Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности пойм как азональных природных объектов. Методика проведения исследований 10
1.1 .Состояние проблемы и обоснование темы исследований 10
1.2. Природные особенности пойменных земель НЧЗ РФ 18
1.3.Опытно-производственный участок 30
1.3.1. Климатические условия 30
1.3.2. Гидрогеологические условия поймы реки Дубны 35
1.3.3. Гидрологические условия поймы реки Дубны 39
1.3.4. Сроки затопления и подтопления осушаемых пойм паводковыми водами 41
1.3.5. Почвы и их водно-физические и агрохимические свойства .46
1.4.Состав и методика проведения исследований 51
1.4.1. Методика исследований на опытных делянках 54
1.4.2. Методика лизиметрических исследований 64
1.4.3. Определение водно-физических и физико-механических свойств почвы 71
1.4.4. Фенологические и биометрические исследования 75
1.4.5. Изучение влияния мелиоративных факторов на эффективность действия удобрений 78
1.4.6. Агрохимические анализы почвы и растений 81
Глава 2. Осушение пойменных земель тяжелого механического состава и со сложным рельефом 83
2.1. Влияние различных факторов на сток дождевых вод 84
2.2. Противоэрозионная устойчивость почв и методы ее оценки 92
2.3 Влияние естественных и искусственных осадков на равномерность увлажнения почвы 94
2.4. Воздействие различных факторов на формирование стока воды и смыва почвы в пойме р. Дубны 98
2.4.1.Влияние на сток воды и эрозию почвы ее начальной влажности 98
2.4.2.Влияние микрорельефа на сток воды и эрозию почвы 101
2.4.3.Влияние структурного состава почвы и растительности на формирование стока воды и смыва почвы 105
2.5. Разработка и обоснование методики расчета стока воды и поверхностной эрозии на осушаемых пойменных землях 110
2.6. Сток воды и смыв почвы во время весеннего снеготаяния 115
Глава 3. Особенности формирования водного режима и режима орошения сельскохозяйственных культур на осушаемых пойменных земелях 124
3.1. Взаимосвязь между элементами водного баланса зоны аэрации 124
3.2. Водообмен между зоной аэрации и грунтовыми водами 134
3.2.1. Количественный анализ существующих методов расчета 134
3.2.2. Водообмен между зоной аэрации и грунтовыми водами 140
3.3.Водопотребление сельскохозяйственных культур 147
3.3.1. Анализ существующих методов определения водопотребления сельскохозяйственных культур 147
3.3.2. Сравнительный анализ фактических данных водопотребления и рассчитанных по различным методикам 155
3.3.3. Разработка расчетной зависимости для определения водопотребления сельскохозяйственных культур 165
3.3.4. Влияние микроклиматических особенностей пойм на величину водопотребления культур 177
3.4. Режим орошения сельскохозяйственных культур на осушаемых пойменных землях 187
3.4.1 .Существующие методы расчета режима орошения сельскохозяйственных культур 187
3.4.2. Методика расчета режима орошения сельскохозяйственных культур 190
3.4.3. Режим орошения сельскохозяйственных культур на осушаемых пойменных землях 195
Глава 4. Влияние водного, воздушного, теплового и питательного режимов пойм на продуктивность и качество сельскохозяйственных культур, плодородие почв и химизм грунтовых вод 208
4.1 .Требования сельскохозяйственных культур к водному режиму почв 208
4.1.1. Связь урожайности сельскохозяйственных культур с влажностью почвы 208
4.1.2. Закономерность изменения урожайности сельскохозяйственных культур от глубины грунтовых вод 216
4.2. Развитие корневой системы растений и обоснование расчетного слоя почвы 226
4.3. Взаимосвязь водного и теплового режимов почв 233
4.4. Влияние гребневания и кротования на тепловой режим почвы и урожайность сельскохозяйственных культур 237
4.5. Условия, определяющие начало и окончание сельскохозяйственных работ на пойменных землях 244
4.6. Продуктивность сельскохозяйственных культур в зависимости от водного и питательного режимов почв 251
4.7. Качество сельскохозяйственных культур в зависимости от водного и питательного режимов почв 260
4.8. Баланс элементов питания в почве на фоне регулирования водного режима почв 271
4.9. Влияние водного и питательного режимов на плодородие почв..287
4.10. Вынос питательных и водорастворимых веществ дренажным стоком и влияние его на качество вод водоприемников 300
4.11. Модель передвижения азота в почве и результаты расчетов,... 308
