (рис. 3, 3). В последующие периоды интенсивность уплотнения снижается и к четвертому году практически стабилизируется на 4Е10 % меньше исходной по абсолютным значениям.

В четвертой главе представлены результаты исследований химических, водно-физических, тепловых и микробиологических свойств мелиорируемой почвы, эффективности использования влаги, аккумулированной в почве от атмосферных осадков и поливной воды; рассмотрены вопросы доступности почвенной влаги растению в зависимости от структуры почвенного профиля,  оптимизации режимов увлажнения и их корректировки с учетом расхода влаги на физическое испарение и транспирацию растением.

Исследованиями установлено, что под влиянием глубокого рыхления в результате разрушения монолита почвы и его капиллярной структуры происходят существенные изменения  водно-физических свойств почвы.  Увеличиваются ее водоудерживающая и аккумулирующая  способности,  создаются предпосылки для большей доступности влаги растению,  интенсифицируются потоки влаги на физическое испарение и транспирацию. С изменением пористости почвы увеличивается объём воды, удерживаемый почвой в равновесном состоянии после полива или выпадения осадков.  Граница увлажнения или резервирования влагозапасов, определяемая глубиной рыхления,  смещается вниз. При проведении глубокого рыхления осенью объем  аккумулируемых запасов влаги  перед посевом культуры весной на 15Е30 % больше, чем на участках обычной вспашки.  По мере развития корневой системы они эффективно используются растениями, что обеспечивает на посевах многолетних трав формирование биологической массы для полноценного первого укоса, а на участках пропашных  культур позволяет существенно сдвинуть сроки первого полива. В условиях лесостепной и  степной зон в большинстве случаев сформированных влагозапасов на начало вегетационного периода достаточно для получения полноценных урожаев (картофеля)  без поливов.

Физические и химические процессы, развитие микроорганнизмов и растений происходит в определенных тепловых почвенных условиях, в значительной степени зависящих от тепло-физических характеристик почвы и,  в первую очередь, от плотности ее сложения. Рыхление почвы сопровождается уменьшением объемной теплоемкости (θw), коэффициента теплопроводности (λw ) и температуропроводности (k). Это связано с тем, что происходит увеличение содержания воздуха в почвенных промежутках и снижение пространственного контакта между твердыми частицами почвы. Исследования динамики температурного режима южных черноземов при разных способах их обработки проведены нами на стационарных площадках опытного полигона, расположенного на орошаемых землях совхоза Рудненский Кустанайской области.  Опыт включал два варианта обработки почвы: сплошное глубокое рыхление на глубину до 0,5 м без оборота пласта и отвальную вспашку на глубину 0,18Е0,22 м. 

Имеется ряд полуэмпирических формул связи между коэффициентом теплопроводности (λw ) и плотностью почвы ().  Анализ этой связи по полученным данным показал, что представленная В. З. Богомоловым (1956) математическая формула  может быть применима и для установления изменений теплопроводности  глубокоразрыхленных почв. Достоверные значения  коэффициента теплопроводности можно получить при изменении  плотности сложения почвы в широком диапазоне ее значений - от 600 до 2000 кг/м3.

Коэффициент температуропроводности рассчитывался по уравнению неустановившегося теплового потока для рядов, не охватывающих период суточного хода температуры, по зависимости, предложенной  Г. Х. Цейтиным (1956). Полученные результаты расчетов свидетельствуют о том, что на участках глубокого рыхления почвы рыхлителем РГ-0.5  коэффициент температуропроводности в поверхностном слое почвы 0 - 0,2 м  больше, чем на участках с традиционной технологией обработки. Это связано с тем, что в слое наблюдалась разная степень разуплотнения почвы  и к моменту проведения замеров влажность почвы была несколько меньше, что в совокупности и определило  увеличение коэффициента по сравнению с участками отвальной вспашки, соответственно с 7,04 до 7,58 см2/ч.  С увеличением расчетного слоя до 0,5 м, то есть на глубину рыхления, происходит  уменьшение коэффициента температуропроводности. Так, на участках глубокого рыхления его величина была на 21Е17 % меньше, чем на отвальной вспашке, и составила соответственно 9,71 и 8,05 см2/ч. Снижение коэффициента температуропроводности на участках глубокого рыхления обусловлено уменьшением плотности  сложения полуметрового почвенного профиля и большим  (на 15Е30 %)  содержанием влаги в этом слое по сравнению с участками  отвальной вспашки. При меньшем значении коэффициента температуропроводности на участках глубокого рыхления происходит более медленное выравнивание температуры по почвенному профилю, так как мощность разрыхленного слоя почвы на этих участках больше и передача тепла замедляется. С наступлением теплого периода в дневные часы градиент температуры направлен вверх, а поток тепла в почву. При этом верхние слои почвы имеют более высокую температуру, а нижние - несколько ниже, чем без глубокого рыхления. В холодный период поток тепла направлен из нижних горизонтов к поверхности, а градиент температуры становится положительным и направлен в глубь почвенного профиля. При этом температура верхних слоев глубокоразрыхленных почв ниже, а нижних слоев - выше, чем на участках, обработанных по районированной технологии.

Микробиологическая активность почвы и ее изменение под воздействием мелиораций определяется в основном целлюлозоразрушающими бактериями, активность которых в значительной степени зависит от наличия и распределения по почвенному профилю органики, водного, газового и температурного режимов. По мнению ряда авторов при устойчивом соотношении этих факторов, присущих одной и той же технологии подготовки почвы к посеву, особых изменений в активности целлюлозоразрушающих  бактерий по сезонам не отмечается. Однако при глубоком рыхлении почвы происходит существенное изменение газового режима, при  котором активизируется деятельность аэробных микроорганизмов, улучшающих условия минерального питания растений. При этом интенсивность микробиологических процессов на орошаемых землях в значительной степени зависит от уровня увлажнения.

Динамика микробиологической активности под влиянием орошения и глубокого механического рыхления южных черноземов изучалась с применением метода лаппликаций. Использовались закладки из льняной ткани 0,1 х 0,5 м;  повторность опыта трехкратная. Глубокое рыхление осуществлялось РГ-0.5, а поливы проводились ДДА-100МА. Контроль за влажностью и плотностью почвы проводился, соответственно радиоизотопными приборами ВПГР-1 и ППГР-1. Выращивание капусты поздней сорта Подарок осуществлялось при поддержании разных уровней предполивной влажности почвы: I - 60Е65 %;  II - 70Е75 % и III вариант - 80Е85 % НВ (рис. 4). 

  I II  III

Рис. 4. Разложение ткани (%) по вариантам обработки почвы (ряд 1 - вспашка, ряд 2 - глубокое рыхление) и поддержания предполивных влагозапасов на участках  возделывания капусты: I - 60Е65 %; II - 70Е75 %;  III - 80Е85 % НВ.

Анализ полученных данных показал, что количество микроорганизмов в почвенном профиле и соответственно микробиологическая активность почвы  убывают с глубиной.  По мере перемещения в глубь почвенных профилей происходит снижение интенсивности разложения ткани, которое на участках вспашки наиболее резко выражено в подпахотных горизонтах.  На участках глубокого рыхления происходит смещение границы снижения интенсивности разложения ткани в более глубокие слои почвы. При этом микробиологические процессы идут интенсивнее и равномернее во всем интервале предполивных уровней влажности почвы от 60 до 85 % НВ, максимального значения они достигают в слое почвы 0 - 0,5 м при режимах орошения, ориентированных на поддержание предполивной влажности почвы  70 % НВ.

На участках отвальной вспашки интенсивность микробиологических процессов носит характер всплесков. При предполивной влажности почвы  60Е65 % НВ она в 1,6 раза меньше, чем на участках глубокого рыхления; при 70Е75 % НВ  расхождения несколько сглаживаются до 10Е30 %,  соответственно в слоях 0 - 0,1 и 0 - 0,5 м. Дальнейшее повышение влажности почвы до 80Е85 % НВ сопровождается более резким снижением микробиологических процессов на участках отвальной вспашки, по сравнению с участками глубокого рыхления,  на 30Е20 %,  соответственно в слоях 0 - 0,1 и 0 - 0,5 м. Наибольшая интенсивность разложения ткани зафиксирована на участках вспашки в слое почвы 0 - 0,2 м при уровне увлажнения 75 % НВ, а в слое  0 - 0,5 м - 78 % НВ. Дальнейшее увеличение влажности повлекло за собой не только снижение процессов гумификации органики, но и увеличение дрожжевых бактерий, что свидетельствует о начале смены аэробных процессов на анаэробные.  При более высокой интенсивности микробиологических процессов и их равномерном изменении в широком диапазоне уровней предполивной влажности почвы при глубоком рыхлении допускается возможность реализации режимов орошения сельскохозяйственных культур, ориентированные на 70 % НВ, что обеспечит существенное сокращение затрат оросительной воды и энергетических ресурсов.

Выявление закономерностей влагообмена на глубокоразрыхленных почвах осуществлялось на лизиметрическом комплексе при возделывании люцерны с поддержанием предполивных влагозапасов почвы на уровне 65, 70, 75, 80, 85 и 90 % НВ. Лизиметрический комплекс был установлен на орошаемом  ДМ Кубань-М поле  люцерны. Почвы  опытного участка - южные черноземы, легкоглинистые, с плотностью в слое 0-0,6 м - 1300Е1600 кг/м3  и наименьшей влагоемкостью 32,9 % об.  Глубина промачивания южных черноземов устанавливалась путем сопоставления влажности почвы, определяемой с помощью нейтронного влагомера ВПГР-1 до и после полива. Мелиоративное состояние орошаемых земель определяется водным режимом почвенного профиля. Анализ полученных данных показывает, что на глубину промачивания влияют величина поливной нормы и уровень предполивной влажности почвы. По мере снижения последнего и увеличения нормы полива увеличивается глубина промачивания почвы (табл. 1). Типовые профили влажности почвы до и после полива по вариантам приведены на рисунке 5.

Таблица 1. Поливные нормы, глубина увлажнения и влажность почвы ниже слоя активного влагообмена в зависимости  от уровня предполивной влажности почвы

Предполивная влажность почвы, % от НВ

Норма полива,

м3/га

Глубина промачивания почвы, м

Влажность почвы (% об.) ниже слоя активного влагообмена

90

200

0,30Е0,35

32,4

85

300

0,40Е0,45

30.8

80

400

0,45Е0,50

29,6

75

500

0,50Е0,55

28,5

70

600

0,55Е0,60

27,0

65

700

0,60Е0,65

26,0

Реализация дифференцированных режимов орошения люцерны в условиях глубокого залегания уровня грунтовых вод позволила установить, что чем выше поддерживается предполивной уровень влажности почвы, тем больше влаги находится не только в слое активного влагообмена, но и ниже его (табл. 1).  Поддержание предполивных влагозапасов на уровне 90 % НВ (рис. 5, a),  по сравнению с уровнем 65 % НВ (рис. 5, c), сопровождается формированием влажности почвы ниже слоя активного влагообмена большей на 6,4 % об. В сравниваемых вариантах 85 и 70 % НВ (рис. 5, b и d) эта разница составляет 3,8 % об.

Поддержание высоких уровней предполивной влажности почвы в расчетном слое почвы с целью получения максимальных урожаев приводит к более высокому  насыщению влагой нижних горизонтов и влечет за собой формирование инфильтрационных потоков. Водобалансовыми лизиметрическими исследованиями было установлено, что к концу третьего года выращивания люцерны при режимах орошения  по поддержанию предполивных влагозапасов на уровне 80, 85 и 90 % НВ инфильтрационный сток составил  в объеме 0,6Е4,0 % от поступивших осадков и оросительной воды.

