Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы по интенсивному использованию земель лиманного орошения в заволжье
1.1. Развитие лиманного орошения на Юго-Востоке России 7
1.2. Водный режим лиманов 20
1.3. Эколого-экономические и социальные аспекты рационального водопользования в условиях лиманного орошения
1.4. Принципы ландшафтно-экологического подхода к мелиорации лиманных земель
2. Программа, методика и условия проведения исследовательской работы
2.1. Гидрогеолого-почвенные условия 43
2.2. Метеорологические условия в годы исследований 49
2.3. Схема опыта и методика проведения исследований 54
2.4. Агротехника проведения исследований 57
3. Водный режим почвы при возделывании кукурузы на силос и многолетних трав на сено в зависимости от сроков и норм затопления лиманов
3.1. Режим влажности почвы под посевами кукурузы 59
3.2. Водопотребление кукурузы 80
3.3. Режим влажности почвы под многолетними травами 83
3.4. Водопотребление многолетних трав 89
4. Влияние лиманного орошения на экологомелиоративное состояние земель
4.1. Изменение гидрогеолого-мелиоративных условий при лиманном орошении
4.2. Современное гидрогеолого-мелиоративное состояние инженерных систем лиманного орошения
4.3. Мониторинг состояния лиманных почв - способ совершенст-вования водохозяйственных расчетов
4.4. Влияние срока затопления лиманов на солеотдачу почв 112
4.5. Изменение питательного режима почв в зависимости от режима затопления лиманов
5. Фитоклимат посевов и влияние режимов затопления на формирование биомассы кукурузы и многолетних трав
5.1. Обеспеченность тепловыми ресурсами кукурузы и многолетних трав
5.2. Температурный режим и фенология развития кукурузы
5.3. Рост кукурузы в высоту 124
5.4. Фотосинтетическая деятельность и накопление урожая кукурузы
5.5. Развитие многолетних трав при различных режимах лиманного орошения
5.6. Влияние норм и сроков лиманного орошения на интенсивность роста лугового травостоя
6. Продуктивность кукурузы и многолетних трав в зависимости от режимов лиманного орошения
6.1. Структура урожая кукурузы и ее изменение под влиянием режимов лиманного орошения
6.2. Урожайность кукурузы в зависимости от режимов лиманного 143 орошения
6.3. Накопление урожая многолетних трав и его структура 148
6.4. Влияние режимов лиманного орошения на урожайность мно- 153 голетних трав
6.5. Питательная ценность и качество корма из кукурузы и много- 159 летних трав
7. Экономическая и агроэнергетическая оценка 164
Возделывания кукурузы на силос и многолетних трав на сено в условиях различных ороситель ных норм и сроков лиманного орошения выводы 171
Рекомендации производству 174
Список использованной литературы
- Эколого-экономические и социальные аспекты рационального водопользования в условиях лиманного орошения
- Схема опыта и методика проведения исследований
- Режим влажности почвы под многолетними травами
- Мониторинг состояния лиманных почв - способ совершенст-вования водохозяйственных расчетов
Эколого-экономические и социальные аспекты рационального водопользования в условиях лиманного орошения
Большое преимущество в подпитывании лиманов по оросительным и обводнительным каналам дает использование воды из реки Волги. Возможность поздне-осенней или подзимней влагозарядки, позволяет снижать напряженность работ в ранневесеннее время. В 1989-1990 гг. благодаря переброске Волжской воды по Саратовскому оросительно-обводнительному каналу им. Е.Е. Алексеевского до 33-35 % от всей площади лиманного орошения в Саратовском Заволжье затапливалось осенью [218].
В период развития лиманного орошения основным направлением их использования было производство кормов, а также возделывание высокопродуктивных культур.
Исторически интерес к возделыванию сеянных культур, то ослабевал, то усиливался. Как правило, в первые годы освоения лиманов крестьяне получали значительные (до 40 ц/га) урожаи зерновых культур [24, 196]. В дальнейшем из-за отсутствия севооборотов и эффективной агротехники лиманы сильно засорялись, плодородие почвы снижалось и их залужали под сенокосы и пастбища. Например, в первый год эксплуатации Алтатинского лимана в 1913 году из 2776 га орошаемой площади, под пашней было 80 %, в 1916 -50 %, в 1924 - 26 %, а с 1928 года лиман стал сенокосным угодьем [26].