Глава 5. Мелиоративный режим осушаемых пойменных земель и экономическая эффективность при его внедрении 326
5.1. Мелиоративный режим осушаемых пойменных земель 326
5.2. Разработка мелиоративных систем с учетом природоохранных мероприятий 337
5.3 Типовая схема природоохранных мероприятий .341
5.4.Экономическая эффективность 344
Общие выводы по диссертации и рекомендации производству 364
Литература 370
Приложение 407
- Природные особенности пойменных земель НЧЗ РФ
- Влияние естественных и искусственных осадков на равномерность увлажнения почвы
- Анализ существующих методов определения водопотребления сельскохозяйственных культур
- Закономерность изменения урожайности сельскохозяйственных культур от глубины грунтовых вод
Введение к работе
Пойменные земли расположены по всей территории России и занимают площадь около 50 млн. га. В Нечерноземной зоне РФ пойменные земли составляют 3% от общей площади. Они отличаются от внепойменных земель этой зоны более высоким плодородием почв. В связи с этим их интенсивное использование в сельскохозяйственном производстве имеет большое значение для народного хозяйства. Однако заболоченные и избыточно увлажненные пойменные земли не могут интенсивно использоваться без проведения мелиоративных мероприятий, которые, в свою очередь, оказывают существенное воздействие на природную среду. Поэтому при сооружении гидромелиоративных систем, в том числе в Нечерноземной зоне РФ, необходимо учитывать азональные особенности пойменных земель. Для решения этой проблемы необходимо обосновать мелиоративный режим осушаемых пойменных земель, под которым по А.И.Голованову понимается - совокупность требований к управляемым факторам почвообразования, роста растений и воздействия на окружающую среду, которые должна обеспечить система мелиоративных мероприятий [92].
Исследования включали следующие задачи:
1. Разработка мелиоративного режима на осушаемых пойменных
землях.
2. Определение взаимосвязи между водным, воздушным, питательным
и тепловым режимами осушаемых пойменных земель и обоснование
необходимого диапазона регулирования влажности корнеобитаемого
слоя почвы и глубины грунтовых вод.
2. Определение направленности и интенсивности влагообмена между корнеобитаемым слоем почвы и грунтовыми водами.
4, Определение допустимого количества стока влаги и смыва почвы в период вегетации и весеннего снеготаяния.
5. Разработка режима орошения сельскохозяйственных культур
для условий пойм Московской области.
Определение влияния водного и питательного режимов осушаемых пойменных земель на динамику запасов гумуса и питательных веществ в почве, на качество дренажных вод и вод водоприемников (водоисточников), а также на качество сельскохозяйственной продукции.
Разработка мелиоративных систем с учетом природоохранных мероприятий при регулировании водного режима на осушаемых поймах.
Научная новизна и практическая ценность:
определены закономерности формирования водно-воздушного режима и его взаимосвязь с питательным и тепловым режимами осушаемых пойменных земель, определены пределы регулирования влажности корнеобитаемого слоя почвы и глубины грунтовых вод;
определены направленность и интенсивность влагообмена между корнеобитаемым слоем почвы и грунтовыми водами;
определены допустимые пределы стока воды и смыва почвы в периоды весеннего снеготаяния и вегетации;
разработан режим орошения сельскохозяйственных культур для условий пойм Московской области;
определено влияние водного и питательного режимов осушаемых пойменных земель на динамику запасов гумуса и питательных веществ в почве, качество дренажных вод и вод водоприемников (водоисточников), а также на качество сельскохозяйственной продукции;
усовершенствованы состав и конструкции мелиоративных систем для осушения пойменных земель;
- обоснован мелиоративный режим осушаемых пойменных земель
при дополнительном орошении.
Защищаемые положения. На защиту выносятся:
допустимые пределы регулирования влажности корнеобитаемого слоя почвы и глубины грунтовых вод;
методика расчета стока воды и поверхностной эрозии осушаемых пойменных земель;
режим орошения сельскохозяйственных культур для условий пойменных земель Московской области;
мелиоративные системы для осушения пойменных земель;
мелиоративный режим осушаемых пойменных земель при дополнительном орошении.