Рис. 5.  Характерные эпюры влажности почвы до (1) и после полива (2)  при разных режимах орошения: a) - 90 и c) - 65; b) - 85  и  d) - 70 % НВ

В то же время дифференцированный анализ данных увлажнения почвы и ее иссушения по глубине показал, что относительные значения этих элементов водного баланса для одних и тех же слоев практически совпадают в течение всего вегетационного периода. Следовательно режим орошения, ориентированный на поддержание постоянного уровня влажности почвы, создает предпосылки формирования растением корневой системы лишь в слое увлажнения, то есть в среде с комфортными водными условиями.

Однако, чем выше поддерживаемый уровень предполивной влажности почвы, тем чаще проводятся поливы малыми нормами. При этом слой активного влагообмена ограничен небольшим поверхностным слоем, а расход влаги на эвапотранспирацию из слоя 0 - 0,2 м достигает 91 % (вариант 90 % НВ). Снижение уровня предполивной влажности почвы сопровождается увеличением потребления влаги корневой системой растения из более глубоких слоев почвы. В варианте 65 % НВ расход влаги из слоя 0 - 0,2 м составил 54 %, тогда как потребление влаги из нижних горизонтов существенно возросло и достигло:  25 % из слоя 0,2 - 0,3 м, 14 % - из слоя  0,3 - 0,4 м и 6 % - из слоя 0,4 - 0,5 м. Анализ диапазона разброса относительных значений увлажнения и оттока влаги из слоя активного влагообмена показал, что при режиме увлажнения 90 % НВ он составил 0,6Е0,7, а при режиме увлажнения 65 % НВ - 0,2Е0,3, свидетельствуя о более устойчивом и равномерном  обеспечении растений влагой при снижении предполивного уровня увлажнения.

Анализ взаимосвязи процесса влагообмена и развития корневой системы люцерны осуществлен на участках поддержания предполивной влажности почвы на уровне 70Е75 % НВ. Количественная характеристика распределения корней была установлена путем послойных  срезов грунта через 0,1 м монолита 1 х 1 м.  При этом точность опыта составила 3,8 %, что свидетельствует о достоверности полученных данных. Наибольшая масса корней культуры зафиксирована в слое 0 - 0,1 м - до 50,1 % общего содержания их в метровом слое, в слое 0,1 - 0,2 м их уже почти в 2,5 раза меньше - 18 %, в слое 0,2 - 0,3 м - 10,8 %  и в слое 0,3-0,6 м - 12,5 %.  Таким образом,  в наших опытах при оптимальном уровне поддержания влажности почвы (70Е75 % НВ)  91,7 % корней люцерны было сосредоточено в слое

0 - 0,6 м.

В пятой главе  показано, что в водном питании растений участвуют два основных вида почвенной влаги по степени ее доступности корневым системам:  динамически доступная, передвигающаяся в виде капиллярных тонков, и статически доступная,  которая используетнся растением только при непосредственном контакте корневой системы с ее источнником.

Принято считать, что наибольшее количество продуктивной влаги может быть аккумулировано почвой, фракционный состав которой представлен агрегатами размером 10Е0,25 мм. Очевидно,  в этой фракции содержится основная часть статически доступнной растениям воды. По этому показателю чернонземы значительно превосходят другие почвы и могут быть эталоном, к которому нужно стремиться при проведении мероприятий по глубокому рыхлению почвенного профиля. Анализ содержания капиллярной влаги в других почвах показал, что чем плодороднее почва, тем меньше содержится в ней воды, способной передвигаться в винде капиллярных токов, тем выше эффективность ее использования при регулировании водного питания растений.

Основным источником увлажнения почвы в лесостепной, степной и сухостепной зонах являются атмосферные осаднки, а орошение выполняет функцию дополнительного увлажнения. Для решения задач по разработке ресурсосберегающих технологий орошения  глубокое механическое рыхление почвы надо рассматривать как прием, направленный на повышение эффективного использования атмосферных осадков как летнего, так и зимнего периодов. 

Анализ данных, полученных при проведении настоящих исследований, и другими авторами, свидетельствует о том, что влагонакопительный  эффект глубокого рыхления увеличивается по мере возрастания аридности климата. В метеорологических условиях степной зоны, благодаря формирующимся за осенне-зимне-весенний период продуктивным запасам влаги в разрыхленном слое почвы, можно сместить сроки первого полива к середине вегетационного периода и при возделывании многолетних культур получить к первому укосу полноценный урожай трав. При расчете режимов орошения сельскохозяйственных культур необходимо учитывать этот эффект и величину оросительной нормы (М, м3/га) рассчитывать по формуле:

М = Е гр  - (Wз + Wл) g ,  (1)

где  Егр Ц эвапотранспирация с орошаемого поля с глубокоразрыхленными почвами, м3/га;  Wз  - продуктивный запас влаги в расчетном слое почвы на начало вегетационного периода, м3/га; Wл  - продуктивные запасы влаги, формирующиеся за счет атмосферных осадков летнего периода, м3/га;  g Ц влагоперенос на нижней границе расчетного слоя, м3/га.

Осадки зимнего и летнего периодов не в полном объеме поступают на формирование продуктивных влагозапасов в почве: часть их испаряется с поверхности почвы и растений, другая перераспределяется в виде поверхностного стока в понижения, где инфильтруется за пределы корнеобитаемого слоя или орошаемого поля. Поэтому в расчеты необходимо вводить  поправку на использование атмосферных осадков. Поправочный коэффициент - величина переменная и зависит от суммы атмосферных осадков за рассматриваемый период,  для осенне-зимнего периода она меньше, чем для летнего. Анализ экспериментальных данных определения влагозапасов на начало вегетационного периода и сумм осадков за холодный период, а также водобалансовых наблюдений на орошаемом поле с глубоко-разрыхленной почвой позволил установить  численные значения коэффициентов для степной зоны. В первом приближении зависимость коэффициента эффективного использования осадков зимнего периода (з) от их количества (Рз, мм) можно описать уравнением линейной регрессии: 

  з  =  Сз Ц  Аз Рз.  (2)

Уравнение действительно для диапазона изменения суммы осадков за зимний период в пределах: 50 мм Рз    200 мм.  Коэффициент эффективного использования осадков вегетационного периода (л) также имеет линейную зависимость от суммы выпавших осадков (Рл, мм):

  л  =  Сл  - Ал Рл.  (3)

Уравнение действительно для диапазона изменения сумм осадков за вегетационный период в пределах:100 мм   РЛ  400 мм. Количественные значения коэффициентов регрессий  (А и С) с  соответствующими индексами в уравнениях (2) и (3)  получены при коэффициентах корреляции больше  0,93, что свидетельствует о сильной корреляционной зависимости между изучаемыми факторами.

С учетом этих коэффициентов продуктивные запасы влаги (Wз, мм) на начало вегетационного периода равны:

  Wз=  αз Рз, (4)

а в пределах вегетационного периода (Wл, мм): 

Wл= αл Рл.  (5)

Подставив в уравнения (4) и (5) значения коэффициентов, полученные по зависимостям (2) и (3), имеем:

  Wз  = Сз Рз - Аз Рз2 и  (6)

  Wл  = Сл Рл -  Ал Рл2.  (7)

Эффективность использования атмосферных осадков в значительной степени зависит от эвапотранспирации на глубокоразрыхленных почвах, что связано не только с увеличением биологической массы растения, но и с доступностью ему почвенной влаги,  нижний уровень которой определяется агрономически ценными макроагрегатами  размером 0,25Е10,0 мм.

Глубокое механическое рыхление почвы оказывает существенное влияние не только на структуру почвы и ее агрегатный состав указанного размера, но и  на содержание других фракций, которые определяют формирование влагозапасов и их доступность растению. Оценка последействия структурных мелиораций осуществлялась по дифференциальной пористости (методика А. А. Роде, 1965)  на капилляриметрах. Влага из образцов почвы удалялась дифференцированно по диапазонам (ступеням) разряжения. В  процессе проведения лабораторных исследований  установлено, что отток влаги из образцов почвы поверхностного тридцатисантиметрового слоя на разрыхленных участках увеличился при  разряжении 0,01 МПа  на 27,4 %,  а  суммарный -  на 20,1%.  При этом наблюдалось  смещение верхнего предела влагоемкости почвы в сторону увеличения  по наименьшей  влагоемкости (f нв)  на  4,7 %, а по  капиллярной  влагоёмкости (f кв)  - на  16,8 %.  Некоторое увеличение капиллярной  влагоемкости  объясняется увеличением пор  диаметром 100 - 30  мкм,  которое  характеризуется соотношением  1 : 1,13. Увеличение капиллярной и снижение наименьшей влагоемкости сопровождается увеличением на 20 % продуктивных влагозапасов. При сравнении этих характеристик водоудерживающей способности почвы для разрыхленного поверхностного слоя и для неразрыхленных подстилающих горизонтов эти соотношения более значимы. Так,  отток влаги до наименьшей влагоемкости  из образцов горизонтов ненарушенной структуры меньше на 46,7 %. Значительно ниже и абсолютные значения характеристик: капиллярная влагоёмкость меньше на 8,7 %,  а наименьшая влагоемкость больше  на 5,4 %. Изменение наименьшей и капиллярной влагоемкостей сопровождалось соответствующим изменением продуктивных запасов влаги,  что,  в  свою очередь,  отражалось на условиях роста растений, поливном режиме и в целом на эффективности орошения. 

Изучение количественных соотношений между водообеспечением культуры водой, ее урожайностью и эффективностью использования водных ресурсов было начато автором в 1974 г.  Первые эксперименты были заложены в условиях юга Центральных Каракумов при возделывании кукурузы и люцерны на эоловых песках, а затем (1990 - 1991 гг.) продолжены на юге Западной Сибири - люцерны на орошаемых разрыхленных (на 0,5 м) южных черноземах (В.П. Максименко, 1986;  В.П. Максименко и А.Б. Балкизов, 1993, 2000). Методикой исследований предусматривалось определение влияния предполивного  уровня влагозапасов в расчетном слое почвы на формирование биологической массы культур, эвапотранспирацию с орошаемого поля и эффективность использования водных ресурсов при орошении дождеванием. Изучение элементов водного баланса осуществлялось с помощью больших лизиметров, заряженных почвой  естественного сложения. Дневная поверхность лизиметра составляла 0,785 м2 , высота монолита - более 2 м. Контроль за влажностью почвы велся с использованием нейтронных влагомеров. Эксперименты позволили выявить количественное соотношение между суммарным испарением за вегетационный период и урожайностью культур. В первых опытах с кукурузой (1974 г.) увеличение урожайности с 45,9  до 65,3 т/га сопровождалось изменением суммарного испарения  соответственно  с 10200 до 16040 м3/га. В 1976 г. при формировании зеленой массы кукурузы в 42,0 и 65,6 т/га израсходовано 6000 и 10330 м3/га. Аналогичные изменения наблюдались и в последующих опытах с люцерной, когда увеличение урожайности с 73,0 до 105,7 т/га соответствовало увеличению суммарного испарения с 8600 до 13660 м3/га. Затраты воды существенно отличались как для одной и той же культуры в разные по метеорологическим условиям годы, так и в зависимости от ее вида.

По существующим методикам многими авторами эта зависимость аппроксимировалась линейными уравнениями. Однако анализ удельных затрат воды на единицу продукции, характеризующих комфортность произрастания культуры в изменяющихся условиях водного питания, свидетельствует о том, что они сохраняли тенденцию уменьшения с увеличением уровня увлажнения до определенного предела, а затем вновь начинали увеличиваться. Такой характер связи  отражает тот факт, что условия произрастания растений при принятых возрастающих уровнях водообеспечения были неодинаковыми. Судя по имеющимся изменениям,  в установленном диапазоне предполивных влагозапасов было как недостаточное, так и избыточное обеспечение растений влагой. Поэтому утверждать, что между изучаемыми факторами существует линейная зависимость,  не совсем корректно.

