Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса по режиму капельного орошения фасоли в условиях юга России 11
1.1 Оценка естественно-исторических условий для получения гарантированного урожая бобовых пожнивно в условиях Красноармейского района Краснодарского края 11
1.1.1 Климатические условия 11
1.1.2 Осадки 12
1.1.3 Оценка температурного режима 13
1.1.4 Ветровые условия 14
1.1.5 Влажность воздуха 16
1.1.6 Геологическое строение района 16
1.1.7 Гидрогеологическое строение района 17
1.1.8 Почвенные условия 18
1.2 Особенности формирования водного режима при капельном орошении 20
1.3 Обоснование выращивания фасоли, как культуры второго урожая в год 27
1.3.1 Краткое описание рода Phaseolus vulgaris (L.) Savi 27
1.3.2 Требования фасоли к свету 29
1.3.3 Требования фасоли к теплу 29
1.3.4 Требования фасоли к влаге 30
1.3.5 Особенности возделывания фасоли в различных регионах 31
1.4 Методы гидравлического расчета поливных трубопроводов систем капельного орошения 33
Задачи исследований 36
2. Вегетационные опыты по режиму капельного орошения фасоли в условиях красноармейского района Краснодарского края 37
2.1 Схема и место проведения опытов 38
2.1.1 Общая схема вегетационных опытов 38
2.1.2 Место проведения исследований и опытная установка 39
2.2 Методика и результаты вегетационных опытов 41
2.2.1 Методика вегетационных опытов 41
2.2.2 Исследование влияния поливной нормы на темп роста фасоли и
ее продуктивность 43
2.2.3 Исследование влияния режима капельного орошения на водопотребление фасоли 47
2.2.4 Исследование влияния режимов капельного орошения фасоли на электропроводность почвы 50 Выводы 58
3. Исследование режима капельного орошения фасоли при получении гарантированного урожая в условиях красноармейского района 60
3.1 Схема и методика полевых исследований 60
3.1.1 Схема и место проведения опытов 60
3.1.2 Методика исследований 62
3.2 Обоснование поливной нормы при режиме капельного орошения 64
3.2.1 Теоретические предпосылки для вывода формулы поливной нормы при режиме капельного орошения 64
3.2.2 Исследование изменения влажности почвы в зависимости от продолжительности межполивного периода 68
3.2.2.1 Результаты исследований водно-физических свойств почв СПК "Полтавский" Красноармейского района 68
3.2.2.2 Исследование динамики изменения влажности почвы при режиме капельного орошения 70
3.2.3 Формула для расчета поливной нормы при режиме капельного орошения сельскохозяйственных культур 79
3.3 Методика расчета режима капельного орошения 80
3.3.1 Уточнение методики расчета режима капельного орошения фасоли 81
3.3.2 Результаты полевых исследований по режиму капельного орошения фасоли 88
Выводы 91
4. Разработка методики гидравлического расчета системы капельного орошения для равномерного полива фасоли 93
4.1 Исследования расходной характеристики капельницы «Молдавия -1» 94
4.1.1 Оценка измерений расхода капельницы «Молдавия - 1» 97
4.1.2 Исследование расходной характеристики капельницы «Молдавия -1» 100
4.2 Исследование коэффициента гидравлического трения в поливном
полиэтиленовом трубопроводе системы капельного орошения 102
4.2.1 Оценка измерений коэффициента гидравлического трения в ПТ 108
4.2.2 Исследование коэффициента гидравлического трения в поливном трубопроводе при режиме капельного орошения фасоли 110
4.3 Методика гидравлического расчета систем капельного орошения бобовых культур 113
Выводы 119
5. Особенности технологии режима капельного орошения фасоли для получения гарантированного урожая пожнивно 120
5.1 Требования фасоли к почве при выращивании гарантированного урожая пожнивно 120
5.2 Совершенствование технологии возделывания фасоли при различных режимах орошения 121
5.2.1 Режим капельного орошения 123
5.2.2 Режим мелкодисперсного дождевания (МДД) фасоли 123
5.2.3 Полив по бороздам 125
5.3 Методика гидравлического расчета поливной сети трубопроводов 127
5.4 Методика расчета режимов орошения фасоли для получения гарантированного урожая пожнивно 132 5.4.1 Режим капельного орошения 132
5.5 Результаты исследования влияния режимов орошения на плодородие почв и качество урожая 135
5.6 Эколого-экономическое сравнение режимов орошения при выращивании гарантированного урожая фасоли пожнивно "' 140
Выводы 148
- Оценка температурного режима
- Общая схема вегетационных опытов
- Обоснование поливной нормы при режиме капельного орошения
- Оценка измерений расхода капельницы «Молдавия - 1»
Оценка температурного режима
Распределение глубин грунтовых вод зависит от сочетания рельефа поверхности земли и уклона зеркала грунтового потока [45].