Практическая значимость заключается в разработке и обосновании
мелиоративного режима осушаемых пойменных земель в Московской облас-
# ти.
На этой основе предложены: уточненные требования сельскохозяйственных культур и почв осушаемых пойм к водному, тепловому и питательному режимам; метод расчета стока воды и поверхностной эрозии для осушаемых пойменных земель, а также допустимый диапазон стока воды и смыва почвы в период вегетации и весеннего снеготаяния; режим орошения сельскохозяйственных культур для условий пойменных земель Московской области; природоохранные мероприятия при регулировании водного режима почв на осушаемых пойменных землях.
Эти предложения позволяют повысить качество проектирования гидромелиоративных систем. Они позволяют более полно учитывать влияние
мелиоративных мероприятий на плодородие почв, грунтовые воды и воды Ф
водоприемников и предотвращают отрицательные экологические последствия.
s Реализация работы.
Результаты работы были использованы в проектах мелиорации пойменных земель Московской области.
За разработку новых гидромелиоративных систем автор награжден тремя серебряными медалями ВДНХ СССР.
Результаты работы использованы в учебном процессе:
в курсах лекций по осушительным и оросительным мелиорациям, читаемых автором студентам, а также в курсовом и дипломном проектировании;
при написании «Методических указаний к заданиям по учебной практике по мелиорации, рекультивации и охране земель для студентов эколого-мелиоративного факультета по специальностям: 3205-МРОЗ; 3206-КИОВР; 3302-ИЗОС; 3136-ИСВОВ».
Апробация работы. Результаты доложены на научных конференциях МГМИ в 1981.. .1991 и МГУП в 2000 гг.;
на «Всероссийском симпозиуме РАСХН по вопросам лизиметрических исследований в агрохимии, почвоведении, мелиорации и агроэкологии», Москва-Немчиновка, ВНИПТИХИМ, 1999 г.;
на «Международной научно-практической конференции по проблемам экологии и безопасности жизнедеятельности в XXI веке», М., МАЭБП, 2002 г.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 20 научных работ из них 6 самостоятельно и 14 в соавторстве. Кроме того, материалы диссертации изложены в 9 научных отчетах МГМИ, написанных соискателем в соавторстве.
Работа выполнена по материалам исследований, проведенных лично автором и под его руководством на кафедре мелиорации и рекультивации земель МГУП с 1977 по 1992 гг.
Научное и методическое руководство комплексными исследованиями на опытно-производственном участке (ОПУ) «Дубна» осуществляли с 1977
по 1988 гг. заведующий кафедрой, профессор Е.С.Марков и доцент кафедры Ю.Н.Никольский, а с 1989 по 1992 гг. Е.С.Марков и автор.
Лично автором были установлены 14 лизиметров и проведены на них научные исследования с 1981 по 1984, а также с 1986 по 1988 годы. Разработана программа и проведены научные исследования по теме: «Разработка природоохранных мероприятий при регулировании водновоз-душного режима на осушаемых пойменных землях». С 1977 по 1986 годы автор руководил научно-исследовательской экспедицией и ОМП «Дубна».
В диссертации использованы материалы научных отчетов экспедиции «Дубна» за 1977...1990 годы, а также материалы наблюдений по водному режиму почв, полученные сотрудником МГМИ Ф.М.Зиминым и аспирантами Синарой Хонг, Нианг Алеуном; по тепловому режиму почв, полученные Е.С.Кожановым; по эрозии пойменных земель, полученные В.А. Незнановой; по питательному режиму почв, полученные сотрудниками Всероссийского института удобрений (ВИУА) А. А.Завал иным, Л. С. Черновой, проводивших научные исследования на ОПУ «Дубна» совместно с автором. Использовались также результаты научных исследований кафедры по математическому моделированию передвижения влаги и азота в почве.
Автор приносит благодарность научному консультанту заведующему кафедрой мелиорации и рекультивации земель Заслуженному деятелю науки РФ, академику РАВН, профессору, д.т.н. А.И.Голованову, а также сотрудникам кафедры и ВИУА, оказавшим помощь и содействие в подготовке диссертации.
