Природоохранные режимы и технологии орошения дождеванием кормовых культур в степной зоне прииртышья
| Вид материала | Автореферат диссертации |
- Особенности технологии возделывания многолетних трав на корм в сопочно-равнинной зоне, 63.49kb.
- Концепция государственной программы модернизации агропромышленного комплекса путем, 388.29kb.
- График семинаров на 2012 год Центров распространения знаний ао «КазАгроИнновация», 203.17kb.
- Формирование биомассы суданской травы в аридной зоне республике тыва, 40.5kb.
- Некоторые требования к элементам ресурсосберегающих технологий возделывания кормовых, 153.73kb.
- 01. 11. 6 Выращивание кормовых культур, 4443.95kb.
- 01. 11. 6 Выращивание кормовых культур, 4999.07kb.
- 01. 11. 6 Выращивание кормовых культур, 5369.9kb.
- 01. 11. 6 Выращивание кормовых культур, 5364.52kb.
- 01. 11. 6 Выращивание кормовых культур, 5369.49kb.
Н
а правах рукописиДАНИЛЬЧЕНКО АНАТОЛИЙ НИКОЛАЕВИЧ
ПРИРОДООХРАННЫЕ РЕЖИМЫ И ТЕХНОЛОГИИ
ОРОШЕНИЯ ДОЖДЕВАНИЕМ КОРМОВЫХ КУЛЬТУР В СТЕПНОЙ ЗОНЕ ПРИИРТЫШЬЯ
Специальность 06.01.02 – Мелиорация, рекультивация и охрана земель
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
М
осква – 2008
Работа выполнена в ФГНУ Всероссийский институт систем орошения и сельхозводоснабжения "Радуга", ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова
Научный руководитель: доктор технических наук
^ Губер Кирилл Вадимович
Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки РФ,
доктор технических наук, профессор
Рязанцев Анатолий Иванович
кандидат технических наук
^ Сильченков Иван Степанович
Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия»
Защита состоится 17 июня 2008 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 220.045.01 ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства» по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, дом 19, аудитория 201/1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета природообустройства.
Автореферат диссертации размещен 15 мая 2008 года на официальном сайте ФГОУ ВПО МГУП по адресу: .ru/html/19_1.php.
Автореферат разослан 14 мая 2008 г.
Учёный секретарь
диссертационного совета,
кандидат технических наук Сурикова Т.И.
^ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. За последние 10…15 лет площадь орошаемых земель в Российской Федерации сократилась более чем на 30% (с 6,2 млн. га в 1991 году до 4,3 млн. га в 2006 году) при этом резко снизилась эффективность сельскохозяйственного производства на орошаемых землях. Наиболее существенно роль орошаемых земель снизилась в степной зоне с устойчивым природным дефицитом влаги, где урожайность сократилась более чем в 2…3 раза, а в сухие годы приблизилась к урожайности богарных земель.
К числу таких регионов относится и Прииртышско-Кулундинская равнина, где в конце 1970-х годов началось интенсивное развитие орошения на базе использования подземных вод. Накопленный к настоящему времени опыт показал, что в условиях засушливого климата эффективность орошаемого земледелия зависит главным образом от режима орошения сельскохозяйственных культур. Поэтому проблемы изучения и научного обоснования режимов орошения сельскохозяйственных культур, обеспечивающих получение гарантированных урожаев и сохранение экологического равновесия окружающей среды, а также разработка рекомендаций для проектирования и эксплуатации оросительных систем, остаются крайне актуальными.
Автор на протяжении ряда лет участвовал в работе над реализацией отраслевой программы по теме 0.52.01.И.01Т «Разработать и внедрить оросительные системы и технологический процесс полива широкозахватной дождевальной машиной ЭДМФ «Кубань», и разработке нормативного отраслевого документа «Пособие по проектированию оросительных систем с ЭДМФ «Кубань».
^ Цель работы. Разработать природоохранные режимы и технологии орошения дождеванием кормовых культур с использованием подземных вод в условиях степной зоны Прииртышско-Кулундинской равнины.
Задачи работы:
- провести анализ состояния орошения подземными водами и оценить перспективу его развития в регионе;
- изучить суммарное водопотребление кормовых культур;
- установить биоклиматически обоснованные оросительные нормы и разработать режимы орошения люцерны на сено и кукурузы на силос;
- изучить динамику составляющих водного баланса на орошаемых землях с различными глубинами залегания грунтовых вод;
- изучить эксплутационно-технологические характеристики полива кормовых культур ЭДМФ «Кубань» (потери оросительной воды на испарение при поливе, эрозионно-допустимые поливные нормы, равномерность распределения дождя и т.д.) и разработать адаптированные к местным условиям водосберегающие, природоохранные технологии полива люцерны и кукурузы;
- разработать рекомендации по технологии полива и определению оптимальных режимов механизированного орошения люцерны и кукурузы в природно-климатических условиях Прииртышско-Кулундинской равнины.