Наиболее высокое положение грунтовых вод (1-2 метра) отмечается в центральной части массива, занятого ложбинообразным понижением. Высокое залегание грунтовых вод на этом участке обуславливается как особенностями рельефа, так и геолого-литологическим строением, в силу этого здесь поверхностный сток приобретает несколько затруднительный характер. Дополнительным фактором служит также подпитывание со стороны грунтовых вод второй террасы, что наблюдается в подошве ее уступа. На остальной части территории грунтовые воды залегают на глубине от 2 до 4 метров. Наименьшее распространение получили зоны с глубиной залегания грунтовых вод более четырех метров, что соответствует местным водоразделам.
Химический состав грунтовых вод в пределах первой террасы в основном характеризуется небольшим плотным остатком, изменяющимся от 633,9 мг/л до 1103,0 мг/л [3]. Увеличение минерализации наблюдается в направле 18 ний от области более благоприятной для инфильтрации к центральной части массива с менее благоприятными условиями дренирования.
Основным источником питания грунтовых вод являются атмосферные осадки, от интенсивности последних зависят сезонные колебания уровня грунтовых вод. Он подчинен двум закономерным, четко выраженным периодам сезонных изменений своего положения: зимне-весеннему подъему и летне-осеннему спаду. Годичная амплитуда колебания уровня грунтовых вод от 1,5 до 2,0 метров.
Почвы Красноармейского района в основном представлены выщелоченными черноземами [45]. Структура горизонта А в пахотном слое комковатая, а подпахотном - комковато-зернистая. Сложение его рыхлое. В горизонте В структура комковато-ореховатая или призмовидно-комковатая. Сложение слабо уплотненное. На старопахотных участках структура верхнего слоя в значительной степени утрачена. При вспашке этот слой распадается, особенно в сухие годы, на пылевато-комковатые или пылевато-глыбистые отдельности.
Механический состав выщелоченных черноземов преимущественно глинистый. Содержание физической глины колеблется у них от 64% до 72%, а илистых частиц - от 39% до 42%. По вертикали механический состав почти однородный. Происходит постепенное сокращение слоя гумуса. Общий запас его в двухметровом слое почвы около 642 т/га. Распределение карбонатов по профилю выщелоченного чернозема подтверждает сильную их промытость. СаСОз появляется лишь на глубине 180 см (в довольно больших количествах - около 3%). Содержание общего азота в поверхностных горизонтах 0,26%, книзу его количество постепенно убывает. Содержание валового фосфора в верхних горизонтах 0,17%, с глубиной его количество постепенно падает. Подвижных форм фосфора нет, поэтому для получения высоких урожаев необходимо внесение фосфорных удобрений.
Сумма поглощенных оснований на выщелоченном черноземе равна 38-41 мг. экв. на 100 гр. почвы. Почвенно-поглощающий комплекс почти полностью насыщен Са и Mg, водорода около 1 мг. экв. на 100 гр. почвы. Весовая влажность с глубиной падает, это зависит от количества гумуса. Внизу его количество меньше и, следовательно, меньше водоудерживающая способность. В таблице 1.9 приведена весовая влажность при предельно полевой влагоемкости почвы в зависимости от глубины отбора почвенных образцов.
Выщелоченные черноземы характеризуются благоприятными водно-физическими свойствами для орошения сельскохозяйственных культур. Пахотный слой этих почв распылен, плужная подошва уплотнена. На уплотненных черноземах необходимы мероприятия по ускорению стока поверхностных вод, внесение больших доз органических удобрений. Необходимо иметь в составе севооборота поля, занятые бобовыми культурами.
Приведенный анализ климатических факторов и почвогрунтов показывает, что климат и почвы Красноармейского района благоприятны для возделывания скороспелых культур во второй половине лета (август -октябрь). Почвы достаточно гумусированы и обладают хорошими водно 20 физическими свойствами, грунтовые воды не оказывают влияние на рост растений.
Климатические факторы, такие как влажность, температура воздуха, которая изменяется от максимума в августе до достаточного минимума для роста растений в октябре, и количество осадков неблагоприятны для возделывания любых сельскохозяйственных культур.
Из этого следует, что для повышения экологической устойчивости аг-роландшафта в период вегетации растений необходимы ресурсосберегающие технологии, которые бы не только сохраняли устойчивость ландшафта к ветровой эрозии [109], но и повышали плодородие почвы.