В работах С. К. Колотовой (1931), В. Р. Вильямса (1946), А. Н. Костякова (1961), С. И. Долгова (1969) показано, что действие воды на развитие растений протекает по волнообразной кривой. Анализ полученных экспериментальных данных относительно удельных затрат  воды на единицу продукции также свидетельствует о нелинейной зависимости между изучаемыми факторами. В связи с тем что орошение применяется с целью получения планируемой урожайности сельскохозяйственных культур, нами выполнен регрессионный анализ зависимости урожайности культур от уровня их влагообеспечения, а также зависимости удельных затрат воды на единицу продукции от суммарных затрат воды,  использованных для получения планируемой  продуктивности  культур. Расчеты, выполненные в абсолютных значениях,  позволили аппроксимировать зависимости квадратичными уравнениями типа:

  Уi  =  c + bWi  -  aWi2  (8)

  и  i  =  c - bWi  +  aWi2,  (9)

где Уi - урожайность сельскохозяйственной культуры, ц/га;  Wi - затраты воды на формирование урожайности сельскохозяйственной культуры (Уi), м3/га; i - затраты воды на единицу продукции, м3/ц;  а, b и c - соответствующие коэффициенты. Их значения изменяются в зависимости от вида культуры, напряженности метеорологических и почвенных условий, то есть в каждом конкретном случае они будут разные. Чтобы выявить влияние только водного фактора на развитие растений, нами за критерий оценки был выбран вариант с наименьшими затратами воды на единицу продукции. Значения суммарного водообеспечения и урожайности культуры в других вариантах оценены по отношению к значениям выбранного оптимального варианта. По полученным относительным значениям был выполнен аналогичный регрессионный анализ, который показал, что существует закономерность, в соответствии с которой как для кукурузы, так и для люцерны рассматриваемую зависимость можно аппроксимировать одним квадратичным уравнением: 

  αi  =  0,705  -  0,577ηi  +  0,942ηi2,  (10)

где  αi  =  Wi /  Wopt ; ηi =  Уi / Уopt ; Wi - суммарные затраты воды (м3/га) за вегетационный период с поля,  занятого культурой , и полученной соответствующей урожайностью Уi (ц/га); Wopt - суммарные затраты воды (м3/га), соответствующие урожайности  Уopt (ц/га), сформировавшейся с наименьшими затратами воды  на единицу продукции (i, м3/ц).

Апробация полученной закономерности была продолжена в 1990 - 1991 гг. в  условиях юга Западной Сибири при возделывании люцерны на глубоко-разрыхленных южных черноземах. Как и в предыдущих опытах, наблюдалась четкая тенденция уменьшения суммарного водопотребления при снижении уровня предполивных влагозапасов в почве и увеличения при  росте урожайности.  Наибольшее значение суммарного водопотребления люцерны зафиксировано в варианте с предполивной влажностью почвы 90 % НВ в 1990 г. (10003 м3/га) и на варианте 85 % НВ - в 1991 г. (10219 м3/га), а самое низкое  - на варианте 65 % НВ. Регрессионный  анализ, выполненный  по той же методике, позволил получить типичные кривые, отражающие закономерность изменения урожайности культуры (рис. 6, 1) и затрат воды на единицу продукции (рис. 6, 2) от водообеспечения в абсолютных (рис.6, а) и относительных значениях (рис. 6, b):

  ηi  =  - 3,38 + 7,16αi  - 2,84αi2 ; rух  = 0,91. (11)

i  = 3,11  Ц  3,57i + 1,56i2;  rух  = 0,89.  (12)

Анализ данных и полученных зависимостей показал, что основным ограничивающим критерием оптимизации водного режима глубокоразрыхленных южных черноземов следует считать урожайность сельскохозяйственной культуры, достигаемую при поддержании предполивной влажности  на уровне 70Е75 % НВ. Режим орошения, ориентированный на поддержание такого уровня влажности почвы,  обеспечивает наименьшие затраты воды на единицу продукции, расход оросительной воды  снижается  на 10Е20 %, а  урожайность  сельскохозяйственных культур  уменьшается лишь  на 4Е8 % по сравнению с максимально возможной.

Уравнения (10, 11 и 12) действительны в пределах 0,7 ≤  α ≤ 1,5 и 0,6 ≤  η ≤  1,3. При этих граничных условиях для расчета режима орошения можно использовать следующие зависимости:

Зависимость суммарного водопотребления от урожайности культуры:

  i = С - Bi + Ai2, (13)

где  i = Eуi/Eopt; i = Уi /Уopt;  Еуi - суммарное водопотребление при урожайности Уi, м3/га; Еopt -  суммарное  водопотребление  при  урожайности Уopt (ц/га), соответствующей наименьшим затратам воды на единицу продукции, м3/га; зависимость урожайности культуры и затрат воды на единицу продукции от водообеспечения:

i = C + Bbi - Abi2, (14)

  di = Cd - Bdbi + Adbi2, (15)

где  bi=Wi/Wopt; di=ei/eopt; Уi - урожайность (ц/га), соответствующая водообеспечению Wi (м3/га); Уopt - урожайность (ц/га), соответствующая водообеспечению Wopt (м3/га) при минимуме затрат воды на единицу продукции, получена при поддержании оптимального уровня предполивной влажности почвы в слое активного влагообмена; еi - затраты воды на единицу продукции (м3/ц), соответствующие водообеспечению Wi; еopt  - минимальные затраты воды на единицу продукции, полученные при изменяющемся уровне водообеспечения на фоне  равенства других факторов жизни растений.  A, B и C  - корреляционные коэффициенты (с соответствующими индексами),  определяемые для почвенно-климатического региона. В случае их отсутствия можно использовать методику расчета оросительной нормы (Мi), устанавливаемой на основе водного баланса по формуле:

M = Eгр - ΔW + H + q, (16)

Рис. 6. Зависимость урожайности культуры (1) и затрат воды (2) на единицу продукции от водообеспечения (W) в абсолютных (a) и относительных (b) единицах

где ΔW  -  продуктивные запасы влаги  в расчетном слое почвы,  м3/га; Н - атмосферные осадки, м3/га;  +q - влагообмен  на  нижней  границе расчетного слоя почвы, м3/га;  Eгр  = Кopt η Е0 - эвапотранспирация с поля с глубоким рыхлением почвы, м3/га;  Ео - рассчитывается по методике Н.В. Данильченко с соавторами (2000), м3/га ; Кopt Ц коэффициент, учитывающий необходимость снижения затрат воды для обеспечения водного режима почвы, при котором достигаются минимальные затраты воды на единицу продукции;  η  -  коэффициент, учитывающий изменение  потока влаги из разрыхленной почвы и устанавливаемый как отношение эвапотранспирации (Eгр, м3/га) с участков глубокого рыхления почвы к эвапотранспирации (Eп, м3/га) с участков районированной технологии подготовки почвы:

  η = Eгр / Eп . (17)

Коэффициент (η) является интегральным показателем и, учитывая влияние глубокого рыхления почвы, в значительной степени зависит от биологических особенностей культуры и фазы ее развития:

  η =  f (C),  (18)

где C  -  показатель, учитывающий фазу развития культуры, устанавливается как отношение  τi / T; τi  -  продолжительность периода от посева до даты определения суммарного испарения, сут.; T - продолжительность вегетации сельскохозяйственной культуры, сут.

В диссертации приведены значения коэффициентов для почвенно-климатического региона южных черноземов, полученные водобалансовыми исследованиями  на участках, обработанных рыхлителем РГ-0.5 на глубину 0,5 м. 

Технологические процессы орошения в значительной степени зависят не только от условий формирования водного режима почвы, но и от ее впитывающей способности. Эксперименты  по изучению изменения впитывающей способности почвы проводились одновременно на участках вспашки и глубокого рыхления  деградированных южных черноземов как методом залива площадок, так и моделированием процесса полива дождеванием.  Анализ  кривых изменения водопроницаемости свидетельствует о том, что на участках, не подвергнутых глубокому рыхлению почвы, интенсивность впитывания воды в почву была значительно меньше.  На контрольном варианте скорость впитывания изменялась от 1 мм/мин  в начале затопления до 0,5 мм/мин в конце первого часа наблюдений; стадия фильтрации отмечена после 4 часов опыта и зафиксирована равной  0,39  мм/мин.  На участке под паром скорость впитывания в первый час опытов изменялась от 1,3 до 0,9  мм/мин, через четыре часа опытов составляла 0,6  мм/мин. В то же время на варианте с глубоким рыхлением скорость впитывания в первую минуту была равной 5,8 мм/мин, к концу первого  часа снизилась до 3,73 мм/мин, через четыре часа составила 2,6 мм/мин. Поэтому при прочих равных условиях величина достоковой нормы зависела от структурного состояния почвы. Исследованиями Ю. В. Алферова (1987, 1989) установлено, что на участках глубокого рыхления при поливе дождеванием достоковая норма была больше, чем на участках отвальной вспашки в 1,5, соответственно уменьшаясь к концу вегетационного периода в 2Е2,4 и  2,3Е4 раза. Влияние глубокого рыхления почвы на достоковую норму прослеживается в течение первых двух лет после его проведения.

Шестая глава посвящена анализу результатов опытно-производственной проверки  применения технологии комплексной мелиорации уплотненных деградированных орошаемых южных черноземов юга Западной Сибири. Качественные и количественные зависимости  влияния агротехнических мероприятий и доз органических удобрений на водно-физические и агрохимические свойства почвы, динамику гумуса и продуктивность травостоя культуры-мелиоранта, а также оценка эффективности использования солнечной энергии в получении растениеводческой продукции и повышении плодородия почв определены по данным многофакторного эксперимента.  Апробировались  следующие варианты мелиоративных мероприятий:  I - вспашка на глубину 0,18Е0,22 м (П);  II Ц вспашка, глубокое рыхление РГ-0.5М на 0,4Е0,5 м (ПР); III  -  вспашка, глубокое рыхление РГ-0.5М с внутрипочвенным внесением животноводческих стоков КРС (ПРС); IV Ц вспашка, глубокое рыхление РГ-0,5М, внесение птичьего помета (ПРПП).  На этих фонах размещено шесть вариантов по дозам органических удобрений:  1 - без удобрений;  2 Ц 40;   3  - 60;  4  - 80;  5 - 100  и  6 -  120 т/га перепревшего навоза КРС.  Органические удобрения и птичий помет внесены под основную обработку почвы.  Размещение вариантов с органическими удобрениями  осуществлено рендомизировано в соответствии с рекомендациями Б. А. Доспехова для культур сплошного сева.

Глубокое рыхление и глубокое рыхление с внутрипочвенным внесением животноводческих стоков проведено экспериментальным модернизированным рыхлителем РГ-0.5М. Комплекс за один проход обеспечивает внесение 70Е90 т/га стока с содержанием органики 3Е5 %. В качестве культуры-мелиоранта возделывалась  люцерна сорта Карабалыкская-14. Под эксперименты был выбран типичный участок, на котором поливы осуществлялись ДМ Кубань-ЛК. Учет продуктивности травостоя осуществлялся перед каждым укосом по контрольным площадкам 1х1 м на типичном фоне варианта с одновременным  отбором образцов люцерны на химический анализ. Укосы проводились в фазу бутонизации (начала цветения культуры) комбайном КСК-100. Химические анализы почвы и растений выполнены по стандартным методикам в Кустанайской областной агрохимической лаборатории.

Поливы проводились при снижении влажности почвы в расчетном слое до 70Е75 % НВ. После укосов люцерны полив осуществлялся нормой, обеспечивающей пополнение влагозапасов до уровня наименьшей влагоемкости, что давало интенсивное отрастание травостоя. В первый год возделывания люцерны заданный уровень влажности почвы поддерживался в слое 0,2Е0,5 м,  а в последующие - в слое 0,6 м.  Выбор нижнего уровня предполивной влажности почвы соответствовал минимальным затратам воды на формирование единицы продукции.  Контроль за режимом влажности почвы  осуществлялся нейтронным влагомером ВНП Электроника-1: в течение вегетационного периода в слое почвы 1,0 м, а в начале и конце вегетационного периода - в двухметровом слое.  Регистрация атмосферных осадков и поливных норм осуществлялась с использованием стандартных почвенных дождемеров ГГИ-300, установленных на тех же площадках, где проводились замеры влажности почвы. За начало вегетационного периода в первый год возделывания люцерны принята дата посева, а в последующие годы - переход среднесуточной температуры воздуха через  10 оС. Окончание вегетационного периода определялось также устойчивым переходом среднесуточной температуры воздуха,  равной 10 оС. Суммарная эвапотранспирация устанавливалась балансовым методом. 

