Введение к работе
Актуальность проблемы. В степной зоне Российской Федерации, при наличии плодородных черноземных почв и высокой тсплообеспсченности, лимитирующим фактором для роста и развития сельскохозяйственных культур является недостаточное увлажнение среды их произрастания (почв и приземного слоя воздуха). В этих почвенно-климатических условиях региона научно обоснованное использование оросительных мелиорации позволяет в два-три и более раза увеличить продуктивность сельскохозяйственных угодий.
Вместе с тем, более чем 30-к50-летний опыт применения крупномасштабного регулярного орошения в Северо-Кавказском регионе показывает, что наряду с безусловным положительным продуктивным эффектом от оросительных мелиорации отмечается ухудшение мелиоративного состояния регулярно орошаемых почв. В частности, на продолжительно орошаемых землях наблюдается развитие таких негативных явлений, как подъем уровня грунтовых вод и связанное с ним вторичное засоление и осолонцевапие обыкновенных черноземов, ухудшение, их водно-физических показателей. Это обусловлено не только невысоким техническим уровнем ряда действующих оросительных систем региона, но и неэффективным регулированием водного режима орошаемых земель, особенно в условиях неглубокого залегания грунтовых вод.
К примеру, только в Ростовской области (из 215 400 га по состоянию на 01.01.2006 г.) используются орошаемые земли с глубиной залегания грунтовых вод до 3,0 м на площади в 103 068 га, а с глубиной менее 1,0 м - 6166 га.
11а необходимость применения водосберегающих и "водощадящих" технологий орошения земель (черноземов в особенности) неоднократно указывали ведущие отечественные ученые Айдаров П.П., Галямина Е.П., Голованов А.И., Данильченко Н.В., Иванова Н.А., Коваленко НИ., Кружилин И.П., Козин М.А., Ольгаренко В.И., Ольгаренко Г.В., Остаичик В.П., Скуратов Н.С., Харченко СИ., Шевченко П.Д., Щедрин В.Н. и другие. Вместе с тем и к настоящему времени не все аспекты ведения орошаемого земледелия в целом и регулирования водного режима почв, в частности, в степной зоне страны
4 для условий высокого уровня грунтовых вод должным образом научно обоснованы, а имеющиеся рекомендации крайне слабо используются на практике.
Проблему разработки "водощадящих" и водосберегающих технологий оросительных мелиорации обыкновенных "староорошаемых" черноземов в условиях неглубокого уровня грунтовых вод актуализируют масштабы земель в Северо-Кавказском регионе и преимущественно в Ростовской области, оросительные системы которых выбраны в качестве объекта исследований.
Разработке научного обоснования технологий регулирования водного режима обыкновенных черноземов и режимов орошения сельскохозяйственных растений культивируемых на староорошаемых землях степной зоны Российской Федерации посвящено настоящее научное исследование. Исследования проводились в Новочеркасской государственной мелиоративной академии (НГМА), Персиановской опытно-мелиоративной станции НГМД (ҐЮМС), Ростовской ОМС ЮжНИИГиМ (х. Ьлкин Багаевского района), на Семикаракорской полевой экспериментальной базе (СПЭБ) Государственного гидрологического института (ІТИ), оросительных системах Ростовской области, Краснодарского и Ставропольского краев в рамках госбюджетной НИР "Разработать технологии полива сельскохозяйственных культур для условий степной зоны, обеспечивающие экологическую устойчивость мелиоративных систем", ГНТП "Плодородие" (1994-2006 гг.), НИР НГМА на 2006-2010 гг. 03.04.02.01 "Усовершенствовать технологии орошения сельскохозяйственных культур, обеспечивающие повышение продуктивности мелиорируемого гектара на 20-30 % и экономию водных ресурсов на 15-20 %".
Цель работы заключается в разработке научного обоснования регулирования водного режима староорошаемых обыкновенных черноземов степной зоны Российской Федерации и режимов орошения сельскохозяйственных растений в условиях близкого к поверхности залегания уровня грунтовых вод (<1,5-2,5 м) для повышения продуктивности угодий, сохранения плодородия почв и улучшения мелиоративного состояния земель.