Для решения поставленных задач автором проведены теоретические исследования проблемы, спланирован и реализован многолетний комплекс полевых исследований режимов орошения и технологий полива люцерны и кукурузы в степной зоне Прииртышья. Проведен всесторонний анализ полученных результатов и сделаны обобщения, необходимые для их последующего использования в производстве.
^ Методология исследований. Основой экспериментальных и теоретических исследований послужили работы А.Н. Костякова, А.М. Алпатьева, С.М. Алпатьева, И.П. Айдарова, А.И. Будаговского, С.Я. Бездниной, Г.В. Воропаева, А.И. Голованова, Н.В. Данильченко, В.Ф. Носенко, Н.С. Ерхова, А.Р. Константинова, В.С. Мезенцева, Б.С. Маслова, Х.Л. Пенмана, Б.Б. Шумакова, Л.М. Рекса, Г.Т. Селянинова, С.И. Харченко, Д.И. Шашко и других известных ученых в области мелиорации сельскохозяйственных земель, растениеводства, климатологии, гидрогеологии, земледелия и почвоведения.
Полевые исследования проводились с применением стандартных и специально разработанных методик, а достоверность полученных результатов оценивалась путем верификации теоретических зависимостей и результатов полевых исследований.
^ Научная новизна работы:
- впервые в Прииртышье организованы и проведены масштабные многолетние комплексные исследования приёмов рационального использования подземных вод при орошении дождеванием;
- получены значения биологических коэффициентов, установлены и обоснованы оросительные нормы, режимы орошения люцерны и кукурузы для лет различной обеспеченности по дефициту влаги;
- изучена динамика составляющих водного баланса на орошаемых землях при разной глубине грунтовых вод, их влияние на влагообеспеченность растений и режимы орошения кормовых культур;
- установлены размеры потерь оросительной воды на испарение и равномерность её распределения по площади при поливе ЭДМФ «Кубань»;
- установлены эрозионно-допустимые поливные нормы при поливе дождеванием в природных условиях Прииртышья;
- получены количественные и качественные характеристики технологии полива кормовых культур дождеванием в Прииртышье;
- разработана экологически безопасная и ресурсосберегающая технология полива кормовых культур ЭДМФ «Кубань» на супесчаных каштановых почвах Прииртышья;
- на основе полевых и теоретических исследований проведено районирование Прииртышско-Кулундинской равнины по природной тепло- и влагообеспеченности, оросительным нормам и режимам орошения люцерны и кукурузы.
^ На защиту выносятся:
- величины суммарного водопотребления и оросительных норм кукурузы и люцерны, значения биологических коэффициентов растений, коррелирующие с теплоэнергетическими ресурсами климата Прииртышья;
- расчётные зависимости для установления влияния динамики грунтовых вод на влагообеспеченность кормовых культур, оросительные нормы и режимы орошения на супесчаных каштановых почвах;
- расчётные зависимости для определения качества полива и потерь оросительной воды на испарение во время полива, достоковых поливных норм при поливе широкозахватными дождевальными машинами;
- рациональные технологии полива кормовых культур дождеванием ЭДМФ «Кубань»;
- результаты районирования Прииртышско-Кулундинской равнины по природной тепло- и влагообеспеченности, оросительным нормам и режимам орошения люцерны и кукурузы.
^ Практическое значение и реализация работы. Полученные результаты исследований позволяют:
- принимать научно-обоснованные решения при оценке целесообразности и эффективности орошения с использованием подземных вод в Прииртышье;
- получать гарантированные урожаи на орошаемых землях с сохранением эрозионной устойчивости почвенного покрова и экологического равновесия в условиях степной и сухостепной зон Прииртышья.
Результаты исследований прошли практическую проверку в хозяйствах Успенского района Павлодарской области и зональных проектных институтах, использованы при разработке рекомендаций «Водосберегающие оросительные нормы и экологически безопасные режимы орошения сельскохозяйственных культур в Уральском регионе» (1999), «Водосберегающие оросительные нормы и природоохранные режимы орошения дождеванием в Западной Сибири» (2000), «Природная тепло,- влагообеспеченность Центрально-Чернозёмных областей России и её влияние на режимы орошения и урожайность» (2000), «Научно-обоснованные нормы и режимы орошения в Московской области» (2002), «Влияние природной тепло,- влагообеспеченности на параметры орошения и урожайность в ЦЧО» (2004), а так же при создании отраслевого нормативного документа «Пособие по проектированию оросительных систем с ЭДМФ «Кубань» (М.: Союзводпроект, 1986).