Результаты экспериментальных исследований. Анализ данных, полученных в конце третьего года,  свидетельствует о том, что остаточный эффект глубокого рыхления почвы прослеживался до глубины 0,5  м по сравнению с участками обычной вспашки. Наибольшая его величина зафиксирована на участках глубокого рыхления с  внутрипочвенным внесением ЖВС в подпахотном слое почвы (0,3 - 0,4 м), в котором  осредненное значение плотности почвы по фону составило 1438 кг/м3, что ниже, чем на участках глубокого рыхления  (ПР и ПРПП) соответственно на 3,7Е5,3 %. На участках  вспашки плотность почвы сформировалась на уровне 1517 кг/м3. Наибольшее уплотнение зафиксировано в подпахотном горизонте (0,2Е0,3 м), достигнув  к концу третьего года возделывания люцерны 1610 кг/м3. 

Анализ плотности почвы в зависимости от доз органических удобрений показал, что внесение удобрения на участках вспашки  с оборотом пласта  оказывает влияние на структуру ее сложения лишь в поверхностном слое 0 - 0,1 м. Отмечается устойчивая тенденция уменьшения плотности почвы с увеличением дозы органических удобрений.  Регрессионный анализ данных позволил аппроксимировать эту зависимость следующим линейным уравнением: 

0-0,1 =  1484 - 2,9 Д, (19)

где - плотность почвы, кг/м3;  Д - доза органических удобрений (навоза), кг/м2. Коэффициент корреляции r = 0,69  указывает на довольно тесную связь между изучаемыми параметрами.  Уравнение действительно в пределах изменения дозы органических удобрений от 4 до 12 кг/м2.

Регрессионный анализ значений плотности почвы по всем фонам с глубоким рыхлением почвы показал, что наиболее тесная связь между изучаемыми факторами зафиксирована для плотности почвы в слое 0 - 0,3 м.  Зависимость можно представить квадратичным уравнением: 

0-0,3 =  0,000245 Д2 - 0,004968 Д + 1,5265  (20)

Корреляционное отношение (ух, равное  0,79) указывает на тесную функциональную зависимость  0-0,3   от дозы навоза. Заметное снижение плотности почвы прослеживается при внесении до 10 кг/м2  (100 т/га) навоза крупного рогатого скота (КРС), дальнейшее же увеличение дозы не дает видимого эффекта в снижении плотности почвы.

С изменением плотности сложения почвы изменилась ее агрегатная структура, изучение которой проводилось методом сухого просеивания. Структура почвы опытного участка представлена в основном агрегатами диаметром (d) менее 1 мм. В соответствии с классификацией Л. Н. Александровой и О. А. Найденовой (1986)  содержание наиболее агрономически ценной фракции  (d = 3Е1 мм) изменяется в пределах 12,82Е16,64 %.  При таком содержании фракции почву опытного участка пока еще нельзя отнести к оструктуренной. Можно выделить ряд положительных моментов, проявившихся при проведении мелиоративных  мероприятий.  Под воздействием уплотняющих факторов количество глыб (d > 10 мм) увеличилось незначительно -  от 6,10 до 13,42 %,  наибольшее их количество зафиксировано на участке с глубоким рыхлением (ПР). При этом прослеживается  увеличение их на всех фонах в слое 0,3 - 0,5 м: на вспашке (П) это увеличение составило 41,6 %,  на участках глубокого рыхления (ПР)  -  17,9 %, на  участках глубокого рыхления с внесением птичьего помета (ПРПП)  -  5,9 %. В то же время на участках глубокого рыхления с внутрипочвенным внесением животноводческих стоков (ЖВС) произошло уменьшение содержания этой фракции с 10,92  до 8,7 %, в относительных показателях - на 20,3 %. Доля  агрегатов диаметром 10Е3 мм практически на всех фонах увеличилась в подпахотном горизонте с 9,97 до 13,36 %, наибольшие значения  отмечены на  участках со вспашкой. 

Под воздействием комплекса агромелиоративных мероприятий изменяются  агрохимические свойства мелиорируемой почвы, происходит увеличение подвижных форм элементов минерального питания растений и гумуса, то есть факторов, определяющих плодородие почвы (табл. 2).

Наибольший эффект достигнут по накоплению в почве фосфора. Прослеживается довольно тесная зависимость увеличения запасов подвижных форм фосфора при увеличении дозы навоза на всех фонах подготовки почвы. Увеличение дозы внесения органических удобрений с 40 до 120 т/га способствовало повышению содержания фосфора: на участках вспашки (П) - на 84Е257 %; на участках глубокого рыхления (ПР) - на 138Е356%; на участках глубокого рыхления с внутрипочвенным внесением животноводческих стоков (ПРС) -  на 188Е438 % и на участках глубокого рыхления с внесением птичьего помета (ПРПП) - на 155Е366 %,  по сравнению с контрольными  участками на вспашке. Основная масса запасов фосфора сформировалась в поверхностном слое 0 - 0,3 м. В зависимости от доз органических удобрений и способа подготовки почвы доля их в этом слое (от суммы в слое 0 - 0,5 м) составила: на участках вспашки - 69Е87 %; на участках глубокого рыхления - 74Е85 %; на участках глубокого рыхления с внутрипочвенным внесением животноводческих стоков - 72Е87 % и на участках глубокого рыхления и внесения птичьего помета - 73Е87 %; меньшие значения получены на участках без внесения органических удобрений. При общем увеличении запасов подвижного фосфора в почве прослеживается зависимость снижения интенсивности его накопления с увеличением доз органических удобрений на всех фонах подготовки почвы, на участках отвальной вспашки это наиболее выражено. Особый интерес представляют данные по накоплению фосфора в подпахотном слое почвы 0,3 - 0,5 м, где элементы минерального питания находятся как бы в запасниках и доступны для растений по мере развития их корневой системы. В этом слое почвы также прослеживается влияние доз органических удобрений на увеличение подвижных форм фосфора. На участках вспашки этот процесс менее интенсивен, чем при глубоком рыхлении. Наибольший эффект получен на участках с внутрипочвенным внесением ЖВС. 

Аналогичная картина распределения запасов минерального питания в почве наблюдалась по калию и азоту (см. табл. 2), но имела менее выраженный характер,  поскольку содержание фосфора в почве изначально было незначительным. При этом сохраняется та же тенденция снижения эффективности накопления этих элементов минерального питания в почве с увеличением доз органических удобрений и распределения их по почвенному профилю. Глубокое рыхление почвы способствовало  увеличению запасов калия в подпахотных горизонтах.  Наибольший эффект дает глубокое рыхление с внутрипочвенным внесением ЖВС, при котором по сравнению с участками традиционной обработки почвы калия стало  в 1,16Е1,34 раза больше. Изменение запасов азота также тесно связано с глубиной обработки

Таблица 2. Изменение запасов элементов минерального питания растений (кг/га)  и гумуса (т/га) в слое почвы (0 - 0,5 м) под влиянием комплексной мелиорации деградированных южных черноземов

Вариант

Ф  о  н

П

ПР

ПРС

ПРПП

P2O5,

кг/га

P2O5,

%

P2O5,

кг/га

P2O5,

%

P2O5,

кг/га

P2O5,

%

P2O5,

кг/га

P2O5,

%

1

0

-

16,2

29,8

35,2

64,8

28,5

52,5

2

45,9

84,5

75,2

138,3

102,3

188,2

84,1

154,8

3

70,3

129,3

104,6

192,5

140,3

258,1

112,3

206,7

4

94,3

173,5

134,2

246,9

173,2

318,7

137,3

252,6

5

115,8

213,2

163,8

301,5

207,6

382,0

166,0

305,5

6

139,5

257,0

193,3

355,8

238,1

438,2

198,9

366,0

K2O,

кг/га

K2O,

%

K2O,

кг/га

K2O,

%

K2O,

кг/га

K2O,

%

K2O,

кг/га

K2O,

%

1

0

-

136,2

7,9

335,1

19,4

224,5

13,0

2

400,0

23,2

506,7

29,4

830,6

48,2

745,7

43,2

3

620,3

36,0

693.9

40,2

1137,8

66,0

1015,8

58,9

4

842,6

48,9

883,5

51,2

1376,5

79,8

1235,5

71,6

5

1021,8

59,3

1077,9

62,5

1652,4

95,8

1511,6

87,7

6

1233,0

71,5

1264,1

73,3

1872,6

108,6

1834,9

106,4

N, кг/га

N,

%

N,

кг/га

N,

%

N,

кг/га

N,

%

N,

кг/га

N,

%

1

0

-

20,5

4,5

62,4

13,6

53,4

11,7

2

13,3

2,9

41,6

9,1

87,1

19,0

93,1

20,3

3

25,6

5,6

53,3

11,6

112,3

24,5

114,8

25,1

4

38,3

8,4

65,3

14,3

124,0

27,1

127,1

27,7

5

41,8

9,1

78,9

17,2

143,2

31,3

150,4

32,8

6

51,7

11,3

90,5

19,8

152,0

33,2

181,8

39,7

G,

т/га

G,

%

G,

т/га

G,

%

G,

т/га

G,

%

G,

т/га

G,

%

1

0

-

14,3

12,2

29,2

24,9

16,8

14,4

2

1,9

1,7

20,0

17,1

36,8

31,4

23,5

20,1

3

4,5

3,9

23,1

19,7

44,4

37,9

27,5

23,5

4

6,9

5,9

26,6

22,7

47,9

40,9

29,0

24,7

5

7,2

6,2

30,1

25,7

53,5

45,6

33,3

28,4

6

9,2

7,8

33,3

28,4

56,4

48,1

39,7

33,8

почвы и дозами органических удобрений.  Наибольший вклад в формирование запасов этого элемента минерального питания растений отмечен на участках глубокого рыхления с внутрипочвенным внесением ЖВС, обеспечивающий в подпахотном слое 0,3 - 0,5 м его увеличение по сравнению с участками вспашки в 1,20Е1,26 раза.

Под воздействием агромелиоративных мероприятий произошли  существенные изменения и в формировании запасов гумуса (см. табл. 2). Кроме положительного влияния доз навоза на накопление гумуса в почве, его увеличение прослеживается и на всех вариантах с глубоким рыхлением почвы как в пахотном, так и в подпахотном слоях. Наибольшего значения эти изменения достигли на участках глубокого рыхления с внутрипочвенным внесением животноводческих стоков. На этих участках по сравнению со вспашкой в слое 0 - 0,5 м увеличение гумуса произошло в 1,25Е1,37 раза, в подпахотном же слое (0,3 - 0,5 м) - в 1,39Е1,49 раза.  В целом по всем фонам и вариантам на участках глубокого рыхления внесение органических  удобрений  более эффективно повышает плодородие мелиорируемых почв, особенно с  внутрипочвенным внесением ЖВС.

Улучшение агрохимических свойств почвы способствовало соответствующим изменениям в  продуктивности травостоя люцерны как интегрального показателя плодородия почв. По сравнению с урожайностью культуры на участках  вспашки глубокое рыхление почвы с внутрипочвенным внесением  ЖВС способствовало увеличению продуктивности травостоя культуры в первый год жизни на 26,3, во  второй - на 53Е56  и на третий год - 15Е24 %.