Природные особенности пойменных земель НЧЗ РФ
Нечерноземная зона РФ (НЧЗ) занимает площадь более 250 млн.га, из которых 3% составляют пойменные земли. В этой зоне были проведены значительные мелиоративные работы. Мелиоративный фонд в НЧЗ РФ к 1980 г. составлял 10,8 млн.га [15]. В целом по РФ мелиоративный фонд к 1990 г. составлял 14 млн.га. Однако, «Ухудшение мелиоративного состояния земель сокращение финансирования на эксплуатацию мелиоративных систем, падение рентабельности сельскохозяйственного производства за последнее десятилетие привели к массовому переводу мелиорированных земель в менее ценные категории угодий» [95]. В настоящее время в целом по РФ осушаемые земли составляют 4,7 млн.га, а орошаемые 5 млн.га [95]. При проведении мелиоративных мероприятий большое значение имеют климатические условия. По данным Шашко Д.И. [393], эта зона включает в себя пять агроклиматических подзон, которые показаны на рис, 1.2. А - полярно-тундровая холодная, постоянно избыточно влажная подзона. Сумма биологически активных температур воздуха (2Т 10С) колеблется в диапазоне от 0 до 400С. Показатель увлажнения за год (отношение суммы осадков - 2 Ос к сумме дефицитов влажности воздуха - 2d; 2 Ос/2d) составляет 0,7....0,8. Б - северо-таежная умеренно холодная, преимущественно избыточно влажная подзона; (2Т 10С) колеблется в диапазоне от 400 до 1250С; (2 Ос/ 2d) составляет 0,60. В - среднетаежная прохладная, периодически избыточно влажная подзона; (2Т 10С)- 1500....1600С; (2 Ос/2d)- 0,60. Г - южно-таежная умеренно теплая, неустойчиво влажная подзона; (ЕТ 10С) - 1600... .2200С; (L Ос/ Sd) - 0,45... .0,60. Д - широколиственно-хвойная и лесостепная теплая, умеренно недостаточно увлажненная подзона; (Т 10С) - 1700,...2300С; (Е Ос/ Sd) -0,40....0,45. Значение радиационного баланса за год изменяется от 800...920 мдж/м2 на севере до 1460...1670 мдж/м на юге [262]. Доля площади сельскохозяйственных угодий (в %) от общей земельной площади, соответственно по подзонам, составляет-0,19; 0,83; 10,2; 32,3; 60,6 %. Доля гидроморфных почв изменяется от 23% на севере до 7% на юге. Химический состав грунтовых вод в основном гидрокарбонатного типа и на 72% переувлажненных объектов имеет минерализацию ОД.. .0,5 г/л [278]. Наиболее благоприятные климатические условия для ведения сельского хозяйства складываются в южно-таежной подзоне, на территории которой расположены 12 областей Центрального экономического района.
Основные метеорологические условия Центрального района Нечерноземной зоны России даны в табл. 1.2. Характерными особенностями климатических условий для данного района является периодически возникающая недостаточная или избыточная обеспеченность сельскохозяйственных культур влагой, а также умеренная или недостаточная обеспеченность теплом. Континентальность климата возрастает с запада и северо-запада на восток и юго-восток. При этом количество осадков уменьшается, а амплитуда их колебаний по годам и в отдельные месяцы вегетационного периода увеличивается. Среднегодовая температура воздуха возрастает с севера (+1,5С) на юг (+5,9С). Сумма биологически активных температур воздуха колеблется от 1700 до 2400С, что достаточно для выращивания основных сельскохозяйственных культур (зерновых, кормовых, овощных и картофеля), которым, соответственно, необходимо 1000... 1700; 600...1500; 1200...2000 и 1000..Л400С. Самым холодным месяцем в году является январь со среднемесячной температурой воздуха от -{7...9)С на юге НЧЗ РФ до -(12...14)С на севере, а самым жарким - июль (19...20)С на юге (17...18)С на севере. Следует отметить, что температура воздуха на внепойменных участках несколько выше, чем на пойменных участках в вегетационный период. В многолетнем разрезе такая разница составляет 0,1...0,3С, а в отдельные годы и периоды может достигать 2...3С [208, 251, 316]. Такое различие в температурах воздуха обусловлено близким расположением грунтовых вод на пойме и более высокой по сравнению с суходолом влажностью почвы и пониженными отметками поверхности земли. Это оказывает влияние на влажность воздуха и снижает величину суммарного испарения с поверхности почвы в среднем на 10%. Изменение R/LOc на 10% в южно-таежной подзоне приводит к заметному снижению кислотности почвы и небольшому снижению (1,05...1,15 раз) содержанию гумуса [253]. Наименьшая продолжительность безморозного периода составляет 115... 