Одновременно с развитием лиманного орошения совершенствовались научные представления об этом способе мелиорации земель. Значительный вклад в изучение гидрологических, гидрогеологических, мелиоративных и агротехнических основ лиманного орошения в Заволжье и Прикаспийской низменности, а также в других регионах внесли крупные ученые и практики: И.И. Жилинский (1892), B.C. Богдан (1900), П.А. Витте (1910), Б.А. Шумаков (1925, 1963, 1970), Ф.П. Саваренский (1950), В.А. Соловьев (1954, 1970), И.А. Кузник (1954), А.Г. Ларионов (1957, 1971, 1984), Р.Э. Кригер (1954), И.В. Ларин (1956), B.C. Дмитриев (1970, 1984), Б.Б. Шумаков (1970, 1979, 1984), Н.Г. Воронин (1969, 1990), Н.А. Мосиенко (1972, 1984), В.Ф. Мамин (1978, 1985, 1986, 1991), Б.И. Туктаров (1998) и многие другие.
Благодаря накоплению научных знаний и производственного опыта о лиманах сформировались различные точки зрения о повышении их продуктивности. Ряд авторов считают, что совершенствование сельскохозяйственного использования как агроэкосистем и природных экосистем должно основываться на применении интенсивных лиманных систем земледелия с оптимальной структурой посевных площадей и правильными севооборотами, в которых учитывается своеобразие полива затоплением, климатические и почвенные ресурсы, потенциальная возможность экологически соответствующих культур, совершенствованием элементов технологии их возделывания [32, 149, 148,247,218].
Утвердилось мнение о нецелесообразности распашки природных лиманов с хорошо сформированным злаковым травостоем, а также с засоленными почвами и с близким расположением грунтовых вод. На таких лиманах повышают урожайность и сохраняют плодородие почвы путем поверхностного и коренного улучшения площадей и за счет научно-обоснованного режима затопления с учетом почвенно-гидрологических условий [38, 36, 37, 75, 128, 135, 137,139, 181].
Например, рыхление дернины дискованием повышает эффективность минеральных удобрений. Доля ценных злаков возрастает в 2 - 3 раза, а продуктивность лимана в 2,5 - 3,6 раза [38, 218]. Если эколого-мелиоративные и почвенно-гидрологические условия позволяют, то сельскохозяйственное производство на лиманах интенсифицируют путем правильного сочетания естественных травостоев и распаханных площадей, занятых сеянными культурами [147, 163, 173, 248]. Ряд авторов [144, 169] считают, что в севообороты необходимо вводить от 50 до 75 % многолетних трав, при необходимости оставляя их в выводном поле. В зависимости от эколого-мелиоративного состояния лимана состав культур может быть следующий:
На засоленных почвах с близким залеганием грунтовых вод: 1,2,3 - многолетние травы на сено; 4 - многолетние травы для обсеменения; 5,6,7 - многолетние травы на сено и выпас; 8 - просо; 9 - подсолнечник, чина или суданская трава; 10 - суданская трава на сено; 11 - многолетняя рожь с подсевом многолетних трав.
Если почвенно-мелиоративные условия более благоприятны, то в условиях 10-12 затопления в севообороте с многолетними травами может увеличиться доля зерновых культур: 1,2,3,4,5 - многолетние травы на сено; 6 -твердая пшеница или просо; 7 - мягкая пшеница или ячмень; 8 - бахчи кормовые; 9 - ячмень с подсевом многолетних трав.
А на мелководных лиманах возможно применение и более интенсивных севооборотов [30, 32, 189]: I севооборот 1 - кукуруза уплотненная подсолнечником на силос; 2 - горох, соя; 3 - кукуруза на зерно; 4 - ячмень; 5 - суданская трава; II севооборот: 1 - ячмень с подсевом многолетних трав, 2,3 -люцерна с кострецом безостым; 4 - кукуруза на зерно; 5,6 - кукуруза на силос; III севооборот: 1 просо или суданская трава с подсевом многолетних трав; 2,3,4 - многолетние травы; 5 - кукуруза на зерно; 6,7 - кукуруза с соей или уплотненная подсолнечником.