^ Апробация результатов исследований и публикации. Основные методические положения и полученные результаты докладывались и обсуждались на заседаниях Учёного Совета ВНПО «Радуга» (1984…1989 г.г.), ежегодных отчётах Лаборатории использования подземных вод ВНПО «Радуга» (1985, 1986, 1988, 1989 г.г), на конференциях молодых учёных ВНПО «Радуга» (1985…1989 г.г.) и ВНИИГиМ (1987 г.), а также научно-технических конференциях в г. Москве (МГМИ–1986 г.), г. Джамбуле (КазНИИВХ–1987 г.), г. Алма-Ате (КазПТИ–1985, 1989 г.г.). По результатам исследований опубликовано 15 работ, в т.ч. 4 работы в изданиях, рекомендованных ВАК.
^ Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, выводов и приложений, списка литературных источников из 193 наименований. Общий объём диссертации составляет 179 страниц компьютерного текста, 42 рисунка, 52 таблицы, 5 приложений.
^ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе приводится краткая природная и хозяйственная характеристика региона и оцениваются перспективы развития орошения.
Анализ многолетнего ряда метеоданных позволяет сделать вывод о том, что теплоэнергетические ресурсы климата и устойчивый дефицит естественного увлажнения являются основной причиной низкой продуктивности богарного земледелия. Так, испаряемость за тёплый период года с t воздуха выше 5,0 °С изменяется от 750 мм в средний год до 950…1000 мм в сухие годы, а сумма атмосферных осадков соответственно от 160 мм до 110…130 мм. Коэффициент естественного увлажнения составляет в среднем 0,29…0,31. Почвы региона исследований относятся к Казахской провинции сухостепной зоны каштановых почв. Почвы супесчаные и легкосуглинистые по гранулометрическому составу, отличаются бесструктурностью и слабой водоудерживающей способностью (ППВ=9…11 %). Вместе с тем водно-физические свойства каштановых почв позволяют регулировать влажность в них при поливе дождеванием в оптимальном диапазоне без поверхностного стока.
Теплоэнергетические особенности климата, наличие плодородных почв и значительных запасов пригодных для орошения подземных вод (минерализация 0,5…0,6 г/л, температура 20…27 °С), позволяют развивать орошаемое земледелие в степной зоне Прииртышья.
^ Во второй главе рассматриваются теоретические предпосылки и технико-эксплуатационные возможности применения дождевания в степной зоне Прииртышья.
Исследованиями А.Н. Костякова, Б.Б. Шумакова, Г.В. Воропаева, В.Ф. Носенко, Н.В. Данильченко, К.В. Губера, А.П. Исаева, Н.С. Ерхова, А.Р. Константинова, С.И. Харченко и др. доказано, что дождевание обеспечивает рациональное использование водных и земельных ресурсов, получение устойчивых урожаев орошаемых культур и экологическую безопасность окружающей среды только в том случае, если имеются технические возможности для реализации научно обоснованных норм, режимов и технологий полива, соответствующих рельефу, почвам, климату, гидрогеологическим и другим природным ресурсам. Проведенный структурный анализ сбережения артезианских вод на оросительных системах позволил выделить агробиологические, почвенно-мелиоративные, организационно-хозяйственные и экологические требования к режимам и технологиям орошения, комплексная реализация которых возможна только при наличии достоверных данных о физико-механических, водно-физических и химических свойствах орошаемых почв, мелиоративном состоянии орошаемых земель, суммарном водопотреблении орошаемых культур, оросительных и поливных нормах, технико-эксплуатационных параметрах применяемых дождевальных машин, экологически обоснованных технологиях механизированного орошения.
В условиях, когда природные атмосферные ресурсы влаги лимитируют нормальное развитие сельскохозяйственных растений, подача оросительной воды в необходимом количестве и в нужные сроки является одним из основных агробиологических требований. Анализ существующих методов установления водопотребления орошаемых культур позволил принять для расчетов биоклиматический метод, который основан на учёте погодных условий, влажности почвы и биологических особенностей орошаемой культуры, а для установления оросительных норм и режимов орошения – метод водного баланса.
При дождевании часть оросительной воды испаряется во время полива. Без учёта затрат воды на испарение, поступающий в почву объём оросительной воды оказывается меньше расчётного. Поэтому при определении параметров механизированного орошения необходимо проводить детальный учет потерь оросительной воды на испарение.
Другой особенностью дождевания является неравномерность распределения оросительной воды по площади полива. Она зависит как от структуры формируемого машиной дождевого облака, так и от ветрового режима в момент полива.
Для предупреждения поверхностной дефляции почв представляется необходимым изучение приёмов эрозионно-безопасного орошения дождеванием. Решение этой проблемы может быть достигнуто путём сопоставления впитывающей способности почвы с интенсивностью и структурой дождевого облака применяемых дождевальных машин.