125 дней в Ивановской области и наибольшая 138...154 дня в Тульской области. На пойменных землях эта величина на 7...14 дней меньше, чем вне поймы [208, 251]. Устойчивое промерзание почв на поймах Московской области начинается около середины ноября. Полное оттаивание почвы наступает в первой и второй декадах апреля, а наиболее позднее - 16 мая - 1 июня. Средняя многолетняя продолжительность промерзания почвы — 140... 180 дней. Распределение количества осадков по месяцам вегетационного периода даны в таблице 1,3. Количество осадков, выпадающее за год, составляет в Рязанской области 583 мм, а в Смоленской области - 750 мм, при этом на вегетационный период приходится менее их половины. Осадки в вегетационный период выпадают крайне неравномерно. В отдельные летние месяцы бывают засушливые периоды без дождей, продолжительность которых составляет от 4...6 до 10...20 (30) суток, что обуславливает дефицит влаги в почве.
Влияние естественных и искусственных осадков на равномерность увлажнения почвы
Как уже отмечалось, полностью ликвидировать микропонижения на осушаемых поймах не представляется возможным. После проведения планировки они появляются снова. Поэтому в весенний период во время снеготаяния происходит перераспределение поверхностного стока. При этом часть воды аккумулируется в микропонижениях, где она застаивается на недопустимо продолжительное время. Это приводит к уплотнению почвы и снижению впитывающей способности. Осадки, выпадающие в весенний период, усиливают процесс избыточного увлажнения микропонижений и растягивают его во времени. Во влажные годы почва микропонижений не успевает просохнуть в течение всего периода вегетации из-за постоянно выпадающих осадков, что приводит к образованию вымочек. Площадь вымочек-микропонижений составила: в 1982 г.- 47,1%, в 1983 г.- 33,5%, в 1984 г.-29,6% [242]. .Следует отметить, что согласно СНиП 2.06.03-85 глубина заложения дренажа равна 1,1м. Глубина микропонижений составляет 0,1... 0,6 м. Поэтому глубина заложения дренажа в микропонижениях будет меньше (от 1 до 0,5 м). Уменьшение глубины заложения дренажа в микропонижениях снижает норму осушения. Проведенные исследования показали, что отклонение нормы осушения в меньшую сторону от оптимального значения (раздел 4.1.2) приводит к повышению влажности почвы и как следствие к снижению урожайности сельскохозяйственных культур. На участках поймы р,Дубны, осушаемых традиционным способом (дренаж), снижение урожая в замкнутых понижениях глубиной 0,2...0,3 м составляет 30... 50%, а в микропонижениях глубиной до 0,6 м урожай полностью гибнет [242].
В связи с тем, что количество дождей в году различно, а их интенсивность, продолжительность и дата выпадения - случайные величины, проведен анализ осадков, выпадающих за период вегетации сельскохозяйственных культур (май-сентябрь) количество слоя осадков составляет 25...68% от осадков выпадающих за год. За 1981...1984 годы максимальная величина слоя осадков приходится на июнь-июль месяцы. В начальные фазы развития растений (май-июнь) осадков выпадает 16.. .25% от количества осадков за год, однако, дожди, выпадающие в этот период, наиболее эрозионноопасные, потому что выпадают на почву, незащищенную растениями [242].
Воздействие капель на поверхность почвы происходит на глубину до 3 мм, что приводит к закупорке пор мелкими частицами, при этом верхняя часть этого слоя почвы уплотняется каплями дождя наиболее сильно. Проницаемость этого слоя почвы во много раз меньше, чем нижележащего [395]. Г.И.Швебс, на основании этих данных, предполагает, что просачивание воды в почву происходит не по всему фронту, как считается в настоящее время, а фактически в местах разлома корки или возле крупных комков и остатков растений [395].