Схема опыта и методика проведения исследований
Агротехника возделывания кукурузы на силос была общепринятой для условий лиманного орошения, направленной в основном на накопление влаги и сбережение ее от потерь на испарение с поверхности почвы.
Основная обработка почвы проводилась осенью на глубину 25 - 27 см, плугами с предплужниками. Весной после затопления, впитывания воды и поспевания почвы предпосевная обработка состояла из двухследного боронования, культивации на глубину 10 - 12, 8 - 10 см. Сев кукурузы проводили сеялкой СПЧ-6 МФ. После чего в обязательном порядке посевы прикатывали.
После посева, через 6-7 дней, до всходов поле бороновали для уничтожения почвенной корки и для истребления проростков однолетних сорняков. Второе боронование проводили после всходов в фазу 3-4 листьев. После боронования культивировали два раза междурядья на глубину 8-10 см, 6-8 см.
Расчетные нормы минеральных удобрений вносились во влажный слой дробно: под предпосевную культивацию стерневой сеялкой СЗС-2,1 вносили основную часть азотных и фосфорных удобрений (N40P30); при посеве - фосфорные удобрения в норме Р]0; с первой междурядной обработкой в фазу 5 -7 листьев - азотные в норме N3o Уборку производили после наступления фазы молочно-восковой спелости зерна.
Технология выращивания многолетних трав соответствовала научно обоснованным рекомендациям по использованию земель лиманного орошения и была направлена на получение высоких урожаев сена. Минеральные удобрения, согласно расчетных норм N60, вносились весной в период спада и впитывания оросительной воды на лимане в форме аммиачной селитры.
На фоне осеннего затопления удобрения вносили также весной, после схода снега и по влажной почве. Для улучшения аэрации и рыхления верхнего слоя почвы, где находится основная часть корневищ злаковых трав, осенью применялось боронование игольчатыми боронами БиГ-3.
Уборка урожая проводилась в фазу начала цветения костреца безостого сеноуборочным комплексом-трактором МТЗ-80 с косилкой КТП-6,0 с последующим сгребанием и подбором сена подборщиком-копнителем ПК-1,6А после высушивания массы до стандартной влажности 17 %.
Лиманное орошение в результате поверхностного затопления способно насыщать почвогрунты на значительную глубину. В течение вегетации культурные растения используют почвенные влагозапасы и формируют урожай, коррелируемый с их количеством и доступностью.
В отличие от регулярного орошения режим влажности почвы на лиманах имеет существенные отличительные особенности, решающую роль в которых играет контрастное распределение и использование почвенных влагоза-пасов в верхних (быстро иссушаемых) и нижних перенасыщенных (от близкого расположения грунтовых вод) горизонтов почвогрунтов.
Растения часто вынуждены в течение второй половины вегетации испытывать значительные затруднения водного питания в верхнем полуметровом слое, где отмечается иссушение, достигающее иногда уровня завядания растений.
В этих условиях бесперебойное водное снабжение может осуществляться лишь из труднодоступных для корневой системы нижних переувлажненных (от НВ до ПВ) горизонтов.
Поэтому очень важно в полупустынных районах Саратовского Заволжья использовать такие нормы и сроки затопления, при которых будет оптимизированы потребности культур во влагообеспечении, учтены экономические и экологические требования к этому виду орошения.
Основным контролем за эколого-мелиоративной обстановкой на лимане является наблюдение за солевым режимом и динамикой уровня грунтовых вод (УГВ).
Оптимальный подъем опресненных грунтовых вод до безопасного уровня может улучшить влагообеспечение культурных растений и повысить урожайность, а минерализованных более 3 г/л- нарушить экологический баланс орошаемой территории.
Как показали наши исследования динамика уровня грунтовых, в течение вегетационного периода, зависит не только от нормы затопления, но так же и от сроков подачи воды на лиман. Если в первом случае при близком залегании грунтовых вод (3 м от поверхности почвы) происходит их пополнение и подъем, высота которого зависит от величины оросительной нормы (влияет на объем фильтрационной влаги), то во втором случае уровень грунтовых вод снижается до определенной глубины со скоростью спада «бугра» и оттока подземных вод за пределы лиманной территории, в период от момента затопления до начала всходов культурных растений. Поэтому весеннее затопление более предпочтительно, так как позволяет накопить, при одинаковых оросительных нормах с осенним затоплением, гораздо больше доступных влагозапасов с наилучшей эффективностью их использования.