В результате фильтрационных потерь подземных вод из накопительных водоемов сезонного регулирования и оросительной сети на части земель, где существуют местные водоупоры, сформировались пресные грунтовые воды с глубиной 1,0…2,5 м (верховодка). Они не связаны с региональными солеными грунтовыми водами, залегающими на глубине более 15 метров. Учет капиллярного поступления антропогенных грунтовых вод в корнеобитаемый слой почвы при расчетах и реализации режимов орошения сельскохозяйственных культур на этих землях позволит понизить их уровень, а в дальнейшем полностью ликвидировать верховодку, предотвратить (совместно с реконструкцией водоемов) дальнейшее ухудшение мелиоративного состояния орошаемых земель.
^ В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований и производственной проверки режимов орошения и технологий полива кормовых культур в условиях степной зоны Прииртышья.
Комплексные научно-исследовательские работы проводились на орошаемых землях колхоза «30 лет Казахской ССР» Успенского района, расположенных в сухостепной зоне Павлодарского Прииртышья. Исследования проводились на орошаемом ЭДМФ «Кубань» опытно-производственном участке (ОПУ) и специально созданном рядом с ОПУ лизиметрическом полигоне с 24 лизиметрами (площадь испаряющей поверхности 1,13 м2, глубина грунтовых вод 1,0; 1,5; 2,0 и 2,5 м), почвенным ГГИ-500-100 и водным ГГИ-3000 испаромероми, метеорологической станцией. Опытными культурами в лизиметрах и на производственных полях были кукуруза на силос и люцерна на сено.
Необходимость изучения суммарного водопотребления обусловлена тем, что оно является основной расходной статьей уравнения водного баланса и служит исходным параметром для последующего расчёта оросительных норм и режимов орошения.
Суммарное водопотребление кукурузы при оптимальных влажности корнеобитаемого слоя почвы и уровне агротехники (табл. 1) изменяется по годам исследований от 436,7 до 512,3 мм, а декадное - от 12,8 до 72,2 мм, при максимальных значениях во второй половине июля, начале августа. Суммарное водопотребление люцерны на сено составляет в среднем 620,3 мм. Декадное водопотребление изменяется от 18,7 до 67,6 мм, достигая наибольших значений перед каждым укосом в фазу бутонизации-цветения.
Таблица 1 Суммарное водопотребление Е орошаемых культур за годы исследований, мм
| Годы | Период вегетации | Май | Июнь | Июль | Август | Сентябрь | ∑Еv, мм |
| Кукуруза на силос | |||||||
| 1983 | 16.05…31.08 | 12,8 | 111,2 | 198,0 | 190,3 | - | 512,3 |
| 1984 | 21.05…30.08 | 13,4 | 113,1 | 150,3 | 159,9 | - | 436,7 |
| 1985 | 21.05…5.09 | 16,5 | 115,7 | 177,3 | 123,7 | 20,4 | 453,6 |
| 1986 | 21.05…10.09 | 12,7 | 88,7 | 140,2 | 154,0 | 41,5 | 437,1 |
| 1987 | 15.05…10.09 | 21,5 | 105,8 | 190,2 | 144,3 | 27,2 | 489,0 |
| Среднее | мм | 15,4 | 106,9 | 171,2 | 154,4 | 29,6 | 477,5 |
| % | 3,2 | 22,4 | 35,9 | 32,3 | 6,2 | 100 | |
| Люцерна на сено | |||||||
| Среднее | мм | 79,7 | 180,8 | 141,2 | 119,7 | 98,9 | 620,3 |
| % | 12,8 | 29,2 | 22,8 | 19,3 | 15,9 | 100 | |
При оптимальных влажности корнеобитаемого слоя почвы и уровне агротехники водопотребление изменяется преимущественно под влиянием складывающихся погодных условий. Зависимость суммарного водопотребления от метеопараметров в обобщённом виде реализована в биоклиматическом методе А.М. Алпатьева. Полученные по результатам исследований средние многолетние биологические коэффициенты орошаемых сельскохозяйственных культур приведены в табл. 2.
Таблица 2 Средние многолетние биологические коэффициенты Кб орошаемых культур
| Сумма температур воздуха t от начала вегетации, °С | ||||||||||||
| 0- 200 | 201- 400 | 401- 600 | 601- 800 | 801- 1000 | 1001- 1200 | 1201- 1400 | 1401- 1600 | 1601- 1800 | 1801- 2000 | 2001- 2200 | 2201- 2400 | 2401- 2600 |
| Кукуруза на силос | ||||||||||||
| 0,44 | 0,53 | 0,66 | 0,80 | 0,94 | 1,06 | 1,16 | 1,20 | 1,16 | 1,02 | 0,78 | - | - |
| Люцерна на сено | ||||||||||||
| 0,61 | 0,72 | 0,92 | 1,18 | 0,59 | 0,90 | 1,17 | 1,28 | 0,58 | 0,88 | 1,14 | 1,26 | 0,61 |
При расчётах суммарного водопотребления следует учитывать, что биологические коэффициенты Кб могут отличаться от средних, приведенных в табл. 2, если погодные условия в реальном времени будут отличаться от тех, при которых они получены. Для корректировки среднего многолетнего биологического коэффициента Кб предлагается использовать следующую зависимость:
где: Кбi – расчетный биологический коэффициент; Кб – средний многолетний биологический коэффициент; Е - средняя многолетняя испаряемость за расчётный период, мм; Еi – испаряемость за тот же период в расчетном году, мм.