Для продолжения вегетации культур в августе - октябре необходима влага в достаточном количестве. Одним из вариантов сохранения плодородия почв и повышения экономической эффективности гектара пашни является выращивание скороспелых бобовых после озимых культур при орошении. Одним из эффективных способов выращивания культур является капельное орошение [38].
Общая схема вегетационных опытов
Для проведения опытов использовались вегетационные сосуды объемом 10 л. Просеянная почва (сито 10 мм) заполнялась на 2/3 объема вегетационного сосуда. В качестве сосудов использовались 10 литровые полиэти-леновые ведра. Площадь орошения сосуда составила 660,2- см . Почва была доставлена с поля АО им. Кирова станицы Полтавской Красноармейского района, где возделывались предшественники бобов. Предшественником бобов служила озимая пшеница сорта Triticum durum Leucurum 21. Почва уча-стка - карбонатный чернозем плотностью 1,11 т/м . В результате изучения водно-физических свойств почв опытного участка нами определена наименьшая влагоемкость (гнв), которая составила 30%.
Во время выращивания фасоли на опытной площадке во второй половине лета создавались экстремальные условия, когда полностью исключалось выпадение осадков на поверхность почвы. Над вегетационными сосудами была натянута полиэтиленовая пленка на высоте 2 м. При этом необходимо было установить сроки посадки культуры, величину поливной нормы и возможность получения полноценного урожая бобов при различных режимах капельного орошения.
Вегетационные опыты проводились в течение трех лет, с 1995 по 1997 г.г. Эти годы были отмечены как наиболее засушливые с высокими температурами воздуха в августе (рисунок 2.8). Поэтому можно было еще раз убедиться о перспективности капельного орошения в создании ресурсосберегающих технологий возделывания сельскохозяйственных культур.
Опыты выполнялись в пятикратной повторности при случайной выборке опытных образцов вариантов опытов. Посадка бобов в почву проводилась в одно и тоже время 31 июля на глубину 2 см. В сосуде от начала до конца вегетации находилось одно растение. Поливы проводили утром в 8 часов. Урожай убирали в конце второй декады октября. Обработка опытных данных выполнялась по методике, описанной Б.А. Доспеховым [44].
Место проведения опытов было определено в полевой бригаде № 14 АО им. Кирова; Источником поливной воды служила вода накопительного пруда. Вода забирается в пруд, из оросительного канала Р-5-3. Поступление воды в Р-5-3 осуществляется из р. Кубань самотеком. Вода р. Кубань пригодна для целей орошения.
Исследования проводились на вегетационной площадке, обслуживаемой опытной установкой капельного орошения (рисунок 2.1). Установка по устройству проста и не требует больших затрат в ее изготовлении. Она состоит из напорного бака 1, в котором поддерживается постоянный уровень воды при помощи устройства 2, к баку через насос 3 подключается распределительный трубопровод 4, к которому подсоединяются поливные трубопроводы 5. На поливных трубопроводах устанавливаются капельницы «Молдавия - 1» 6, которые подают воду в вегетационные сосуды 7 для полива фасоли. Вид сбоку
В конце поливного трубопровода устанавливаются заглушки 8. Над опытной установкой натягивалась полиэтиленовая пленка 9. Пленка предотвращала попадание атмосферных осадков в вегетационные сосуды, что давало возможность сравнивать результаты трех лет между собой при экстремальных климатических факторах.
В первый год экспериментально устанавливали оптимальную величину поливной нормы при одинаковых условиях возделывания фасоли. Во всех опытах в фазах первого листа и пяти листьев была произведена подкормка фасоли аммофосом соответственно 0,012 и 0,01 кг/м сосуда. Величина поливной нормы была принята в первом, втором и третьем опытах соответственно 0,75; 1,0; 1,5 л/сосуд. Контролем служил первый опыт с минимальной поливной нормой. Схема вегетационного опыта первого года приведена в таблице. 2.1.
Межполивной период, дни. 4 4 4 Полив фасоли проводился в одно и тоже время различными расходами в зависимости от величин поливной нормы. Растения I опыта (контроль) обеспечивались влагой из расчета средней многолетней нормы осадков Красноармейского района. Количество поданной воды (поливная норма) в контрольном опыте было принято 11,3 мм за один полив.
Во второй год исследований экспериментально устанавливали влияние мелиорантов при одинаковой поливной норме на урожай и его качество. Условия возделывания фасоли не отличались от первого года при ее выращивании. Величина поливной нормы во всех опытах была принята 1,5 л/сосуд по данным предыдущего года. Контролем служил опыт IV, в котором не производилось изменение мелиоративного состояния почвы. В V опыте верхний слой почвы мульчировался опилками деревьев, а в VI - в почву вносились органические удобрения [6] из расчета 2 кг/м2. Вода подавалась на поверхность почвы в корневую систему растений из капельниц «Молдавия - 1» с рабочим расходом 4 л/ч, межполивной период был также равен 4 суткам. Схема опыта второго года приведена в таблице 2.2.