Данные замеры глубины залегания грунтовых вод, перед закладкой опыта в 1999 году и в последующие годы исследований, показали их стабилизацию на уровне 2,8 - 3,1 м от поверхности почвы (рис. 5, прилож. 3).
При осеннем или весеннем затоплении лимана оросительной нормой 2000 м /га они поднимались незначительно, при 3000 м /га - до 1,61-1,72 м, а при 4000 м3/га гораздо выше - до 0,74-0,81 м.
Перед посевом кукурузы за счет различий в периодах времени при которых снижался уровень грунтовых вод при осеннем и весеннем сроке затопления, мы зафиксировали значительные расхождения в их глубине залегания на фоне одинаковых норм затопления. Так, при оросительной норме 2500 м /га на фоне весеннего затопления их глубина соответствовала в среднем 2,43, а при осеннем сроке - 3,12 м. При повышении нормы до 4000 м /га грунтовые воды отмечались соответственно, на уровне 1,12 и 2,05 м.
Режим влажности почвы под многолетними травами
Основным фактором, оказывающим влияние на продуктивность многолетних трав, является обеспеченность доступной влагой верхнего (0 - 0,5 м) корнеобитаемого слоя почвы в основной период их вегетации. Оптимальный режим затопления тесно связан с биологическими особенностями культивируемых злаков и во многом зависит от оросительной нормы, теплового режима и продолжительности затопления.
При ранневесеннем затоплении Бурдинской системы паводковая вода подается из р. Б. Узень в конце первой декады апреля, что совпадает с наступлением среднесуточной температуры воздуха 5 - 6 С или началом отрастания многолетних трав (табл. 16).
На тяжелосуглинистых почвах лимана впитывание воды весной по не полно оттаявшей почве за первые сутки колеблется в пределах 700 - 800 м /га. Оставшаяся часть воды при затоплении различными нормами уходит для промачивания более глубоких слоев почвы, на фильтрацию и испарение.
Оптимальная для многолетних трав оросительная норма 3000 м3/га полностью насыщает почвогрунты за 12 дней с набором тепла 134 С без критической для жизни трав температурой воздуха выше 15 С. Увеличение нормы затопления до 4000 м3/га приводит к удлинению продолжительности затопления и нахождению трав под водой до 18 дней, с набором критических тем ператур до 5 дней. Учитывая начало затопления лиманов в конце первой декады апреля необходимо сбрасывать воду в середине третьей декады апреля.
При весенней подаче воды небольшими оросительными нормами - от 2000 до 2500 м /га впитывание происходит во время отрастания трав. В период кущения на этих вариантах отмечается высокая насыщенность влагой (90 - 96 % от НВ) (рис. 18, прилож. 24). При затоплении нормами 3000, 3500, 4000 м /га вода полностью впитывается перед началом кущения злаковых трав.
Во время интенсивного накопления биомассы (от выметывания до начала цветения) растения, возделываемые на фоне небольших оросительных норм (2000 и 2500 м /га), начинают испытывать водное голодание. Влажность полуметрового слоя снижается с 58 - 62 до 42 - 43 % от НВ.
Наилучшее снабжение растений влагой создается при затоплении нормой от 3000 до 3500 м /га. Влажность верхнего полуметра во время выметывания находится в пределах 72 - 82 % от НВ и лишь ко времени цветения снижается до 46 - 53 %НВ.
При использовании нормы 4000 м /га в период от трубкования до колошения влажность верхнего полуметрового слоя превышает или близка к 100 % НВ и лишь к началу цветения она снижается до 65 % НВ.
Осенью почва на лимане значительно высыхает и трескается, что способствует провальной инфильтрации оросительной воды. В течение первых суток почвогрунты способны впитать до 1500 и более м подаваемой воды на 1 гектар, что почти в 2 раза больше, чем в ранневесенний период. Поэтому осенний период затопления лимана указанными нормами значительно короче.