Необходимо отметить, что наибольшая интенсивность прироста урожайности люцерны отмечалась на участках глубокого рыхления почвы без применения органических удобрений (вариант 1), здесь прирост биологической массы на всех трех фонах с глубоким рыхлением  составил 24Е31 % (табл. 3).  С внесением навоза эффект глубокого рыхления сглаживался за счет роста продуктивности травостоя культуры на участках вспашки.  В то же время на участках глубокого рыхления с внутрипочвенным внесением ЖВС валовой сбор зеленой массы люцерны на всех вариантах внесения навоза был больше на 16Е31 % по сравнению с участком отвальной вспашки. Объяснить рост продуктивности травостоя культуры можно проявлением процессов синергизма, обусловленных более  мощным рыхлым слоем почвы и дополнительно внесенными питательными элементами вместе со стоком.  Для установления эффекта от их внесения проведено сравнение данных, полученных на варианте вспашки, глубокого рыхления с внутрипочвенным внесением животноводческих стоков (ЖВС), с данными варианта вспашки и глубокого рыхления (ПР), что позволило выявить эффект, получаемый от внесения ЖВС, который колебался по вариантам от 4,1 % до 22,3 %. Практически общий эффект от внесения ЖВС и глубокого рыхления почвы был получен в равных долях: при средней величине общего эффекта 22,1 %, доля  от  внесения ЖВС составила 11,5 %. Особый интерес представляет сравнение продуктивности люцерны на варианте вспашки  без органических удобрений  с вариантами внесения органических удобрений на фоне ПРС, которое позволяет  проследить эффективность,  как мероприятий по внесению органических удобрений, так и глубокого рыхления с внутрипочвенным внесением животноводческих стоков. Бесспорным является то, что последнее обеспечивает по сравнению с районированной технологией возделывания культуры существенную прибавку в урожайности культуры по вариантам: 1 - на  29,7;  2 - на 46,4;  3 - на 64,5;  4 - на 67,3;  5 - на 78,1 и 6 - на 88,9 % (табл. 3).  Рост урожайности культуры прослеживается и на фоне внесения птичьего помета (ПРПП):  по сравнению с вариантами вспашки (П) увеличение продуктивности травостоя культуры составило 3,2Е31,0 % (12,9%), или в абсолютных значениях - 0,32Е2,09 кг/м2 (1,16 кг/м2), что в пересчете на единицу производственной площади - 3,2Е20,9 т/га (11,6 т/га); ежегодный прирост в среднем - 3,87 т/га зеленой массы. 

Таблица 3. Суммарная продуктивность травостоя люцерны за три  года возделывания (кг/м2)  в зависимости от агротехнических приемов обработки почвы

Вариант

Ф  о  н

П

ПР

ПРС

ПРПП

Уп,  кг/м2

У,

%

Упр,  кг/м2

Уп-пр,

%

Упрс,  кг/м2

Уп-прс,

%

Упр-прс,

%

Упрпп,  кг/м2

Уп-прпп,

%

1

6,76

-

8,43

24,7

8,77

29,9

4,1

8,85

31,0

2

8,49

-

8,97

5,7

9,90

16,7

10,4

9,95

17,3

3

9,20

-

9,10

-1,1

11,12

20,9

22,3

10,15

10,3

4

9,77

-

10,87

11,2

11,31

15,8

4,1

10,82

10,7

5

10,05

-

10,79

7,4

12,04

19,8

11,5

10,37

3,2

6

9,72

-

10,94

12,5

12,77

31,3

16,7

10,83

11,4

Ср.

9,00

-

9,85

9,5

10,99

22,1

11,5

10,16

12,9

НСР05

1,29

-

1,19

-

1,52

-

-

0,77

-

Внесение твердых органических удобрений сопровождалось увеличением продуктивности травостоя люцерны на всех вариантах, однако эта зависимость носит нелинейный характер: с увеличением дозы органических удобрений эффективность их снижается. Для определения дозы органических удобрений, обеспечивающей максимум прироста продуктивности травостоя люцерны, был выполнен регрессионный анализ экспериментальных данных, в результате которого получено уравнение параболы, отражающее эту зависимость:

  У  =  - 0,2 Д2  +  5,83 Д  - 3,46,  (21)

где  У  - приращение (%) продуктивности травостоя люцерны от дозы внесения органических удобрений; Д - доза органических удобрений, кг/м2. Корреляционное отношение  ух  =  0,74 указывает на тесную функциональную зависимость У  от Д.

Доза органических удобрений для почвенно-климатических  условий проведения экспериментальных исследований может быть ограничена 60 т/га навоза КРС, так как дальнейшее ее увеличение ведет к неэффективному использованию культурой органики, при увеличении урожайности люцерны прирост ее продуктивности снижался. Внесение 120 т/га органики увеличило продуктивность травостоя люцерны всего на 2,9 % (по сравнению с вариантом 100 т/га).  На участках с дозой органических удобрений в 60 т/га прирост был наибольшим и составил 7,6 %  по сравнению с предыдущим вариантом (40 т/га).

Применение рассмотренного комплекса мелиоративных  мероприятий обеспечивает в течение трех лет формирование более высокого уровня  плодородия деградированных южных черноземов за счет увеличения запасов элементов минерального питания и гумуса (на одну-две градации) по сравнению с традиционной технологией обработки почвы. В природно-хозяйственных условиях региона есть возможность реально увеличить продуктивность травостоя культуры в 1,3Е1,9  раза. 

В седьмой главе дана оценка эффективности предлагаемых комплексных мелиораций  методом энергетического баланса, в котором приходная часть состоит из аккумулированной энергии в измененных запасах гумуса, основных элементов минерального питания растений (подвижные формы фосфора, калия и азота),  в приросте урожайности люцерны, а расходная - из затрат энергии на реализацию технологических процессов мелиорации почв и транспортировку дополнительно полученной продукции.  Расходная часть энергетических затрат оценена в соответствии с Методическими рекомендациями по оценке топливно-энергетических затрат на выполнение механизированных процессов в растениеводстве (В.А. Токарев с соавт., РАСХН, 1985) и учитывает дополнительные затраты, связанные не только с проведением комплексных мелиораций, но и с доставкой дополнительно полученных объемов продукции. Энергетические показатели по  элементам районированных технологических процессов приняты постоянными, что позволяет их не учитывать в общем оценочном балансе, а выделить лишь те, которые ранее не учитывались при обосновании проекта орошения, в котором для полива использовалась ДМ Кубань-ЛК.  Обработка почвы осуществлялась с оборотом пласта на глубину 0,18Е0,22 м  серийно выпускаемым плугом, посев и уход за посевами проводился по районированной технологии на всех вариантах эксперимента.

В приходной части энергетического баланса (Эпр, ГДж/га) представлены значения аккумулированной энергии в приросте биологической массы культуры (ΔQкор), в измененных запасах гумуса (ΔQг) и элементах минерального питания (ΔQэмп) растений в почве: 

Эпр = ΔQкор + ΔQг  +  ΔQэмп  (22)

Содержание энергии в дополнительно полученной продукции (ΔQкор) рассчитано как произведение валового содержания энергии (ВЭ) в корме и прироста урожайности (ΔУ), полученного за счет проведенных мероприятий (в кг сухого вещества), по методике Н.Г. Григорьева (1987). Результаты определений валового содержания энергии (ВЭ) в килограмме сухого вещества люцерны по вариантам показали, что варьирование этого показателя несущественно. 

Аккумулирование запасов энергии в дополнительно полученной продукции по вариантам опыта тесно связано с увеличением продуктивности травостоя люцерны. На участках вспашки запасы энергии к шестому  варианту по дозам внесения навоза возросли до 196 ГДж/га, но были значительно меньше, чем на участках глубокого рыхления. Глубокое рыхление почвы при тех же дозах органических удобрений обеспечивало увеличение запасов энергии на варианте ПР  67Е256, на варианте ПРС Ц 101Е324 и на варианте ПРПП Ц 95Е249 ГДж/га. Наибольший эффект по аккумулированию энергии получен на участках глубокого рыхления почвы с одновременным внесением животноводческих стоков. На первом варианте, где не вносились органические удобрения,  прирост запасов энергии достиг 101 ГДж/га. Аккумулированные запасы энергии в дополнительно полученной продукции по шестому варианту на участках глубокого рыхления, глубокого рыхления почвы с внутрипочвенным внесением животноводческих стоков и глубокого рыхления почвы с внесением птичьего помета были больше по сравнению с участками отвальной вспашки, соответственно  на 31,1; 65,6 и 27,2 %.

Оценка изменения запасов энергии в гумусе (ΔQг) осуществлена по методике Д. С. Орлова и Л. А. Гришиной (1981). Количество энергии, аккумулированное в измененных запасах гумуса, установлено с учетом полученных распределений значений плотности  почвы в слое 0 - 0,5 м.  На участках вспашки аккумулирование энергии в гумусе тесно связано с дозами органических удобрений и продуктивностью люцерны. Тенденция сохраняется и на участках глубокого рыхления, однако по абсолютным значениям есть существенное  отличие. Наибольшее количество энергии аккумулировано в гумусе на участках глубокого рыхления с внутрипочвенным внесением животноводческих стоков: увеличение запасов энергии составило 631Е1220 ГДж/га, что больше, чем на участках с районированной технологией обработки почвы, в 6Е19 раз. Внесение птичьего помета положительно отразилось на всех шести вариантах по сравнению с накоплением энергии в гумусе на участках глубокого рыхления (ПР).

Приходная часть аккумулированной энергии в измененных запасах элементов минерального питания растений рассчитывалась в соответствии с Инструкцией и нормативами по определению экономической и энергетичеснкой эффективности применения удобрений.  Изменение запасов энергии, аккумулированной в подвижных формах азота, имеет четкую тенденцию увеличения в зависимости  от доз органических удобрений и глубокой обработки почвы с внесением внутрипочвенно животноводческих стоков. Запасы аккумулированной энергии в подвижных формах фосфора также тесно согласуются с дозами органических удобрений: чем больше доза, тем больше прирост энергии. При этом на участках глубокого рыхления почвы эффективность связывания ее в почвенном поглощающем комплексе выше в 1,44Е1,85 раза. В измененных запасах энергии, аккумулированной в подвижных формах калия, сохраняется та же тенденция, что для фосфора и азота. Однако в силу того, что уровень обеспечения почв калием был высоким, относительные изменения под влиянием глубокого рыхления не столь значительны.  На участках глубокого рыхления произошло увеличение запасов энергии в этом элементе, соответственно  вариантам ПР, ПРС и ПРПП в 1,08;  1,67 и 1,54 раза.  Анализ суммарных изменений запасов энергии, аккумулированной в подвижных формах основных элементов питания растений, показал, что  под воздействием мелиоративных мероприятий произошло их увеличение  от 5 до 33 ГДж/га.  Наибольший эффект достигнут при мелиорации почв путем глубокого рыхления и внутрипочвенного внесения животноводческих стоков.

Сравнение рассмотренных вариантов  мелиорации почв позволило выявить их потенциальные возможности связывания приходящей лучистой энергии в сформировавшейся биологической массе культуры-мелиоранта и плодородии почв. Самый низкий уровень реализации возможностей культуры-мелиоранта отмечен на участках отвальной вспашки. Приходная часть запасов энергии на этих участках не превышала 411 ГДж/га при дозе внесения навоза КРС 120 т/га. В то же время проведенная глубокая обработка почвы на участках без органических удобрений способствовала аккумулированию энергии от 207 (ПР) до 741 ГДж/га (ПРС). Распределение запасов аккумулированной энергии по вариантам внесения навоза и обработки почвы представлено на диаграмме (рис.7).