За период вегетации 1981 года количество дождей, выпадающих слоем 5...10 мм, составляет 72% от общего количества дождей за этот период, в 1982 г. - 54%; в 1983 г. - 51,7%; в 1984 г. - 52,5%. Эти дожди, в основном, приходятся на июнь - июль. От общего количества осадков эти дожди составляют: в 1981 г. - 12%; 1982 г. - 20,4%; 1983 г. - 28,6%; 1984 г. - 15,0% [242] . Дождей продолжительностью 1,5 часов в 1981 году было 12%; в 1982 г. - 10,9%; 1983 г. - 17,2%; 1984 г. - 15% от общего количества осадков, выпавших за период вегетации. Наиболее многочисленными являются дожди продолжительностью 30 минут: 1981 г. - 84%; 1982 г. - 64,6%; 1983 г. -65,8%; 1984 г. - 60,0% [242] . Дожди, выпадающие за период вегетации, по интенсивности и характеру выпадения делятся на ливневые, обложные, моросящие. Э.Ю. Берг разделяет дожди на ливни и не ливни и предлагает зависимость для такого разделения [149]. Максимальное количество дождей за период 1981... 1984 годы было с интенсивностью 0,5 мм/мин. В таблице 2,1 дана классификация Н.И.Игошина [149] характера дождей по интенсивности, согласно которой за исследуемый период выпало 32 ливня, в том числе в 1981 г. - 3; 1982 г. - 14; 1983 г. - 7; 1984 г. - 8. За период исследований 63 раза наблюдался поверхностный сток и смыв почвы, что составило 39% от общего числа выпавших осадков. Погодные условия в 1981... 1984 годах сложились таким образом, что почти каждый третий дождь вызвал эрозию почвы.
Анализ существующих методов определения водопотребления сельскохозяйственных культур
Суммарное водопотребление (водопотребление) это количество воды, которое необходимо для роста и развития растений в период вегетации. Водопотребление состоит из физического испарения и транспирации растений. На испарение с поверхности почвы оказывают влияние только внешние факторы и влажность почвы, а на транспирацию воздействуют как внешние, так и внутренние факторы растений. При оптимальной влажности почвы — это потенциальное суммарное водопотребление, которое исследовалось в данной работе. Испарение с поверхности почвы может быть составной частью водопотребления, но может быть и самостоятельной частью водного баланса в период, когда сельскохозяйственные культуры отсутствуют на поле. В этом случае оно выступает в качестве самостоятельного элемента водного баланса, и используется для расчета дренажа и водного режима в весенний период. Известно несколько методов определения водопотребления сельскохозяйственных культур. Это методы водного, теплового и водно-теплового баланса, турбулентной диффузии, эмпирические зависимости. Метод водного баланса предусматривает использование уравнения водного баланса. При этом все составляющие уравнения водного баланса измеряются непосредственно в поле, а водопотребление вычисляется как неизвестный член этого уравнения. Этот метод чаще всего применяется при глубоком залегании грунтовых вод, так как в этом случае влагообмен между расчетным слоем почвы и нижерасположенными слоями незначителен и им пренебрегают. В этом случае в уравнении водного баланса необходимо определять величину изменения влагозапасов и осадки. Точность измерения влагозапасов зависит от естественных условий объекта орошения: микрорельефа, водно-физических характеристик и равномерности выпадения осадков. Величина ошибки при измерении влагозапасов с использованием нейтронного влагомера составляет ±2...3% [252], а погрешность в измерении осадков составляет 10...12% [174, 349], Точность определения водопотребления методом водного баланса за декаду колеблется в пределах 10... 12%, в неоднородных - от 15% [349] до 33,8% [68],а в целом за вегетацию - 10...12% [326] и 6,1...14,2% [68]. Более точное определение водопотребления получается при использовании метода водного баланса монолитов. При этом водопотребление можно определять как в условиях глубокого, так и близкого залегания грунтовых вод.