Результаты водобалансовых исследований по определению дефицитов водопотребления (оросительных норм) кукурузы и люцерны представлены в табл. 3 и на рис. 1. Суммарный за вегетацию дефицит водопотребления кукурузы на силос по годам исследований изменяется от 253 до 369 мм, а в среднем составляет 297,9 мм или 62,4 % от суммарного водопотребления. Дефицит водопотребления люцерны на сено за годы исследований изменяется от 351 до 518 мм. Максимальный декадный дефицит водопотребления кукурузы в средний год достигает 40…45 мм, а люцерны 45…50 мм.
Таблица 3 Дефициты водопотребления ΔEv орошаемых культур (за годы исследования)
| Параметры | Май | Июнь | Июль | Август | Сентябрь | и ср. | ||
| Кукуруза на силос | ||||||||
| Суммарное водопотребление | мм | 15,4 | 106,9 | 171,2 | 154,4 | 29,6 | 477,5 | |
| Атмосферные осадки Р | мм | 9,5 | 34,3 | 41,1 | 34,6 | 5,1 | 124,6 | |
| Почвенные влагозапасы Wa | мм | 5,9 | 33,7 | 15,4 | 0 | 0 | 55 | |
| Дефицит водопотребления | мм | 0 | 38,9 | 114,7 | 119,8 | 24,5 | 297,9 | |
| % от | 0 | 36,4 | 67,0 | 77,6 | 82,8 | 62,4 | ||
| Люцерна на сено | ||||||||
| Суммарное водопотребление En | мм | 79,7 | 180,8 | 141,2 | 119,7 | 98,9 | 620,3 | |
| Атмосферные осадки Р | мм | 35,7 | 32,6 | 41,1 | 34,6 | 17,7 | 161,7 | |
| Почвенные влагозапасы Wa | мм | 40,0 | 15,0 | 0 | 0 | 0 | 55 | |
| Дефицит водопотребления DEn | мм | 4,0 | 133,2 | 100,1 | 85,1 | 81,2 | 403,6 | |
| % от En | 5,0 | 73,7 | 70,9 | 71,1 | 82,1 | 65,1 | ||
 Кукруза на силос  |  Люцерна на сено | | ||||||
Рис. 1 Дефициты водопотребления ΔEv орошаемых культур (средние за годы исследования)
Установленные многолетними исследованиями зависимости между испаряемостью, водопотреблением, биологическими коэффициентами и дефицитами водопотребления позволяют определять для региона не только средние многолетние оросительные нормы, но и их вероятностные (обеспеченные) значения в разные по влажности годы (табл. 4).
Таблица 4 Дефициты водопотребления (оросительные нормы нетто) орошаемых культур по метеостанциям Прииртышско-Кулундинской равнины
| Метеос- танция, Ку | С/х культура | Вероятностные (обеспеченные) значения дефицита водопотребления , мм | |||||
| 5 % | 25 % | 50 % | 75 % | 85 % | 95 % | ||
| Павлодар 0,28 | Кукуруза на силос | 170 | 256 | 310 | 356 | 377 | 407 |
| Люцерна на сено | 264 | 368 | 440 | 507 | 540 | 604 | |
| Успенка 0,29 | Кукуруза на силос | 140 | 206 | 261 | 322 | 356 | 412 |
| Люцерна на сено | 220 | 314 | 385 | 468 | 526 | 587 | |
| Кулунда 0,29 | Кукуруза на силос | 138 | 205 | 264 | 334 | 373 | 440 |
| Люцерна на сено | 198 | 300 | 390 | 490 | 546 | 640 | |
| Славгород 0,34 | Кукуруза на силос | 97 | 173 | 236 | 304 | 342 | 403 |
| Люцерна на сено | 159 | 267 | 351 | 438 | 484 | 557 | |
| Родино 0,34 | Кукуруза на силос | 104 | 162 | 229 | 306 | 345 | 395 |
| Люцерна на сено | 173 | 242 | 317 | 408 | 459 | 534 | |
| Карасук 0,41 | Кукуруза на силос | 54 | 123 | 177 | 233 | 263 | 310 |
| Люцерна на сено | 98 | 186 | 257 | 334 | 375 | 443 | |
| Полтавка 0,44 | Кукуруза на силос | 77 | 136 | 184 | 235 | 263 | 308 |
| Люцерна на сено | 121 | 195 | 252 | 305 | 330 | 384 | |
| Купино 0,46 | Кукуруза на силос | 34 | 103 | 159 | 214 | 242 | 280 |
| Люцерна на сено | 72 | 150 | 215 | 286 | 325 | 388 | |
| Полянка 0,46 | Кукуруза на силос | 52 | 128 | 180 | 229 | 253 | 289 |
| Люцерна на сено | 76 | 175 | 239 | 296 | 323 | 362 | |
| Черлак 0,47 | Кукуруза на силос | 40 | 106 | 160 | 218 | 250 | 300 |
| Люцерна на сено | 56 | 144 | 214 | 286 | 324 | 385 | |
В работе использование грунтовых вод орошаемыми культурами определяется коэффициентом gг (табл.5), представляющим собой отношение поступившей грунтовой воды в корнеобитаемый слой почвы Wг к суммарному водопотреблению за расчётный интервал времени.