Создаваемые условия влагообеспечения многолетних трав после осенней влагозарядки наихудшие. В начале периода интенсивного накопления биомассы трав влажность верхнего полуметра на всех вариантах не превышает 53 - 63 % от НВ, а общее количество влагозапасов в активном слое почвы -974 - 1158 м /га (рис. 19, прилож. 25). Тогда как на варианте с весенним сроком затопления оптимальной нормой (3000 м3/га) увлажненность почвы во время выметывания метелок у многолетних злаков гораздо выше - 72 % от НВ, и общее количество влаги в этом слое на 165 - 349 м /га больше (рис. 18, 19).
Использование различных норм затопления многолетних злаковых трав определяет не только уровень их влагообеспеченности в период интенсивного накопления биомассы, но и степень использования тепловых ресурсов на формирование урожая. Показатель влагообеспеченности растений в период трубкования трав на лиманах характеризуется согласно формуле Н.В. Бова (1956) (табл. 17):
K=10x(H + Q)Wt, где: Н - запасы доступной влаги в метровом слое почвы во время трубкования трав, мм; Q - сумма осадков от трубкования до уборки трав, мм; Wt -сумма среднесуточных температур воздуха за этот период, С.
Основная особенность лиманного орошения связана с проведением разовых поливов всей оросительной нормой, способствующей не только глубокому промыванию почвы, но и зачастую - значительному подъему грунтовых вод. Образовавшиеся на глубине 0,8 - 2,5 м от поверхности почвы грунтовые воды активно участвуют по мере спада в водоснабжении зоны аэрации и водопотреблении растений.
Как справедливо отвечает В.Ф. Мамин (1985), при глубине залегания грунтовых вод в пределах 1,5 - 2,0 м продуктивность луговых лиманов находится на высоком уровне.
Данные наших исследований показал, что при увеличении оросительных норм с 2000 до 4000 м3/га наибольшее повышение влагонасыщения верхнего метрового слоя почвы происходит при весеннем затоплении лимана - с 3593 до 4341 м /га и наименьшее (с 3197 до 3689 м /га) - при осенней влагозарядке (табл. 18). Это связано с тем, что после осеннего срока затопления в течение зимнего периода грунтовые воды опускаются вниз. При этом снижается эффективность от использования возрастающих оросительных норм при данном режиме орошения. В условиях весеннего затопления, в фазу кущения злаков отмечается подъем грунтовых вод при норме 2000, 2500, 3000, 3500, 4000 м /га, соответственно до 2,9; 2,4; 1,8; 1,4; 0,8 м. В течение вегетационного периода многолетних трав происходит спад грунтовых вод со средней скоростью 1-1,2 см/сут., которые стабилизируются на глубине 2,9 - 3,1 м.
При этом минерализация их различна в течение вегетации многолетних злаков. Весной она небольшая - 0,532 г/л. В период уборки трав происходит разбавление солей почвогрунтов и минерализация грунтовой воды хлоридно-сульфатного типа увеличивается до 2,5 г/л.
Мониторинг состояния лиманных почв - способ совершенст-вования водохозяйственных расчетов
Анализ гидрогеолого-мелиоративпого состояния проводится на Бурдинской и Малоузенской системах лиманного орошения (БСЛО и МСЛО). Для этого, наряду с результатами собственных наблюдений за глубиной и минерализацией грунтовых вод, засоленностью почв, полученных в ходе рекогносцировочного обследования в 1997 - 2001 гг., были использованы фондовые материалы Приволжгипроводхоза (предпроектные изыскания), Саратовской гидрогеолого-мелиоративной партии - (наблюдения за глубиной и минерализацией грунтовых вод в сети стационарных режимных скважин) и результатов исследований ГУ ВолжНИИГиМ в 1997 - 1999 гг. [10, 205].
