Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности внутрипочвенного орошения и перспективы его развития 7
1.1 Состояние изученности внутрипоч венного орошения и его развития в Волгоградской области 7
1.2. Сравнительная эффективность различных способов орошения садов 16
1.3. Роль орошения в жизни плодовых культур 20
1.4. Особенности применение внутрипочвенного орошения в плодоводстве 25
2. Условия и методика проведения исследований 30
2.1. Характеристика природно-климатических условий в годы проведения исследований 30
2.2. Водно-физические и агрохимические свойства почв опытного участка 36
2.3. Обоснование выбранной сельскохозяйственной культуры 40
2.4. Схема опыта и методика проведения полевых исследований 45
3. Динамика влажности почвы при внутрипочвенном орошении 52
3.1. Технология проведения внутрипочвенных поливов и его распределение 52
3.2. Математические модели передвижения почвенной влаги при внутрипочвенном орошении 56
3.3. Распределение влаги в почвенном профиле в зависимости от пьезометрического напора 64
3.4. Динамика влажности почвы после полива и характер ее распределение по длине увлажнителя 74
4. Режим орошения и водопотребления яблоневого сада 78
4.1. Режим орошения яблоневого сада 78
4.2. Суммарное водопотребление и его структура 84
4.3. Коэффициент водопотребления яблоневого сада 89
4.4. Затраты оросительной воды на создание единицы урожая 92
5. Особенности роста и развития яблони в условиях различного режима орошения 95
5.1. Влияние водного режима почв на рост побегов и штамба 95
5.2. Прирост диаметров штамбов деревьев 102
5.3. Продуктивность фотосинтеза 105
5.4. Сроки закладки и дифференциации цветковых почек 107
5.5. Учет урожая яблони 110
5.6.Влияние орошения на массу и качество плодов 118
5.7. Влияние режима орошения на развитие корневой системы яблони 121
6. Энергетическая эффективность производства плодов яблони 133
Выводы и предложения 142
Библиографический список использованной 144
Литературы
Приложения 157
- Сравнительная эффективность различных способов орошения садов
- Водно-физические и агрохимические свойства почв опытного участка
- Математические модели передвижения почвенной влаги при внутрипочвенном орошении
- Сроки закладки и дифференциации цветковых почек
Введение к работе
Актуальность темы. Орошение является важным агротехническим мероприятием, способствующим лучшему росту, повышению урожайности, зимостойкости и экономической эффективности плодовых и ягодных насаждений. Однако поставленное лишь на научной основе орошение в сочетании с другими приемами может оказать наиболее положительное действие.
Как известно, яблоня является одной из основных плодовых культур Поволжья и занимает более 90 % площадей плодово-ягодных насаждений. Поэтому создание высокопродуктивных промышленных садов и внедрение в производство прогрессивных способов орошения яблоня приобретает особую актуальность.
Одним из способов совершенствования техники полива яблоневого сада является внутрипочвенное орошение (ВПО), которое позволяет более экономно использовать воду и повысить урожайность культур. Технология внутрипоч-венного орошения садов в Волгоградской области изучена недостаточно. В связи с этим возникла необходимость проведения исследований, направленных на разработки научно-обоснованных режимов орошения и водопотребления плодовых культур по сравнению с поливом по бороздам.
Цель и задачи исследований. Основной целью исследований является разработка оптимального режима орошения яблоневого сада и технологии внутрипочвенного полива в условиях Волгоградской области по сравнению с поливом по бороздам. Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач: изучить закономерности передвижения и распределения влаги в активном слое почвы при внутрипочвенном орошении; определить оптимальный режим орошения и водопотребления яблоневого сада при поддержании различных уровней влажности почв по сравнению с поливом по бороздам; установить влияние заданных режимов орошения на линейный рост побегов, прирост окружности штамба, активность корневой системы, продук- тивность фотосинтеза, урожайность деревьев и качество плодов при различных способах полива; сравнить показатели энергетической эффективности различных способов полива яблоневого сада.
Научная новизна. В условиях Волгоградской области впервые разработана технология внутрипочвенного орошения яблоневого сада перфорированными ПВХ увлажнителями. Разработан оптимальный режим яблоневого сада при различных способах орошения. Определены среднесуточные расходы влаги, водопотребление и коэффициент водопотребления. Выявлено влияние заданных режимов орошения на рост и развитие яблоневого сада.
Основные положения, выносимые на защиту: изучение распределения влаги в почвенном профиле при внутрипочвенном орошении; закономерности формирования урожая в зависимости от условия влагообеспеченности; влияние заданных режимов орошения на рост, развитие и качество плодов при различных способах полива; сравнительная оценка биоэнергетической эффективности внутри-почвенного орошения яблоневого сада в условиях Волгоградской области.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены на научно-практических конференциях сотрудников и молодых ученых ВГСХА в 1996-1999, IV межвузовской конференции, Волгоград, 1999, V региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области, Волгоград, 2001, научно-практической конференции сотрудников Волгоградского института экономики, социологии и права, 2001.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения и 6-ти глав. Работа изложена настраницах 171 машинописного текста, включает 12 рисунков и 34 таблицы. Библиографический список использованной литературы содержит 154 источника отечественных и зарубежных авторов.
По теме диссертации опубликовано 4 научные работы.