Таблица 5 Коэффициенты использования грунтовых вод gг орошаемыми культурами
(за годы лизиметрических исследований)
| Глубина грунтовых вод Нг, м | Сумма температур воздуха ∑t от начала вегетации, °С | |||||||||||
| 0-200 | 201-400 | 401-600 | 601-800 | 801-1000 | 1001-1200 | 1201-1400 | 1401-1600 | 1601-1800 | 1801-2000 | 2001-2200 | 2201-2400 | |
| Кукуруза на силос | ||||||||||||
| 1,0 | 0,05 | 0,12 | 0,21 | 0,32 | 0,41 | 0,49 | 0,57 | 0,63 | 0,68 | 0,71 | 0,48 | - |
| 1,5 | 0,02 | 0,07 | 0,13 | 0,22 | 0,28 | 0,33 | 0,39 | 0,44 | 0,48 | 0,50 | 0,33 | - |
| 2,0 | 0,01 | 0,05 | 0,07 | 0,13 | 0,16 | 0,20 | 0,23 | 0,26 | 0,28 | 0,28 | 0,19 | - |
| 2,5 | 0 | 0 | 0,01 | 0,02 | 0,02 | 0,03 | 0,04 | 0,04 | 0,05 | 0,05 | 0,03 | - |
| Люцерна на сено | ||||||||||||
| 1,0 | 0,24 | 0,46 | 0,66 | 0,78 | 0,83 | 0,87 | 0,83 | 0,72 | 0,61 | 0,73 | 0,81 | 0,82 |
| 1,5 | 0,16 | 0,35 | 0,48 | 0,57 | 0,67 | 0,73 | 0,71 | 0,60 | 0,50 | 0,64 | 0,72 | 0,73 |
| 2,0 | 0,06 | 0,20 | 0,32 | 0,39 | 0,47 | 0,48 | 0,47 | 0,41 | 0,31 | 0,41 | 0,54 | 0,56 |
| 2,5 | 0 | 0,03 | 0,07 | 0,11 | 0,12 | 0,14 | 0,16 | 0,17 | 0,08 | 0,13 | 0,16 | 0,17 |
При поддержании оптимальной влажности почвы по мере нарастания корневой системы, а также в засушливые периоды времени, приток грунтовых вод в корнеобитаемый слой почвы возрастает, их доля в суммарном водопотреблении становится тем больше, чем ближе к поверхности находится горизонт грунтовых вод. При глубине грунтовых вод Нг=1,0 м коэффициент их использования посевами кукурузы gг в среднем за вегетацию составляет 0,5. При Нг=2,0 м коэффициент gг имеет среднее значение 0,17, т.е. доля грунтовых вод в суммарном водопотреблении кукурузы снижается до 17 % и становится в 2,5…3 раза меньше, чем при Нг = 1,0 м. При глубинах больше 2,5 м грунтовые воды перестают участвовать в водопотреблении кукурузы.
Посевы люцерны благодаря более мощной корневой системе и длительному вегетационному периоду используют больше грунтовой воды по сравнению с кукурузой, а критическая глубина грунтовых вод равна 3,0 м.
Установленные уравнения связи коэффициента использования грунтовых вод gг с глубиной их залегания Нг и периодом вегетации позволили разработать номограмму (рис. 2) для определения количества капиллярно используемых грунтовых вод посевами орошаемых культур в разные по влажности (обеспеченности) годы.
Грунтовые воды влияют не только на величины оросительных норм, но и на режимы орошения, т.е. на величины поливных норм, количество поливов, сроки поливов и длительность межполивных периодов (табл.6).
При глубине грунтовых вод Нг = 2,5 м кукуруза нуждается в 7 поливах с межполивными периодами 11…16 дней, а при Нг = 1,0 м достаточно 4-х поливов с увеличением межполивных периодов до 17…25 дней. На землях с глубокими грунтовыми водами дата наступления первого полива наступает 20…21 мая, а при глубине грунтовых вод 1,0…1,5 м первый полив смещается на 30…31 мая.