Полученные результаты говорят о том, что в результате длительного лиманного орошения грунтовые воды поднялись к поверхности и сформировался ирригационно-гидроторный водный режим. Определяющую роль в формировании расходно-приходных статей водного баланса корнеобитаемо-го слоя почв играет участие грунтовых вод. Весной в период затопления происходит полное водонасыщение почв и грунтов зоны аэрации и подъем уровня грунтовых вод к поверхности почв. После сброса воды из яруса в первой декаде мая уровень залегания грунтовых вод (УГВ) в пределах яруса варьирует в пределах от нуля - в пониженной его части до 0,3 - 0,5 на периферии (табл. 20) на границе яруса с не затапливаемой площадью УГВ составляет 0,55 - 0,70 м, а в 100 - 150 м от яруса на глубине 1,88 - 2,75 м. В результате интенсивного водопотребления растительным покрывалом УГВ к началу уборки трав на сено опускается в ярусе до отметок 1,3 - 1,8 м. В сентябре на преобладающей площади ярусов УГВ залегает в интервале 2,0 - 2,5 м, и лишь на заболоченных пониженных частях находятся на глубине 1,7 - 2,0 м, и на периферийных участках, занятых солонцовыми комплексами, УГВ составляет 2,5 - 2,8 м.
Отмеченный характер сезонных колебаний УГВ достаточно стабилен и не зависит от гидротермических условий года. Так, различия в глубине залегания в 1997 г. - очень влажном и в 1998 - очень сухом в одних и тех же скважинах не превышала в среднем 8-10 см.
Однотипный характер приходно-расходных статей водного баланса, определяемый самим лиманным орошением Малоузенской и Бурдинской систем определил, в общем, схожий режим поведения на них грунтовых вод. Вместе с тем, отмечается более высокая амплитуда сезонных колебаний УГВ на Бурдинской системе за счет их более глубокого понижения во вневегета-ционный период (прилож. 1). Это связано с относительно более благоприятными условиями разгрузки потока грунтовых на Бурдинской системе. Это определяется, во-первых, значительно меньшими размерами самой БСЛО по отношению к МСЛО 2,6 и 15 тыс. га., соответственно. Во-вторых, по рельефным условиям БСЛО занимает более высокие абсолютивные отметки поверхности, что обеспечивает ей разгрузку грунтового потока не только в направлении их регионального уклона на юг, но и на север и восток.
Преобладающий фон минерализации грунтовых вод на БСЛО системах 15 - 20. Вместе с тем, на Малоузенской системе 20 - 30 г/л достаточно четко прослеживается дифференциация минерализации по элементам мезорельефа и связанной с ним сменой почвенного покрова. В падинах и лиманообразных западинах, занят лугово-темноцветными, лугово-лиманными осолоделыми и лугово-каштановыми почвами на Бурдинской системе минерализация грунтовых вод составляет 1 - 4 г/л, на Малоузенской 4-15 г/л. На последней массивы слабоминерализованными грунтовыми водами 3,0 г/л сохранились лишь в центральной пониженной части крупных естественных лиманов Уру-гов, Крутой, Заря. На периферийной и не затапливаемой части ярусов, куда происходит боковое оттеснение грунтовых вод с затапливаемой площади, минерализация возрастает до 40 - 50 г/л.
Концентрация солей в почвенных растворах 25-30 г/л является верхним пределом для использования почвенной влаги растениями не галофитами в биопродукционных процессах [105] и мелко высокая концентрация солей, как в самых грунтовых водах, так и в зоне их капиллярного насыщения почв и грунтов ограничивает расход этой влаги на водопотребление растительным покровом лиманов. Именно поэтому грунтовые воды и не опускаются глубже 2,0 - 2,5 м, максимальной для их расхода на физическое испарение в глинистых и тяжелосуглинистых почвогрунтах Прикаспийской низменности, установленной в лизиметрических исследованиях [255]. При меньшей засоленности грунтовых вод растительные ассоциации лиманов, имеющие мощную корневую систему, способны транспирационной деятельностью понизить глубину грунтовых вод до 3,5 - 4,0 м, что и отмечалось на естественных лиманах Малоузенской системы в 40 - 60 годы [87, 106].
Сравнение результатов определения содержания легкорастворимых солей в почвах по анализам водных вытяжек, которые были сделаны в 1976 -1984 годы (предпроектные изыскания Приволжгипроводхоза) и в 1995 - 2001 г говорит о том, что на Бурдинской системе 15-летнее лиманное орошение не привело к ухудшению солевого режима почв (табл. 21).