Основными задачами исследований являются:
обоснование возможности рсіулирования водного режима обыкновенных черноземов степной зоны и режима орошения сельскохозяйственных растений в условиях близкого к поверхности залегания уровня грунтовых вод;
получение экспериментальных данных по динамике изменения водных констант староорошаемых черноземов Северо-Кавказского региона (запасов влаги и поливных норм для различной глубины и порогов увлажнения почв);
установление закономерностей распределения почвенной влаги в зоне аэрации и развития корневой системы сельскохозяйственных культур при различных поливных режимах и разноуровеином залегании грунтовых вод;
получение зависимостей по определению объемов использования грунтовых вод во взаимосвязи с биологическими особенностями сельскохозяйственных культур и глубиной проникновения корневой системы, позволяющих уточнить их оросительные нормы при близком уровне грунтовых вод;
разработка научно-методического подхода к дифференцированной и интегрированной качественной и количественной оценке мелиоративного состояния староорошаемых черноземов для условий высокого стояния уровня грунтовых вод характеризуемых различной минерализацией;
разработка рациональных и эффективных режимов орошения сельскохозяйственных культур (сорго-суданкового гибрида, озимой пшеницы, кукурузы) возделываемых на обыкновенных староорошаемых черноземах при близком к поверхности уровне разноминерализованных грунтовых вод;
проведение биоэнергетического и экономического обоснования технологии регулирования водного режима и ведения растениеводства на обыкновенных подтапливаемых грунтовыми водами черноземах в условиях орошения.
Объектом исследований является водный режим орошаемых обыкновенных черноземов продолжительно эксплуатируемых оросительных систем Северо-Кавказского региона и режимы орошения сельскохозяйственных растений, культивируемых в условиях высокого уровня стояния грунтовых вод.
Методология исследований. Методологическую основу работы составляет системный подход, позволяющий выявить причинно-следственные
связи между водно-физическими свойствами почвогрунтов на староорошаемых земельных массивах, природно-мелиоративными факторами, биологическими особенностями сельскохозяйственных культур и водным режимом почв при близком залегании уровня разноминерализованных грунтовых вод. Опытно-производственные и региональные исследования водных режимов орошаемых земель и режимов орошения сельскохозяйственных культур включали многолетние натурные эксперименты и измерения изучаемых параметров на действующих оросительных системах региона. Научную новизну работы составляют:
обоснованная и экспериментально подтвержденная научная концепция (гипотеза) технологии регулирования водного режима староорошаемых обыкновенных черноземов на продолжительно эксплуатируемых оросительных системах юга степной зоны Российской Федерации и режимов орошения сельскохозяйственных культур, выращиваемых в условиях близкого к поверхности залегания уровня разноминерализованных ірунтовьіх вод;
экспериментально установленные и уточненные параметры водных констант староорошаемых обыкновенных черноземов (для современного их состояния), включая данные по запасам влаги, поливным и оросительным нормам для различных глубин и порогов их увлажнения;
экспериментально установленные (подтверждающие концепцию) закономерности развития корневой системы широко культивируемых в регионе сельскохозяйственных растений (кукурузы, озимой пшеницы, сорго-суданкового гибрида) в условиях разработанной технологии регулирования водного режима обыкновенных староорошаемых черноземов с близким к поверхности почв уровнем стояния грунтовых вод;
полученные и практически подтвержденные эмпирические зависимости использования растениями грунтовых и оросительных вод с учетом биологических особенностей и глубины проникновения корней сельскохозяйственных культур при близком залегании уровня грунтовых вод;
разработанный научно-методический подход количественной оценки мелиоративного состояния орошаемых земель с высоким стоянием уровня грунтовых вод, новые и уточненные составляющие параметры оценки ме-
7 лиоратишюго состояния орошаемых черноземов при высоком стоянии уровня грунтовых вод на основе разработанного количественного показателя.
Основные положения, выносимые па защиту:
-
Научная гипотеза и основанные на ней технологии регулирования водного режима староорошаемых обыкновенных черноземов на действующих оросительных системах Северо-Кавказского региона и режимов орошения сельскохозяйственных культур, выращиваемых в условиях близкого (от 1,0 до 3,0 м) к поверхности уровня грунтовых вод;
-
Закономерности распределения влаги в почвеппо-грунтовом слое в пределах зоны аэрации от атмосферных осадков и орошения в зависимости о г различных систем вегетационных поливов и влияния капиллярного поднятия грунтовых вод при различной глубине их стояния;
-
Зависимости по определению объемов использования грунтовых и оросительных вод сельскохозяйственными культурами с учетом их биологических особенностей и глубины проникновения корневой системы при близком к поверхности (от 1,0 до 3,0 м) залегании уровня грунтовых вод;
-
Водосбсрегающие и водощадящие поливные режимы, основанные на установленных закономерностях развития корневой системы сельскохозяст-венных растений, произрастающих на обыкновенных староорошаемых черноземах с разными показателями увлажнения почвогрунтовой толщи по глубине формируемыми инфильтрацией атмосферных и поливных вод и капиллярным поднятием грунтовых вод;
5. Экспериментальные данные по биоэнергетическому и экономическому
обоснованию выращивания сельскохозяйственных культур на основе
предложенной технологии режимов их орошения и регулирования водно
го режима орошаемых обыкновенных черноземов в условиях высокого
стояния уровня грунтовых вод.
Достоверность результатов исследования 1. Научная гипотеза и технологии регулирования водного режима орошаемых обыкновенных черноземов основаны на многочисленных экспери-
8 ментальных натурных и лизиметрических данных и комплексном анализе почвешю-климатических и водно-физических свойств исследованных почв.