Рис. 2 Номограмма для определения капиллярного использования грунтовых вод (Wг, мм) орошаемыми культурами
Таблица 6 Расчетный режим орошения кукурузы на силос в среднесухой год (75% обеспеченности) при разной глубине грунтовых вод
| Глубина грунтовых вод Hг, м | Номер полива | Поливная норма нетто m, мм | Средняя дата полива | Межполивной период, дней | Суточный расход оросительной воды, мм | Оросительная норма М, мм |
| Нг 2,5 | 1 | 40 | 22.05 | 12 11 12 12 13 16 | 3,33 3,63 4,16 4,66 4,62 3,74 | 360 |
| 2 | 40 | 4.06 | ||||
| 3 | 50 | 14.06 | ||||
| 4 | 50 | 26.06 | ||||
| 5 | 60 | 8.07 | ||||
| 6 | 60 | 21.07 | ||||
| 7 | 60 | 7.08 | ||||
| Нг = 2,0 | 1 | 40 | 24.05 | 14 13 15 15 16 | 2,85 3,08 3,34 3,34 3,12 | 280 |
| 2 | 40 | 7.06 | ||||
| 3 | 50 | 20.06 | ||||
| 4 | 50 | 5.07 | ||||
| 5 | 50 | 20.07 | ||||
| 6 | 50 | 6.08 | ||||
| Нг = 1,5 | 1 | 40 | 28.05 | 16 16 17 19 | 2,50 2,50 2,35 2,10 | 200 |
| 2 | 40 | 14.06 | ||||
| 3 | 40 | 30.06 | ||||
| 4 | 40 | 16.07 | ||||
| 5 | 40 | 5.08 | ||||
| Нг = 1,0 | 1 | 30 | 30.05 | 18 17 25 | 1,67 1,76 1,60 | 130 |
| 2 | 30 | 18.06 | ||||
| 3 | 40 | 5.07 | ||||
| 4 | 30 | 1.08 |
Эффективность полива сельскохозяйственных культур дождеванием во многом зависит от равномерности распределения слоя дождя по площади полива, оценивается коэффициентом эффективного полива Кэф и находится в непосредственной зависимости от ветрового режима региона.
Исследования влияния скорости ветра на высоте 2-х метров v2 (м/с) на коэффициент эффективного полива Кэф ЭДМФ «Кубань» при слое осадков более 35 мм позволили установить следующую зависимость:
ЭДМФ «Кубань» обеспечивает значение Кэф больше 0,75 (предусмотренное агротехническими требованиями) при скоростях ветра до 4,0 м/с, а вероятность превышения критической скорости ветра 4,0 м/с за вегетационный период не превышает 6 %. Наиболее неблагоприятный ветровой режим наблюдается в мае…июне, а благоприятный в течение суток - в ночное время, поэтому необходимо организовывать круглосуточную работу ДМ.
Обработка экспериментальных данных при скоростях ветра до 2 м/с показала, что на качество полива ЭДМФ «Кубань» влияет не только скорость ветра, но и величина слоя осадков за проход машины h (мм):
Минимальный слой осадков за проход машины, при котором коэффициент Кэф становится меньше нормативного (0,75), равен 17 мм.
Оптимизация водного режима орошаемых земель и эффективность использования оросительной воды при дождевании в значительной мере связаны с потерями оросительной воды на испарение в процессе полива. Принятая для орошения кормовых культур ЭДМФ «Кубань» отличается размерами и формой дождевого облака, структурой и интенсивностью дождя, для которых затраты воды на испарение мало изучены. Приведенные в технической и справочной литературе данные различных авторов имеют существенные расхождения, что затрудняет возможность их оценки и практического применения в степной зоне Прииртышья. Суммарные потери оросительной воды на испарение при дождевании (в процентах поливной нормы) равны:
где: - суммарные потери оросительной воды на испарение при дождевании; n – испарение в воздухе при поливе (с поверхности дождевых струй и капель, снос ветром мелких дождевых капель и водяной пыли за пределы орошаемого участка); р – испарение дождевой воды, задержанной листьями растений.
Математическая обработка полученных экспериментальных данных позволила установить зависимость испарения оросительной воды при поливе ЭДМФ «Кубань» σп (в процентах поливной нормы) от температуры и влажности воздуха, скорости ветра в момент проведения полива:
где: - параметр, характеризующий влагопоглощающую способность приземного слоя воздуха:
где: t - температура воздуха в момент полива, °С; А - относительная влажность воздуха, %; v2 - скорость ветра на высоте 2 м от поверхности земли, м/с.
Для практического применения зависимости 6 разработана номограмма (рис.3), по которой при известных значениях температуры, влажности воздуха и скорости ветра определяются потери воды на испарение при поливе ЭДМФ «Кубань».