В первом случае используются испарители, во втором - лизиметры. Использование лизиметров позволяет определять водообмен зоны аэрации с грунтовыми водами, что повышает точность определения водопотребления до 5...10% [260]. Точность определения водопотребления с помощью испарителей составляет не более 11% [110]. В основе метода теплового баланса лежит уравнение теплового баланса поверхности земли, включающее в себя тепло-водообмен в приземном слое воздуха. Метод пригоден, в том числе, для определения водопотребления при близком залегании грунтовых вод, когда затруднительно определить водообмен. Уравнение теплового баланса включает в себя радиационный баланс, составляющие которого измеряются с помощью приборов. Остальные составляющие теплового баланса рассчитываются по данным наблюдений за температурой почвы, воздуха и скоростью ветра. Измерение этих метеоданных является трудоемким процессом, осуществляется на метеостанциях или в научно-исследовательских экспедициях, специально подготовленными сотрудниками, при наличии необходимых приборов. Точность этого метода зависит от погодных условий и времени суток. Она снижается в пасмурную погоду и при определении водопотребления в утренние и вечерние часы. В этих условиях ошибка может составлять 100% [171]. По данным П.П-Кузь-мина точность расчета водопотребления за месяц колеблется в пределах ±19%, а за год - ± 5% [349]. Данные других авторов в погрешности определения водопотребления составляет от 5 до 20% [240] и от 6,2 до 33,4% [375]. Метод определения водопотребления по оттоку пара от испаряющей поверхности в атмосферу (градиентный метод) основан на использовании уравнений турбулентного обмена тепла и пара в приземном слое воздуха. Этот метод может быть использован для расчета водопотребления с больших территорий в любой природно-климатической зоне за любой промежуток времени. Исходными данными для расчета являются: температура воздуха, упругость водяного пара, свойства подстилающей поверхности, осадки, скорость ветра, измеренная на 2...3 уровнях. При расчете используются таблицы и графики, построенные по экспериментальным данным [175]. Широкое использование этого метода ограничивается отсутствием данных о скорости ветра на разных уровнях. Ошибка определения водопотребления обуславливается погрешностью градиентных измерений. Разница в определении водопотребления с помощью испарителей и методом турбулентной диффузии за отдельные месяцы составляет для зерновых культур 25.. .30%, для полей под черными парами до 35% [349].
Закономерность изменения урожайности сельскохозяйственных культур от глубины грунтовых вод
Следующим показателем мелиоративного режима на осушаемых пойменных землях является допустимые пределы глубин грунтовых вод, так как характерной особенностью пойменных земель грунтового типа водного питания является близкое залегание грунтовых вод, оказывающих влияние на водный режим. Близко залегающие грунтовые воды активно участвуют в почвообразовательном процессе. Очевидно, водный режим будет складываться наиболее благоприятным образом при определенных глубинах грунтовых вод. Эти глубины А.Н.Костяков назвал «нормой осушения» [182].
Отклонение от нормы осушения отрицательно влияет на почвообразовательный процесс, а также вызывает снижение урожайности сельскохозяйственных культур из-за неблагоприятного для них водного и связанного с ним воздушного, питательного и теплового режимов почв. Это обстоятельство необходимо учитывать при обосновании мелиоративного режима осушаемых пойменных земель. Однако, в условиях осушаемых пойм, при дополнительном увлажнении дождеванием, этот вопрос изучен слабо.
В условиях одного осушения, без дополнительного орошения, в литературе имеются рекомендации по нормам осушения [182, 208, 213, 331, 345 и др]. Эти рекомендации показывают, что предлагаемые нормы осушения варьируют в широких пределах: 75... 130 см для свеклы кормовой; 60... 110 см для многолетних трав; 75... 130 см для овощных культур. Как отмечает Б.С. Маслов [213], в основу определения норм осушения положены графики связи относительной урожайности сельскохозяйственных культур (У =У/Уашх) с глубиной грунтовых вод (Л). При осушении сущность этой связи сводится к следующему: при малых глубинах залегания грунтовых вод растения гибнут от недостатка воздуха; при понижение уровня фунтовых вод аэрация увеличивается и урожайность повышается; при определенной глубине залегания грунтовых вод имеет место оптимальное соотношение между влажностью почвы и аэрацией, обеспечивающее максимальную урожайность; дальнейшее понижение глубины залегания грунтовых вод ведет к снижению урожайности из-за недостатка влаги; на определенной глубине залегания грунтовых вод процесс снижения урожайности прекращается. Такая зависимость дана в работе [216]. В условиях одностороннего осушения без дополнительного орошения существование глубины, при которой получается максимальный урожай, объясняется оптимальным соотношением между влажностью почвы и ее аэрацией. Положение характерных точек на кривой зависит от вида растений и почв, климатических условий [216].