Рис. 7. Диаграмма распределения приходной части аккумулированной энергии по вариантам опыта с дозами внесения навоза КРС (1-6) на разных фонах обработки почвы:  - вспашка на 0,18Е0,22 м; -  вспашка и глубокое рыхление на глубину 0,5 м;  - вспашка. глубокое рыхление, внесение  птичьего помета;

  - вспашка, глубокое рыхление с внутрипочвенным внесением животноводческих стоков

Расходная часть антропогенной энергии на проведение комплексных мелиораций  включала:  затраты энергии живого труда; прямые затраты энергии топлива; затраты энергии на средства механизации с учетом потребностей на их реновацию, ремонт и техническое обслуживание;  затраты энергии на производство органических удобрений;  затраты энергии на  транспортировку увеличившихся объемов растениеводческой продукции.  Анализ затрат энергии осуществлен по удельным показателям на гектар мелиорированной площади в соответствии с Ментодическими рекомендациями по оценке топливно-энергетических затрат на выполнение механизированных процессов в растениеводстве (В.А. Токарев с соавт., 1985):

  Эз =  (Эж +  Эт +  Эм +  Эу +  Эп ) * Тэ, (23)

где  Эж - затраты энергии живого труда, ГДж/га;  Эт - прямые затраты энергии топлива, ГДж/га; Эм - затраты энергии на реновацию, ремонт и техническое обслуживание средств механизации, ГДж/га; Эу - затраты энергии на производство удобрений (в данном случае на производство органических удобрений), ГДж/га; Эп - затраты энергии на транспортировку дополнительной продукции с поля, ГДж/га; Тэ - затраты времени на обработку единицы площади (га), ч.

Для комплексных мелиораций,  проводимых дополнительно к районированной технологии, потребовалось использовать четыре технологических комплекса, оценка которых по затратам энергии  произведена раздельно:  внесение твердых органических удобрений (навоза); глубокое рыхление без оборота пласта; глубокое рыхление с внутрипочвенным внесением животноводческих стоков; уборка и транспортировка дополнительных объемов продукции с мелиорируемого поля. Суммарные затраты энергии на производство дополнительной продукнции приведены в таблице 4.

Таблица 4. Суммарные затраты энергии (ГДж/га) на проведение агромелиоративных мероприятий

Вариант

Статья затрат

1

2

3

4

5

6

П

Эж

0

1,959

2,659

3,481

4,227

4,957

Эм

0

7,769

11,113

14,693

18,128

21,528

Эт

0

20,190

28,094

36,972

45,120

53,024

Эу

0

16,800

25,20

33,600

42,000

50,400

Итого

0

46,718

67,066

88,746

109,475

129,909

ПР

Эж

0,329

1,903

2,754

3,824

4,432

5,243

Эм

1,027

8,054

11,690

15,750

18,917

22,475

Эт

7,114

23,897

33,018

43,843

50,774

59,408

Эу

0

16,800

25,200

33,600

42,000

50,400

Итого

8,470

50,654

72,662

97,017

116,123

137,526

ПРС

Эж

0,980

2,695

3,681

4,371

5,248

6,059

Эм

7,125

14,423

18,321

21,646

25,332

28,890

Эт

26,224

44,710

55,048

62,953

72,074

80,709

Эу

0

16,800

25,200

33,600

42,000

50,400

Итого

34,329

78,628

102,250

122,570

144,654

166,058

ПРПП

Эж

0,799

2,439

3,239

4,108

4,753

5,560

Эм

2,931

10,086

13,624

17,295

20,532

24,084

Эт

11,675

29,430

37,822

47,800

54,360

62,995

Эу

0

16,800

25,200

33,600

42,000

50,400

Эуп*

4,200

4,200

4,200

4,200

4,200

4,200

Итого

19,605

62,955

84,085

106,389

125,845

147,239

*Примечание:  Эуп  - затраты энергии на производство органических удобрений на основе птичьего помета.

Наибольшие суммарные затраты энергии (до 166 ГДж/га) были при  реализации технологии  глубокого рыхления с внутрипочвенным внесением животноводческих стоков. В структуре этих затрат прямые затраты по топливу составили больше половины -  51,4 %.  Существенны и затраты энергии,  связанные с внесением навоза,  они достигают 27,4Е38,0 %. В этих затратах наибольшая величина характерна для районированной технологии обработки почвы (вариант П), наименьшая - для варианта глубокого рыхления с внутрипочвенным внесением животноводческих стоков (вариант ПРС).  А затраты энергии  живого труда не превышают  3,6Е3,9 %, что свидетельствует о высоком уровне механизации технологических процессов.

Эффективность затрат антропогенной энергии оценивалась  по коэффициенту энергетической эффективнности (Кэ),  рассчитываемому в соответствии с методическим положением энергетической оценки эффективности проводимых мероприятий  и нормативным документом Инструкция и нормативы по определению экономической и энергетической эффективности применения удобрений (1987).

Потенциальные возможности традиционной системы земледелия, ориентированного на использование органического удобрения и обработку  почвы с оборотом пласта на глубину 0,18Е0,22 м, ограничиваются  коэффициентом энергетической эффективности  3,2Е3,9 ГДж/ГДж,  что согласуется с данными, полученными для рекомендуемых севооборотов с бобовой культурой.  Глубокое рыхление почвы на глубину 0,5 м при тех же мероприятиях позволяет интенсифицировать процесс восстановления плодородия почв  и довести эффективность затрат антропогенной энергии по коэффициенту энергетической эффективности до 7,3Е8,8. Внутрипочвенное внесение животноводческих стоков при глубоком рыхлении позволяет увеличить коэффициент энергетической эффективности  до 9,5Е12,6, что выше по сравнению с традиционными технологиями в 3Е3,2 раза.

Необходимо отметить, что эффективность антропогенных затрат энергии снижается с увеличением дозы органических удобрений на всех фонах обработки почвы. Анализ полученных данных, с учетом мелиорирующего действия органических удобрений на глубокоразрыхленных почвах,  показал,  что дозу ежегодного их внесения в этом случае можно сократить до 20 т/га. Тогда коэффициент энергетической эффективности составит:  при районированной технологии обработки почвы (П) - 3,8; при глубоком рыхлении (ПР) - 8,4; при глубоком рыхлении с внутрипочвенным внесением животноводческих стоков (ПРС) - 12,2 и при глубоком рыхлении с внесением птичьего помета (ПРПП) Ц 9,1 ГДж/ГДж. 

В дальнейшем эффективное  использование аккумулированной энергии другими сельскохозяйственными культурами может быть обеспечено последующими разноглубинными обработками мелиорированного при глубоком рыхлении слоя почвы. Такой подход позволит постепенно извлекать из более глубоких слоев почвы, как из запасников, необходимые для сельскохозяйственной культуры элементы минерального питания и биофильные вещества. Для этого нами разработан способ поддержания плодородия почв, предусматривающий разноглубинную обработку почвы между глубокими ее рыхлениями (Патент РФ № 2229780, 2002). 

Экономическая оценка предлагаемого комплекса мелиоративных мероприятий, направленных на интенсивное восстановление деградированных почв на орошаемых землях, осуществлена по стоимости дополнительно аккумулированной электроэнергии за вычетом затраченной при проведении работ. В качестве цены продукции (энергии) принята стоимость электроэнергии, реализуемой сельскохозяйственным предприятиям. Расчетами установлено, что чистый ежегодный доход  на участках отвальной вспашки составил - 25589Е53127 руб./га; на участках глубокого рыхления - 37564Е162395 руб./га; на участках глубокого рыхления и внесения птичьего помета - 84369Е187646 руб./га и на участках глубокого рыхления с внутрипочвенным внесением животноводческих стоков - 133445Е266239 руб./га.  Таким образом, затраты антропогенной энергии при реализации комплекса мероприятий интенсивного восстановления плодородия деградированных уплотненных почв на орошаемых землях, включающих глубокое рыхление с внутрипочвенным внесением животноводческих стоков, по сравнению с традиционными технологиями поддержания их плодородия, эффективнее в 5Е6,7 раза.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Обзор и анализ современного состояния орошаемых земель показал, что на большинстве площадей не обеспечиваются проектные уровни урожайности сельскохозяйственных культур. К основным причинам такого положения необходимо отнести как несовершенство технологий орошения, так и сформировавшийся низкий уровень плодородия почв из-за снижения содержания в них гумуса, разрушения структуры и уплотнения. Одним из направлений в решении этой проблемы может стать технология  интенсивного восстановления плодородия таких почв без вывода земель из оборота на основе комплексных мелиораций, в основу которых положены адаптационные подходы эффективного использования водных ресурсов и биопотенциала возделываемых сельскохозяйственных культур при периодическом глубоком рыхлении мелиорируемых почв.

2. Установлены количественные и качественные показатели влияния глубокого рыхления на условия формирования продуктивных влагозапасов от атмосферных осадков и поливов, которые улучшаются с увеличением дифференциальной пористости почвы и соответствующим увеличением капиллярной влагоемкости до 17 % и снижением наименьшей влагоемкости (влажности разрыва капилляров)  до 5 %, определяющих водный потенциал и доступность влаги растению.  Изменение водоудерживающих характеристик почвы позволяет при осеннем глубоком рыхлении  дополнительно аккумулировать продуктивные влагозапасы в корнеобитаемом слое (начало вегетационного периода) на 20Е30 %  больше,  чем на участках вспашки, и увеличивать норму полива на 10Е15 %.

3.  Установлены закономерности между потребностью растений в воде и их продуктивностью, эвапотранспирацией с орошаемого поля и напряженностью метеорологических условий, уровнем поддержания влажности почвы в слое активного влагообмена и урожайностью культуры на глубокоразрыхленных почвах, в соответствии с которыми определен  верхний допустимый уровень предполивной влажности почвы  70Е75 % НВ. Поддержание такого уровня предполивных влагозапасов при орошении требует минимальных затрат водных ресурсов на единицу продукции, сокращения оросительной нормы  на 10Е20 % по сравнению с затратами воды на  получение максимальной урожайности, при этом фактическая продуктивность снижается лишь на 4Е8 % от максимально возможной.  Рекомендуемый уровень поддержания предполивной влажности глубокоразрыхленной почвы на орошаемых землях целесообразен как с позиций экономии водных ресурсов, так и с позиций микробиологической активности почвы, которая при этом режиме увлажнения в 1,6Е1, 9 раз больше, чем на участках отвальной  вспашки.  Дальнейшее же увеличение влажности не способствует  интенсификации процессов гумификации органики.

4. Разработана методика расчета потребностей сельскохозяйственных культур в оросительной воде при оптимальных режимах орошения на глубокоразрыхленных почвах с учетом влагонакопительного  эффекта  по  использованию атмосферных осадков зимнего (до 30 %) и летнего периодов; увеличения эвапотранспирации  с орошаемого поля в связи с возрастанием на 20Е50 % биологической массы культуры. 

5. Разработана технология глубокого объемного рыхления почв с одновременным внутрипочвенным внесением животноводческих стоков, включающая комплекс механизмов, состоящий из V-образного трехстоечного  рыхлителя, оборудованного системой пассивной и принудительной подачи жидких компонентов в разрыхляемый слой. При агрегатировании рыхлителя с трактором с тяговым усилием 5 т  обеспечивается  качественное разрыхление почвы на глубину 0,5 м за один проход. 

Разработана  методика оценки качества рыхления почвы, основанная на построении вероятностных биноминальных кривых распределения Пирсона III типа, позволяющая проводить мониторинг изменений  значений плотности в проектно заданном мелиорируемом слое почвы и устанавливать продолжительность последействия глубокого рыхления. 

6. При реализации комплекса мелиоративных мероприятий, включающих после глубокого рыхления трехлетний период возделывания люцерны, возможно увеличение основных питательных элементов и гумуса  в корнеобитаемых слоях 0 - 0,3 и 0,3 - 0,5 м, соответственно: фосфора - на 71Е574 и 49Е132;  калия - на 21Е122 и 16Е80; азота - на 10Е34  и 24Е31; гумуса - на 20Е46 и 38Е55 %.  Наибольший эффект достигается при одновременном внесении органических удобрений и глубоком рыхлении и внутрипочвенном внесении животноводческих стоков.