Рис. 3 Номограмма для определения затрат воды на испарение при поливе ЭДМФ «Кубань» (в % от расхода воды дождевальной машины)
Потери воды на испарение в воздухе изменяются от 2…5% поливной нормы в пасмурные дни и ночное время, до 16…18 % в жаркие дни.
Слой воды, задерживаемый растениями кукурузы, изменяется от 0,1 мм в начале вегетации до 1,6 мм в период максимального развития растительного покрова, а растениями люцерны от 0,3…0,5 мм в послеукосный период до 0,9…1,0 мм перед укосом. При поливной норме 30 мм растениями кукурузы задерживается от 0,3 % поливной нормы в начале вегетации 5,3 % в период с максимальной надземной массой, а растениями люцерны от 1,0…1,7 % после укоса до 3,0…3,3 % перед укосом.
Потери оросительной воды на испарение приводят к снижению почвоувлажнительного эффекта на 5…10 % в ночное время и на 15…20 % в дневное, и обусловливают необходимость увеличения расчётной поливной нормы. Вместе с тем, за счёт испарения дождевой воды на орошаемом поле формируется благоприятный для растений микроклимат за счёт понижения температуры и повышения влажности в приземном слое воздуха. В этой связи затраты воды на испарение при дождевании лишь частично могут быть отнесены к непроизводительным потерям.
Основой оптимизации режима орошения дождеванием и технологий полива ЭДМФ «Кубань» является достоковая, эрозионно-допустимая поливная норма (ЭДПН). Для определения ЭДПН была принята методика Н.С. Ерхова, которая учитывает как почвенные условия орошаемого участка (стандартный показатель впитывания при дождевании, плотность и влажность почвы) и состояние агрофона, так и структуру дождя дождевальной машины с учетом её неравномерности. На супесчаных каштановых почвах при поливе ЭДМФ «Кубань» достоковая поливная норма для кукурузы (рис. 4) изменяется от 32…35 мм в начале вегетационного периода до 40…50 мм в фазы вымётывания и цветения, т.е. возрастает в 1,3…1,5 раза.
Рис. 4 Изменение достоковой поливной нормы при дождевании ЭДМФ «Кубань» кукурузы на силос(II) и люцерны на сено (I)
Для люцерны перед укосом достоковая поливная норма составляет 38…40 мм и снижается после укоса до 35…36 мм, т.е. изменяется всего на 10…15 %. Полученные экспериментальным путём эрозионно-допустимые поливные нормы достаточно хорошо согласуются с данными Н.С. Ерхова, А.М. Абрамова, А.П. Лихацевича, В.Ф. Носенко и других исследователей. Проведенные исследования позволяют разработать технологию орошения люцерны и кукурузы ЭДМФ «Кубань» поливной нормой до 60 мм (за два прохода) с высоким коэффициентом эффективного полива и без нарушения экологического равновесия в пахотном горизонте почвы.
Проведенные исследования позволили сформулировать некоторые принципы, которые необходимо учитывать при разработке рациональных технологий полива:
- поливная норма mi не должна превышать достоковую mд (ЭДПН), в противном случае она должна быть реализована за несколько приёмов n;
- слой осадков за первый проход машины должен быть минимальным из условия колееобразования и проходимости машины, а при последующих поливах - больше mmin =17 мм, при котором обеспечивается нормативное значение коэффициента эффективного полива;
- необходимо планировать круглосуточную работу дождевальных машин с целью снижения потерь оросительной воды на испарение и повышения качества распределения оросительной воды по площади полива;
- параметры производительности механизированного орошения должны определяться с учетом потерь оросительной воды на испарение и возможных простоев машины из-за высоких скоростей ветра;
- технологические схемы должны обеспечивать работу машины без холостых перегонов.
Исследования показали, что в почвенно-климатических условиях Прииртышья количество проходов для выдачи расчётной поливной нормы не превышает двух. Изучение и анализ работы ЭДМФ «Кубань» при реализации различных режимов орошения позволили рекомендовать для практического применения приведенные на рис. 5 технологические схемы, полностью исключающие холостые перегоны машины и частично движение машины по мокрому полю.
mр = 2 mi; mр = mi1 + mi2;
mp ≤ mд; mi1 < 0,5 mp;
mi2 > 0,5 mp ≤ mд;
mp – расчетная поливная норма; mд – достоковая поливная норма; mi – норма полива за один проход; lп – длина поля; bп – ширина поля.
Рис. 5 Технологические схемы полива сельскохозяйственных культур ЭДМФ «Кубань».
При этом слой осадков за один проход должен быть больше минимального mmin из условия обеспечения качества полива (mmin =17 мм). Если mi1 получается меньше mmin, то первый проход проводится слоем mmin,.
Преимущества такой схемы работы ЭДМФ «Кубань» отмечаются также в работах Губера К.В., Маслова В.П. (1989); Имеришвили А.Г. (1990).