В связи со слабой изученностью данного вопроса в условиях дополнительного увлажнения дождеванием сельскохозяйственных культур на осушаемых поймах возникла необходимость провести исследования по определению оптимальных норм осушения. Для этого, в 1981 году автором были организованы лизиметрические исследования на дерново-глеевых средне-суглинистых почвах со свеклой кормовой и многолетними травами. В дальнейшем исследования продолжили сотрудники и аспиранты кафедры мелиорации и рекультивации земель МГУП, работавшие совместно с автором. Опыты с капустой белокочанной проводились Ф.М.Зиминым [140], кукурузой на силос - Синарой Хонг [333], картофелем - Нианг Алеуном [244].
В лизиметрах с глубиной грунтовых вод (Д) 1,0 1,8 м влажность почвы поддерживалась с помощью дождевания в оптимальном диапазоне. Влажность слоя почвы 40 см в опыте со свеклой кормовой при Д=1,0...1,8мв среднем за вегетацию 1981, 1983 годов составила0,37 см /см ,ав 1982 году-0,38 см /см или (0,72...0,75) ПВ (ПВ в лизиметрах со свеклой кормовой и капустой белокочанной равна 0,51 см /см ). В опыте с многолетними травами в среднем за вегетацию 1981 ...1984 годов при Д = 1,0 м влажность почвы в слое 40 см, соответственно, составила 0,39; 0,40; 0,42; 0,40 см3/см3 или (0,72...0,78) ПВ. При Д = 1,4 м, соответственно - 0,38; 0,40; 0,39; 0,39 см3/см3 или (0,70...0,74) ПВ (ПВ в лизиметрах с многолетними травами 0,54 см /см ).
В опыте с капустой белокочанной при Д = 1,0...1,6 м в среднем за вегетацию 1986...1987 годов влажность почвы в слое 40 см поддерживалась в диапазоне 0,36...0,41 см3/см3 или (0,71...0,80) ПВ.
Влажность слоя 40 см в опытах с кукурузой в среднем за вегетацию в 1990 году при Д = 1,0 м, а в 1991 году при Д = 1,6 м составила 0,38 см3/см3 или 0,76 ПВ. При Д = 0,8... 1,6 м в других вариантах за эти годы - 0,39 см3/см3 или 0,78 ПВ (ПВ в лизиметрах, занятых кукурузой и картофелем 0,51 см3/см3). При глубине грунтовых вод 0,5 м влажность почвы в слое 40 см была выше, чем при Д = 0,8...1,8 м в опытах со всеми исследуемыми культурами. Так, за вегетацию 1981... 1983 годов влажность почвы со свеклой кормовой, соответственно, составила 0,39; 0,41; 0,40 см3/см3 или (0,76...0,80) ПВ. За вегетацию 1981...1984 годов эта величина для многолетних трав, соответственно, составила0,42; 0,45; 0,44; 0,44 см3/см3 или (0,78-...0,83)ПВ. В опыте с капустой влажность почвы при Д = 0,5 м в слое 0...40 см в 1986, 1987 годах составила 0,42; 0,43 см3/см3 или (0,82...0,84) ПВ. В 1990...1991 годах в опыте с кукурузой, она в аналогичных условиях составила 0,41; 0,40 см3/см3 или (0,80...0,82) ПВ, а в опыте с картофелем в 1991 году 0,39 или 0,78 ПВ. Из анализа видно, что при А = 0,5 м влажность дерново-глеевой почвы за все годы исследований со всеми культурами была выше оптимального диапазона, а при Д = 1,0...1,8 м (свекла кормовая), Д = 1,0...1,6 м (капуста белокочанная), Д = 0,8...1,6 м (кукуруза) и Д = 1,0...1,5 м (картофель) в оптимальном диапазоне. В лизиметрах моделировались различные глубины грунтовых вод "в диапазоне 0,5...1,8 м, поэтому представляет интерес сделать анализ взаимосвязи между глубиной залегания грунтовых вод и составляющими элементами водного баланса.