-
Положенные в основу технологии регулирования водного режима орошаемых обыкновенных черноземов качественные и количественные закономерности формирования и динамики изменения влажности почвенного слоя; зависимости изменения водного режима обыкновенных черноземов от почвенно-климатических условий, водоподачи, состояния орошаемых почв и агрокультур установлены, проверены и уточнены натурными исследованиями на опытных участках и крупных орошаемых массивах.
-
Надежность выводов определяют: - экспериментальные данные более чем двадцатипятилетних исследований, выполненных на мелиоративных стационарах, опытных участках и в пределах крупных оросительных систем региона для широкого спектра природно-климатических условий; - результаты математической обработки полученных результатов замеров и анализов с высокими значениями коэффициентов регрессионных корреляционных отношений в полученных расчетных зависимостях.
4. Отдельные из полученных данных и зависимостей гармонично согласу
ются с известными данными и закономерностями других авторов.
Практическая ценность работы заключается в:
-
Практических рекомендациях по регулированию водного режима староорошаемых обыкновенных черноземов и выращиванию сельскохозяйственных культур в условиях высокого стояния уровня грунтовых вод;
-
Предложенном рациональном (водосберегающем и водощадящем ) режиме орошения сорго-суданкового гибрида, озимой пшеницы и кукурузы, культивируемых на староорошасмых обыкновенных черноземах в условиях высокого уровня стояния разноминерализованных грунтовых вод;
-
Разработанной для Северо-Кавказского региона и исследованных почвенно-климатических условий информационно-советующей системы (ИСС) "Водный режим".
Практические рекомендации по регулированию водного режима орошаемых обыкновенных черноземов имеют надежное биоэнергетическое
обоснование и характеризуются высокими экономическими показателями.
Широкая апробация и производственная проверка рекомендаций, методик и информационно-советующей системы, дифференцированные режимы орошения сельскохозяйственных культур в зависимости от мелиоративного состояния орошаемых земель проведена на Донской, Нижне-Донской, Мартыновской, Багаевско-Садковской, Нижне-Мапычскоп, Манычской, Азовской, Пролетарской, Приморской оросительных системах. Внедрение научных рекомендаций осуществлено на площади более 10000 га, используемой для выращивания озимой пшенины, кукурузы и copro-суданкового гибрида. Информационно-советующая система "Водный режим" прошла апробацию в трех типичных почвенно-климатпческих зонах Ростовской области, Ставропольском и Краснодарском краях на общей площади более 16000 га.
Личный вклад автора. Определение направлений исследований, разработка схем полевых опытов и элементов методики наблюдений, критерии оценки влияния почвенно-климатических факторов на изменение составляющих водного режима, биологические особенности роста и развития культур и их корневой системы, формирование урожая и его качество, математические зависимости и их анализ, а также разработка способа регулирования водного режима почв, его производственная проверка и внедрение, выводы и предложения производству в диссертационной работе выполнялись лично автором. В проведении ряда полевых исследований участвовали сотрудники НГМА и Персиановской ОМС, а также СПЭБ ГГИ и РООМС ЮжНИИГиМ: Егорова Г.А., Донцов Е.С., Левченко Г.П., Волков А.С., Маркин В.В., Мар-тыненко Г.Н., Лачина П.И., Алипатова Н.И., Семенова Л.Л. Доля автора в научно-исследовательских работах, результаты которых вынесены на защиту, составила более 60 %, их производственной проверке и освоении - 100 %.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на семинарах по вопросам биологических, экономических и экологических основ нормирования водопользования орошаемого земледелия в г. Днепропетровске (1989 г.), ГГИ (г. Ленинград, 1991 г.), ежегодно (в период с 1990 по 2007
10 it.) - на научно-технических конференциях в НГМЛ, на производственных совещаниях в хозяйствах орошаемой зоны Ростовской области, на совещаниях специалистов-эксплуатационников Департамента по мелиорации земель и сельскохозяйственному водоснабжению Ростовской области "Ростовмелио-водхоз", на совещаниях специалистов-проектировщиков Государственного учреждения проектный институт "Южводпроект", на совместном заседании секции "Мелиорации и орошаемого земледелия в степной зоне" и "Эксплуатации гидромелиоративных систем" отделения Земледелия, мелиорации и лесного хозяйства Росссльхозакадемии (г. Новочеркасск, 1999 г.) и других.
Публикации результатов исследований. По теме диссертации опубликовано 45 научных работ объемом более 120 печатных листов, из них лично автором 60 п.л., в том числе четыре монографии объемом 34 п. л.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 382 страницах машинописного текста и содержит: введение, 6 глав, выводы и предложения производству, 47 рисунков, 78 таблиц в тексте, 16 приложений. Список использованной литературы включает 383 наименования, в том числе 22 иностранных авторов.