Обоснование поливной нормы при режиме капельного орошения
Величина расчетной поливной нормы при капельном орошении зависит от размеров контура увлажнения, который определяется, в основном, водно-физическими свойствами почв. Введем понятие "Контур увлажнения" почвы при режиме капельного орошения.
Контуром увлажнения будем считать объем почвогрунта, в котором происходит изменение влажности почвы от центра к периферии, от полной влагоемкости до исходной влагоемкости.
Считаем, что в контуре увлажнения можно выделить очаги увлажнения с определенной влажностью почвогрунта. Имеются противоречивые данные о количестве и размерах контуров увлажнения. Так в литературном источнике [116] приводится три зоны или очага увлажнения: 1 - очаг переувлажненной почвы; 2 - очаг нормально увлажненной почвы; 3 - очаг частично увлажненной почвы. Флюрце И.С. [129] приводит расчетную формулу (1.3) для поливной нормы, хотя не дает понятия о контуре увлажнения. Сотрудники ВНИИ-МиТП [112] считают, что формирование размера очага увлажнения идет в соответствии с биологическими свойствами сельскохозяйственных культур и водно-физическими свойствами почв. С этим мнением можно согласиться, но при обосновании очагов увлажнения не приводятся пояснения о самом контуре увлажнения.
Полагаем, что геометрические размеры контура увлажнения нужно назначать исходя из вида возделываемой сельскохозяйственной культуры. При этом нужно знать расчетную глубину распространения основной массы корневой системы, схему посадки культуры. Аналогичного мнения придерживаются и другие ученые [25,42, 100].
В результате собственных исследований по фасоли [71, 73, 74] и анализа литературных источников [72, 116] была составлена таблица 3.1, в которой даны рекомендации по режиму капельного орошения овощных культур и фасоли в условиях степной зоны Краснодарского края.
Как видно из таблицы З.1., зная геометрические размеры диаметра контура увлажнения, а также глубину распространения основной массы корней, можно рассчитать требуемый объем воды для растений. Задачу можно было бы легко решить, если влажность по всему рассматриваемому объему была одинаковой.
Рассмотрим схемы подачи воды капельницей на почву и распространение влаги в почвах легкого и тяжелого механического состава. При капельном орошении вода из источника практически без потерь доставляется к растению. Причем, вода поступает в корневую систему, обеспечивая оптимальное увлажнение только того объема, где сосредоточено наибольшее количество корней растения. Процесс увлажнения почвы при капельном орошении легко управляем. Предварительно по дочитывается необходимое количество воды для данного типа почв и при помощи системы автоматики осуществляется процесс полива.
Эффект капельного орошения в этих условиях складывается из следующих моментов: - в период первоначального развития растения создание увлажнение очага позволяет ему быстрей создать корневую систему; - хорошо развитая корневая система, в свою очередь, более полно усваивает естественные влагозапасы почвы и питательные вещества, что приводит к росту урожайности; - поливы, особенно в самые засушливые периоды, снимают «стрессовое» напряжение растения и тем самым устраняют замедление образования и роста плодов.
При поливе на поверхности почвы может наблюдаться зона растекания воды с хорошо выраженным пятном увлажнения, или, в зависимости от водно-физических свойств почв, может и не образоваться слой воды. На почвах с легким механическим составом не наблюдается слой воды, а на почвах с тяжелым механическим составом вначале не образуется слой воды. При дальнейшей подаче воды на ее поверхность происходит набухание почвы и устанавливается тонкий слой воды, который впоследствии растекается по поверхности почвы. Просачивание воды при капельном орошении происходит от центра очага увлажнения к границе контура увлажнения. Рассмотрим схемы увлажнения почв различного механического состава при капельном орошении (рисунок 3.2).
Из схемы видно, что на почвах с легким механическим составом наблюдается безнапорная инфильтрация (схема А), которая характеризуется нулевой интенсивностью растекания по поверхности почвы.
Интенсивность растекания - это разность между интенсивностью подачи воды и интенсивностью ее впитывания. На почвах с тяжелым механическим составом (схема Б) наблюдается безнапорная инфильтрация, которая переходит в напорную инфильтрацию и происходит так называемая комбинированная инфильтрация.