Методом регрессионного анализа установлены зависимости изменения плотности почвы от дозы органических удобрений. На участках отвальной вспашки эффект от их внесения прослеживается только  в поверхностном слое 0 - 0,1 м, в то время как на участках  глубокого рыхления увеличение их дозы ведет к снижению плотности почвы в слое 0 - 0,3 м. В восстановительный период применение комплексных мелиораций позволяет увеличить урожайность  культуры-мелиоранта (люцерны) в 1,9 раза и получить до 10 т к. ед./га качественного корма.

7. Энергетическая оценка эффективности применения комплекса мелиоративных мероприятий показала, что  в зависимости от доз внесения твердых органических удобрений и способа обработки почвы  (за три года), наибольшее количество дополнительно аккумулированной энергии было достигнуто на участках глубокого рыхления с внутрипочвенным внесением животноводческих стоков - 740,8Е1575,6, на участках отвальной вспашки - не более  411,2 ГДж/га. При этом максимальные затраты антропогенной энергии на реализацию этих технологий составили соответственно 166,1 и 129,9 ГДж/га.  В долевых затратах энергии по элементам технологий существенных отличий не отмечено.  Энергетические затраты  от общих затрат по вариантам, приходящиеся на внесение навоза, составляли 27,4Е38,0,  прямые затраты по топливу - 41,5Е51,4,  затраты живого труда не превышали 3,6Е3,9%.

8. Установлено, что интенсифицировать процесс восстановления плодородия почв на орошаемых землях возможно путем их  глубокого разуплотнения, при котором повышается эффективность использования биопотенциала культуры-мелиоранта (люцерны) и органических удобрений, коэффициент энергетической эффективности увеличивается в 7,3Е12,6 раза. Наибольший эффект достигается при глубоком рыхлении с одновременным  внутрипочвенным  внесением животноводческих стоков, коэффициент энергетической эффективности возрастает в 12,6Е9,5 раз.

9. Показано, что стоимость в рублевом эквиваленте дополнительной ежегодно аккумулируемой энергии с учетом цены на ее реализацию для производителей растениеводческой продукции, минимальная на участках отвальной вспашки - 25,6Е53,1 тыс.руб./га  и максимальная при применении технологии глубокого рыхления с внутрипочвенным внесением животноводческих стоков  - 133,4Е266,2 тыс. руб./га. 

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ

1. В производственных условиях восстановление деградированных уплотненных почв на орошаемых сельскохозяйственных угодьях рекомендуется осуществлять путем комплексной мелиорации, включающей глубокое рыхление и возделывание бобовой культуры-мелиоранта (люцерны)  в течение трех лет без вывода земель из оборота.

2. Для обеспечения эффекта, при котором на каждый дополнительно затраченный  ГДж/га антропогенной энергии аккумулируется 8Е12 ГДж/га солнечной энергии в приросте продукции и плодородии почв, необходимы:

- внесение не менее 60 т/га навоза КРС, 10 т/га птичьего помета (при его наличии) и заделка органики в почву отвальной вспашкой на глубину 0,18Е0,22 м;

- реализация глубокого рыхления без оборота пласта на глубину не менее 0,5 м или глубокого рыхления с внутрипочвенным внесением животноводческих стоков  или других органосодержащих материалов  нормой 70Е90 м3/га (внесение внутрипочвенно жидких органосодержащих материалов осуществляется для стимулирования развития корневой системы культуры-мелиоранта); 

- режим орошения сельскохозяйственной культуры-мелиоранта, соответствующий поддержанию предполивной влажности почвы  на уровне 70Е75 % НВ.

3. Для поддержания достигнутого уровня плодородия почв на орошаемых землях в 8-9-польном севообороте глубокое рыхление с внутрипочвенным внесением животноводческих стоков с содержанием 3Е5 % органики  проводится один раз за ротацию. В последующие годы после сведения травостоя культуры-мелиоранта,  то есть на пятый и в последующие годы, обработка почвы осуществляется без оборота пласта с ежегодным углублением на 0,03Е0,05 м, начиная с глубины 0,18Е0,22 м; дефицит баланса поступления органики в почву восполняется ежегодно.

4. Для увеличения эффективности использования атмосферных осадков осенне-зимнего периода до 30 % и снижения затрат оросительной воды на эту же величину глубокое рыхление осуществляется поздней осенью, а закрытие влаги - ранней весной.

5. При выполнении мелиоративных работ весной или в летний период технологический процесс протекает непрерывно с момента внесения органических удобрений на поверхность мелиорируемого участка до посева культуры-мелиоранта. В этом случае обязателен увлажнительный полив перед посевом культуры. 

6. Для обеспечения качественного разрыхления почвы глубокое рыхление осуществляется при оптимальной влажности для крошения почвы, соответствующей  10Е23 %  об.: на тяжелых почвах - при более высоком уровне влажности, на легких почвах - при более низком уровне. 

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК:

1. Казаков, В. С. Технология улучшения структуры уплотненных маломощных черноземов [Текст] / В. С. Казаков, В. П. Максименко, С. А. Ешенкулов // Вестник сельскохозяйственной науки Казахстана. - 1986. - № 5. - С. 19 - 22. 

2. Казаков, В. С.  Технология улучшения водно-физических свойств тяжелых почв на рисонвых оросительных системах [Текст] / В. С. Казаков, В. П. Максименко, С. И. Умирзаков // Вестник сельскохозяйственной науки Канзахстана. - 1988. - № 1. - С. 79 - 82. 

3. Максименко, В. П. Оптимизация режима орошения люцерны в условиях юга Западной Сибири [Текст] / В. П. Максименко,  А. Б. Балкизов // Аграрная наука. Ц  1993. - № 2. Ц  С. 46 - 47. 

4. Максименко, В. П. Водопотребление и продуктивность орошаемой люцерны на юге Западной Сибири [Текст] / В. П. Максименко, Т. Л. Волчкова, А. Б. Балкизов // Мелиорация и водное хозяйство. - 1993. - № 2. - С. 33. 

5. Шумаков, Б. Б.  Эффективность глубокой обработки орошаемых черноземов на юге Западнной Сибири [Текст] / Б. Б. Шумаков, В. П. Максименко, А. В. Бергер // Доклады РАСХН. - 1993. - № 5. - С. 15 - 17. 

6. Шумаков, Б. Б. Выращивание козлятника восточного при орошении в условиях Северного Казахстана [Текст] / Б. Б. Шумаков, В. П. Максименко, А. Н. Бондаренко // Аграрная наука. - 1993.  - № 5. Ц  С. 45. 

7. Максименко,  В. П.  Оптимизация  режима  орошения  люцерны на  южных  черноземах [Текст] / В. П. Максименко, А. Б. Балкизов, Т. Л. Волчкова //  Мелиорация и водное хозяйство. Ц  2000. Ц  №  2. Ц  С. 42 - 44. 

8. Максименко, В. П.  Комплекс машин для глубокого рыхления почвы с внесением животноводческих стоков [Текст] / В. П. Максименко // Тракторы и сельскохозяйственные машины. Ц  2003. - № 10. - С. 11 - 13.

9. Максименко, В. П. Применение многофункционального модифицированного удобрения-мелиоранта при возделывании картофеля [Текст] / В. П. Максименко,  Ю. А. Мажайский, Ю. В. Попова // Плодородие. - 2008. - № 2. Ц  С. 24 - 25. 

10. Максименко, В. П. Комплексная мелиорация почв на орошаемых землях [Текст] / В. П. Максименко  // Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук. - 2009. - № 1. - С. 38 - 40.

11. Максименко, В. П. Химическая мелиорация почв с использованием композитного агрохимиката на углеродной структуре [Текст] / В. П. Максименко, С. Ю. Деев, С. А. Меньшикова // Агрохимический вестник. - 2009. - № 4. - С. 30 - 31. 

12. Максименко, В. П. Интенсификация восстановления плодородия уплотненных почв на орошаемых землях [Текст] / В. П. Максименко // Мелиорация и водное хозяйство. - 2009. - № 5. - С. 24 - 28.

Монография:

13. Максименко, В. П.  Галега восточная - реальность и перспектива [Текст] / В. П. Максименко, А. Н. Бондаренко, Т. Л. Волчкова. - М.: Мещерский филиал ГНУ ВНИИГиМ, 2005. Ц  94 с. - ISBN 5-902446-07-4.

Патенты  на изобретения:

14. Патент №  2229780 Российская Федерация, МПК 7 А 01 В 79/02. Способ мелиорации земель [Текст] / В. П. Максименко, Б. М. Кизяев, П. В. Максименко, Т. Л. Волчкова; Заявитель и патентообладатель Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации Российской академии сельскохозяйственных наук (RU). - № 2002116878/12, заявл.  26.06.2002; Опубл. 10.06.2004. Бюл. № 16. - 6 с.

15. Патент № 2230719 Российская Федерация, МПК 7 С 05 С 9/02. Вспененное карбамидоформальдегидное удобрение и способ его получения [Текст] /  В. М. Мелкозеров, Л. Д. Нагорный, В. В. Олейник, А. Б., Махновецкий, В. П. Максименко, Ю. А. Мажайский, С. Ю. Деев, В. В. Бородычев, С. Б. Адьяев, М. П. Чапланова; Заявитель и патентообладатель ООО Газостройинвест. - № 2003124002; заявл. 04.08.2003; опубл. 20.06.2004, БИПМ № 17. - 8 с.

16. Патент № 2284687 Российская Федерация, МПК А 01 G 25/00. Способ орошения минерализованной водой  [Текст] / О. В. Демкин, Б. М. Кизяев, В. К. Губин, К. В. Губер, И. И. Куйкунов, М. Ю. Храбров, В. П. Максименко, В. И. Канардов, С. Б. Адьяев; Заявитель и патентообладатель Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации Российской академии сельскохозяйственных наук (RU). - № 2005107283/12, заявл. 16.03.2005; Опубл. 10.10.2006.  Бюл. № 28. - 4 с.

17. Патент № 2370935 Российская Федерация, МПК А 01 В 79/02. Способ использования сельскохозяйственных земель, загрязненных тяжелыми металлами [Текст] / В. Н. Буравцев,  Н. Т. Губина, Н. Н. Головатая, Е. А. Котова, В. П. Максименко; Заявитель и патентообладатель Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации Российской академии сельскохозяйственных наук (RU). - № 2008109062/12, заявл. 12.03.2008; опубл.27.10.2009, Бюл. № 30. - 4 с.

Статьи в журналах, тематических сборниках и материалах конференций:

18. Максименко, В. П. Объемное рыхление маломощных черноземов в условиях орошаемого земнледелия [Текст] / В. П. Максименко, Г. В. Шалина, С. А. Ешенкулов // Перспективные способы и техника орошения земель : Сб. науч. тр. ВНИИГиМ.  - М., 1984. - С. 58 - 67. 

19. Максименко, В. П.  К вопросу об управлении водопотреблением кормовых культур при прогнраммировании урожаев в условиях пустыни и песчаных почв [Текст] / В. П. Максименко // Технология орошения и программирования урожая : Сб. науч. тр. ВНИИГиМ.  - М. , 1986. - С. 107 - 112.

20. Максименко, В. П. Регулирование водно-воздушного режима маломощных южных черноземов на орошаемых землях [Текст] / В. П. Максименко,  С. А. Ешенкулов // Технология орошения и программирования урожая : Сб. науч. тр. ВНИИГиМ.  - М., 1986. - С. 101 - 107. 

21. Максименко, В. П.  Резервы повышения эффективности мелиорируемых земель [Текст] / В. П. Максименко // Прендотвращение дефляции на мелиорируемых почвах Сибири : Сб. тезис.  докладов научной конференции 15 - 17 июня 1989 г., посвященной 90-летию со дня рождения Н. В. Орловского. - Абакан: СибНИИГиМ, 1989. - С. 23 - 25.

22. Максименко, В. П. Интенсификация технологических процессов возделывания сельскохонзяйственных культур на орошаемых южных черноземах [Текст] / В. П. Максименко // Эффективнность орошения черноземов : Сб. науч. тр. ВНИИГиМ.  - М., 1988. - С. 107 - 116.

23. Максименко, В. П.  Орошение капусты поздней на глубокоразрыхленных южных черноземах [Текст] / В. П. Максименко,  Е. С. Степанова // Экологическое совершенствование мелиоративных систем : Сб. тезисов  докнладов Всесоюзной научно-практической конференции молодых ученых. - М.: ВНИИГиМ, 1989. - С. 94 - 95. 

24.  Маслов, В. П. Оценка последействия глубокого механического разуплотнения почвы [Текст] / В. П. Маслов, В. П. Максименко, С. А. Ешенкулов // Передовой производственный и научнно-технический опыт в мелиорации и водном хозяйстве, рекомендуемый для внедрения: информационный сборник, вып. 12. - М.: ЦБНТИ Минводхоза СССР, 1989. - С. 6 - 13. 

25. Максименко, В. П.  Технология регулирования водного и теплового режимов почвы на ороншаемых землях [Текст] / В. П. Максименко, Г. В. Шалина, Т. Л. Волчкова // Водосберегающие технологии орошения : Сб. науч. тр. ВНИИГиМ. - М., 1989. - С. 107 - 114. 

26. Шумаков, Б. Б. Пищевой режим и микробиологическая активность орошаемых южных черноземов [Текст] / Б. Б. Шумаков, В. П. Максименко, Е. С. Степанова // Вклад молодых ученых и специалистов в научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве : Сб. тезисов  докладов Межвузовской научно-практической конференции / Киргизский СХИ им. К. И. Скрябина. Часть 1. - Фрунзе: КиргСХИ, 1990. - С. 4 - 6. 

27. Максименко, В. П. Режим орошения люцерны на южных черноземах Северного Казахстана [Текст] / В. П. Максименко, А. Б. Балкизов // Создание мелиоративных систем нового типа : Сб. науч. трудов ВНИИГиМ. - М., 1991. - С. 128 - 131. 

28. Максименко, В. П.  Повышение эффективности глубокого разуплотнения деградированных южнных черноземов [Текст] / В. П. Максименко, А. В. Бергер // Экологические основы орошаемого земледелия : Сб. науч. трудов ВНИИГиМ.  - М., 1994.  - С. 102 - 106. 

29.  Максименко, В. П. Возделывание козлятника восточного - экологически безопасное произнводство высокобелковых кормов на орошаемых землях [Текст] /  В. П. Максименко, Т. Л. Волчкова, А. Н. Бондаренко // Эколонгические основы орошаемого земледелия : Сб. науч. трудов ВНИИГиМ.  - М., 1995. - С. 119 - 123. 

30. Максименко, В. П.  Способ интенсивной мелиорации светло-каштановых почв Калмыкии [Текст] / В. П. Максименко, Т. Л. Волчкова // Мелиорация земель Республики Калмыкия : Сб. науч. трудов Калмыцкого ф-ла ВНИИГиМ. - Элиста: АПП Джангар, 1977. - С. 184 - 190. 

31. Максименко, В. П.  Способы воспроизводства плодородия орошаемых черноземов юга Западной Сибири [Текст] / В. П. Максименко, Т. Л. Волчкова // Современные проблемы мелиораций и пути их решения : Юбилейный сб. науч. трудов ВНИИГиМ. Том 1. - М., 1999. - С. 159 - 165. 

32. Максименко, В. П.  Комплексные мелиорации и основные законы земледелия [Текст] / В. П. Максименко // Экологические проблемы мелиорации : Сб. материалов международной конференции, посвященной 115-летию со дня рождения А.Н. Костякова и состоявшейся 27 - 28 марта 2002 г. - М.: УПК Федоровец, 2002. - С. 73 - 75.

33. Максименко, В. П. Обоснование применения высокомолекулярных "сорбентов-мелиорантов" для повышения продуктивности почв [Текст] / В. П. Максименко, Ю. А. Мажайский, С. Ю. Деев, Т. М. Гусева // Ресурсосберегающие и энергоэффективные технологии и техника в орошаемом земледелии : Сб. науч. докладов Международной научно-практической конференции 1 - 4 декабря 2003 года. Часть 1. - Коломна: Инлайт, 2003. - С. 150 - 153. 

34. Максименко, В. П. Инфраструктура агромелиоративного ландншафта [Текст] / В. П. Максименко, Т. Л. Волчкова // Мелиоративная энциклопедия. Том 1. - М.: ФГНУ Росинформагротех, 2003. - С. 573. 

35. Максименко, В. П. Химические мелиоранты [Текст] / В. П. Максименко, Т. Л. Волчкова // Мелиоративная энциклопедия, том 3. - М.: ФГНУ Росинформагротех, 2003. - С. 363. 

36.  Максименко, В. П. Лизиметрические исследования в пустыне Каракумы и на юге Западной Сибири [Текст] / В. П. Максименко // Лизиметрические исследования в России : Сб. науч. трудов НИИСХ ЦРНЗ. - М., 2004. - С. 197 - 203.

37. Максименко, В. П. Повышение плодородия подзолистых почв с использованием карбамидоформальдегидного поропласта [Текст] / В. П. Максименко, С. Ю. Деев, Ю. А. Мажайский // Экологическое состояние природной среды и научно-практические аспекты современных мелиоративных технологий : Сб. науч. трудов  Мещерского ф-ла ГНУ ВНИИГиМ. - Рязань: Рязоблтипография, 2004. - С. 557 - 563.

38. Максименко, В. П. Повышение плодородия почв с использованием высокомолекулярных полимеров [Текст] / В. П. Максименко // Мелиорация и окружающая среда : Юбилейный сб. науч.  трудов ВНИИГиМ. Том 2. - М.: ВНИИА, 2004. - С. 28 - 33.

39. Максименко, В. П.  Влияние высокомолекулярных комплексных удобрений на плодородие почв и качество получаемой продукции [Текст] / В. П. Максименко, С. Ю. Деев // Влияние природных факторов на социоэкосистемы : Межрегиональный сб. науч. трудов РязГМУ им. акад. И.П. Павлова. Вып. III / Под ред. проф.  А. А. Ляпкало. - Рязань, 2005. - С. 121 - 123. 

40. Максименко, В. П.  Повышение плодородия почв на орошаемых землях [Текст] / В. П. Максименко, Т. Л. Волчкова // Методы и технологии комплексной мелиорации и экосистемного водопользования : Сб. науч. трудов / Под ред. акад. РАСХН Б. М. Кизяева. - М.: Россельхозакадемия, 2006. - С. 426 - 442. 

41. Жигулина, Е. В. Влияние многофункционального модифицированного мелиоранта МеНОМ на продуктивность люпина узколистного сорта Дикаф-14 [Текст] / Е. В. Жигулина, В. П. Максименко, Р. И. Матюхин // Проблемы устойчивого развития мелиорации и рационального природопользования : Сб. материалов юбилейной международной научно-практической конференции Костяковские чтения. Том 1. - М.: ВНИИГиМ, 2007. - С. 186 - 189. 

42. Жигулина, Е. В. Проявление процессов синергизма под влиянием многофункционального модифицированного мелиоранта МеНОМ при возделывании люпина узколистного сорта Дикаф-14 [Текст] / Е. В. Жигулина, В. П. Максименко, Р. И. Матюхин // Новые технологии и экологическая безопасность в мелиорации : Сб. науч. докладов международной (4-й Всероссийской) конференции молодых ученых и специалистов / Ассоциация организаций водохозяйственного комплекса. - Коломна: ФГНУ ВНИИ Радуга, 2007. - С. 92 - 98. 

43. Максименко, В. П.  Многофункциональный модифицированный мелиорант МеНОМ [Текст] / В. П. Максименко,  С. Ю. Деев, С. А. Меньшикова // Проблемы устойчивого развития мелиорации и рационального природопользования : Сб. материалов юбилейной международной научно-практической конференции Костяковские чтения. Том 1.Ц М.: ВНИИГиМ, 2007. - С. 284 - 290. 

44. Максименко, В. П. Нормирование орошения пырея удлиненного сорта Солончаковый в условиях полупустынного климата Калмыкии [Текст] / В. П. Максименко, С. Б. Адьяев,  М. П. Чапланова // Проблемы устойчивого развития мелиорации и рационального природопользования : Сб. материалов юбилейной международной научно-практической конференции Костяковские чтения. Том 1. - М.: ВНИИГиМ, 2007.  - С. 284 - 290. 

45. Максименко, В. П. Нейтрализация процессов уплотнения почв сельскохозяйственных угодий - снижение рисков проявления негативных экологических условий в агроландшафтах [Текст] / В. П. Максименко, В. С. Печенина, Т. Л. Волчкова  // Нейтрализация загрязненных почв : Сб. науч. трудов Мещерского ф-ла ВНИИГиМ / Под общ. ред.  Ю.А. Мажайского. - Рязань, 2008. - С. 80 - 110. 

46. Максименко, В. П.  Уплотнение почв на орошаемых землях и его влияние на агробиоценоз и технологии мелиораций [Текст] / В.П. Максименко, Т. Л. Волчкова // Современные проблемы мелиорации и водного хозяйства : Сб. материалов юбилейной международной научно-практической конференции л100-летие мелиоративной науки в России. 85-летие Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники и мелиорации им. А. Н. Костякова. Том 2. - М.: ГНУ ВНИИГиМ Россельхозакадемии, 2009. - С. 103 - 110. 

Методики,  рекомендации и практические руководства:

47.  Рекомендации по глубокому рыхлению почв на орошаемых землях [Текст] / В. С. Казаков, В. И. Бобченко, В. С. Макарова, В. П. Максименко [и др]. - М.: ВНИИГиМ, 1986. - 39 с.

48. Руководство по мелиорации орошаемых маломощных черноземов с применением глубокого объемного рыхления [Текст] / В. С. Казаков, В. С. Макарова, В. П. Максименко, Т. Л. Волчкова, К. А. Краснюк. - М.: ВНИИГиМ, 1987. - 36 с.

49. Руководство по мелиорации длительно орошаемых и тяжелых почв с применением глубокого рыхления в условиях Запорожской области [Текст]  / А. И. Штангей, З. Ф. Яцюк,  Н. М. Завалий,  В. П. Максименко / Каменско-Днепроская опытно-мелиоративная станция.  - Канменка-Днепровская, 1989. - 16 с.

50. Рекомендации по орошению многолетних бобовых культур [Текст] / Б. Б. Шумаков,  В. П. Максименко,  Т. Л. Волчкова, А. Н.  Бондаренко // Практические рекомендации по повышению эффективности использования орошаемых земель в степной зоне : Сб. статей.  Ц  М.: РАСХН, 1995. Ц  С. 96 - 149.

51. Экологические требования к режимам орошения сельскохозяйственнных культур [Текст] / Б. Б. Шумаков,  В. П. Максименко, Н. В. Данильченко, Т. Л. Волчкова // Практические рекомендации по повышению эффекнтивности использования орошаемых земель в степной зоне : Сб. статей. Ц  М.: РАСХН, 1995. Ц  С. 149 - 166. 

52. Режимы комплексных мелиораций земель (рекомендации) [Текст] / Б. М. Кизяев, Л. В. Кирейчева, В. П. Максименко [и др] ; Под ред. Б. М. Кизяева.  - М. : РАСХН, 2000. - 63 с.

53. Методическое пособие  и нормативные материалы для разработки адаптивно-ландшафтных систем земледелия [Текст] / А. Н. Каштанов,  И. П. Свинцов, В. П. Максименко [и др.] - Курск, Тверь: ЧуДо, 2001. - 260 с.

54. Методика энергетической оценки способов орошения сельскохозяйственных культур [Текст] / К. В. Губер, В. П. Максименко [и др].  Ц  М.: ВНИИГиМ, 2002. Ц  40 с.

   Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по сельскому хозяйству