Оценка измерений расхода капельницы «Молдавия - 1»
Получена математическая модель зависимости расхода капельницы от различных физических свойств жидкости, области сопротивления, гидравлических и геометрических характеристик. Используя теорему размерностей (ПИ - теорему) [4, 87], математическую модель преобразуем в уравнение из безразмерных комбинаций. После преобразования выражения (4.6) получаем: F(fi,Eu,Fr,Re,We), (4.7) АР где Еи = — -число (критерий) Эйлера, учитывающий перепад давлений PV2 на входе и выходе из отверстия капельницы; V2 Fr = число (критерий) Фруда, учитывающий влияние сил тяжести; gH VD Re = число (критерий) Рейнольдса, учитывающий влияние вяз v кости жидкости; We = - -— число (критерий) Вебера, учитывающий влияние сил пост верхностного натяжения.
Анализируя уравнение (4.7), приходим к выводу о том, что главным критерием для оценки пропускной способности капельницы для обеспечения требуемого режима орошения фасоли будет число Эйлера (Еи). При постоянной температуре, постоянном размере выходного сечения и скорости в трубопроводе над капельницей её расход не будет зависеть от чисел Fr, Re, We. Следовательно, исследования будем проводить, используя зависимость (4.3). 4.1.1 Оценка измерений расхода капельницы «Молдавия-1» Коэффициент расхода капельницы определяется по теоретической формуле [113]: И = —, (4-8) т q где q - действительный расход; qx - теоретический расход капельницы. Формула для обоснования точности гидравлической характеристики капельницы «Молдавия-1» имеет вид [125]: q = H-CD.j2—, (4.9) 7ld0 2 где со = —— - площадь выходного сечения капельницы, м ; 4 d0- диаметр выходного отверстия капельницы, м. АР - изменение давления, Па; р - плотность поливной воды, кг/м3. Действительный расход через капельницу определяем по формуле: W q = —. (4.10)
Подставляем в формулу (4.9) зависимость (4.10) и получаем выражение коэффициента расхода капельниц для оценки точности эксперимента. _4W 98 Определим наибольшую относительную ошибку при определении ц. опытным путем. Производя логарифмирование (4.11), получаем выражение: lnu = ln4 + lnW-ln7t-21nd0 +-1пр--1пТ--1п2--1пЛР, (4.12) 2 2 2 2 Полный дифференциал уравнения (4.12) будет: dM. = dW_2dd + 2dp_IdT_IdAP ц W d02p2T2AP Считаем, что все ошибки одного знака, тогда относительная погрешность изменения коэффициента расхода капельницы "Молдавия - 1" составит: Ац AW 2Ad0 1 Ар 1 ДТ 1 А5Р — = + - + - + + , (4.14) ц W d0 2р2Т2 5Р где Aji, AW, Ad 0, Ар, AT, A5P - средне квадратичные отклонения измеренных величин.
Максимальная ошибка опыта составит, когда измеряемые величины в знаменателе имеют минимальные значения. Относительная точность определения объема 1 см3 жидкости, прошедшего через капельницу "Молдавия - 1" за 100 с составит: = - = 0,008 W 120 Диаметр выходного отверстия капельницы измерен микрометром с точностью 0,01 мм. Относительная погрешность определения диаметра будет: do 5
Относительная погрешность измерения времени с помощью образцового секундомера с точностью отсчета 0,01 с составит: ї=Ml=0,0001 Т 100 Относительная погрешность измерения плотности жидкости при тем-пературе 20 С точностью измерения - ОД кг/м [138] будет: P = _i_ = 0,00005 2р 2-998 Относительная погрешность измерения давления образцовым манометром с точностью шкалы 0,0001 МПа составляет: ДР= в = 0,0025 2Р 2-0,02 Относительную погрешность измерений g принимаем такой, чтобы она была в пределах 0,1%. Сумма найденных погрешностей эксперимента по определению расходной характеристики капельницы "Молдавия -1" составит: \i = — = 0,01205 или ц = 1,205%. (4.15) 100 4.1.2 Исследование расходной характеристики капельницы "Молдавия-1"
На поливном полиэтиленовом трубопроводе диаметром 16 мм при помощи прокола полиэтиленового трубопровода шилом в отверстие герметично устанавливались капельницы "Молдавия-1". Давление в трубопроводе изменялось от 0,02 до 0,3 МПа. Расход капельницы измерялся с помощью мерной емкости объемом 200 см3. Максимальное заполнение сосуда жидкостью составило 120 см3. Время измерения расхода составляло 100 с. При этом погрешность измерения расхода объемным способом не превышала 1%. На рисунке 4.1 представлена кривая q=f(Ap), полученная после обработки опытных данных для 9 исследованных капельниц "Молдавия-1".