Сравнительная эффективность различных способов орошения садов
Эффективность орошения садов зависит не только от соблюдения рационального поливного режима, но и от способа и техники проведения полива. В настоящее время в орошаемом садоводстве имеются различные способы полива: сплошное затопление площади сада, полив только по чашам и чашам с одновременным увлажнением междурядий сада напуском, по чекам, подковообразным лункам — чашам на склонах, по длинным бороздам, коротким затопляемым бороздам, комбинированные способы (по бороздам с одновременной подачей воды в приствольные полосы), дождевание с помощью короткоструйных и дальнеструйных дождевальных аппаратов, дождевальных машин и установок, переносных и стационарных систем с установкой дождевальных насадок на высоте 3-4 м от поверхности почвы, с увлажнением кроны деревьев и у штамбов (дождевание с индивидуальным характером влагообеспечения), капельный с внутрипочвенным и наземным увлажнением корнеобитаемого слоя и другие, в частности, внутрипочвенныи с раздачей воды через стыки гончарных трубок или перфорацию полиэтиленовых труб (121).
Каждый из этих способов имеет свои особенности, преимущества и недостатки. На выбор того или иного способа влияют многие факторы: условия рельефа, водопроницаемость почвы, глубина залегания грунтовых вод, требования сельскохозяйственных культур и многие другие. В последнее время большие перспективы открываются (особенно при интенсивном садоводстве) по применению капельного и внутрипочвенного способов полива.
В засушливых условиях Волгоградской области преобладают поверхностные способы полива. Капельный и внутрипочвенныи способы полива изучались слабо и требуют экспериментальной проверки на опытно-производственных участках. Полив по чашам - один из самых древних способов полива, в котором вода попадает под каждое дерево индивидуально.
К недостаткам этого способа следует отнести большую трудоемкость в изготовлении чаш, необходимость тщательной планировки оснований чаш, применение больших норм полива и неизбежный сброс воды за пределы корнеобитаемого слоя, вымывание легкорастворимых питательных веществ. Переувлажнение почвы в пределах чаши после полива отрицательно влияет на воздушный режим корнеобитаемого слоя. Кроме того полив по чашам не обеспечивает увлажнения всей зоны распространения корней плодового дерева.
Полив по бороздам характеризуется низкой производительностью и большими затратами труда. Не увлажняется 50...60 % отводимой под плодовые деревья площади. Применение перекрестной нарезки борозд способствует сокращению неувлажняемой части корнеобитаемого слоя почвы до 16...20 %, но при этом удваиваются затраты труда на проведение поливов. Полив по бороздам непригоден на участках с почвами легкого механического состава (26), а известно, что перспективой развития орошаемого садоводства предусматривается использование огромных площадей с легким механическим составом почв.
В Заволжье широкое распространение получил способ полива затоплением по чекам. Главные преимущества его, как указывает В.Ф. Мамин (88) это: быстрота ввода в эксплуатацию, быстрая окупаемость, определенным образом решает задачу полной механизации орошения. Недостатки: низкий коэффициент использования воды, большие поливные нормы, угроза быстрого поднятия грунтовых вод, требуется тщательная планировка. Комбинированный способ полива предложен Т.И. Гориным в 1956 г. В исследованиях, проведенных O.K. Травиным на Крымской опытной станции садоводства, указано, что урожайность яблок при комбинированном поливе (по бороздам и чекам) была выше на 16,5 %, чем при поливе по бороздам (121).
В последние годы для орошения садов в зоне неустойчивого увлажнения наиболее широкое применение получило дождевание. Интерес к этому способу неуклонно растет. Основным его преимуществом является возможность полной механизации орошения. Особый интерес у нас в стране и за рубежом (США, Франция, Германия) проявляется к поливу садов дождеванием от стационарной оросительной сети. В Молдавии в настоящее время орошается более 80 % плодовых насаждений. Также в садах может применятся надкроновое дождевание.
В Украинском научно-исследовательском институте орошаемого садоводства разработан полив дождеванием и индивидуальным характером влагообес-печения. Суть его заключается в следующем: через междурядье на глубине 0,25.. .0,40 м укладывается трубопровод; от него к каждому дереву двух смежных рядов делаются ответвления, которые заканчиваются дождевальным аппаратом. Этот способ довольно экономичен.
Водно-физические и агрохимические свойства почв опытного участка
Почвообразующие породы оказывают большое влияние на формирование почв. Почвообразующие породы и продукты их выветривания составляют 95...98 % всей почвенной массы, а свойства их немногим определяет химический состав и физические свойства почвы. Особенно большое значение имеет минералогический состав, так как обеспеченность растений различными химическими элементами зависит от химического состава почвообразующих пород.
Гранулометрический состав почв в большинстве случаев наследуется от механического состава материнских пород. В пределах территории фермерского хозяйства почвообразующие породы довольно однородны.
Почвообразующими породами на всей территории участка являются четвертичные древнеаллювиальные отложения, представленные с поверхности лессовидными суглинками, постилаемыми песками, в которых встречаются глины морского происхождения. Они не засолены, плотный остаток их водной вытяжки не превышает 0,1 %.
Грунтовые воды слабо минерализованы и располагаются глубже 20 м. Таким образом, геологические и гидрогеологические условия орошаемого участка являются благоприятными для орошения. Основная часть территории занята террасовыми, темно-каштановыми в различной степени выщелоченными среднесуглинистыми среднемощными почвами. Эти почвы широко распространены в Михайловском районе Волгоградской области. Почвы, на которых проводились опыты, характеризуются следующими морфологическими признаками. Вскипание от НС1 с 0,50 м. Горизонт А — 0,28 м, темно-серый, пылевато-комковатый, средний песчаный суглинок, переход в следующий горизонт постепенный. Горизонт В — 0,28...0,51 м, серовато-бурый с желтыми пятнами, уплотнен, крупно- комковатый, средний, песчаный суглинок, переход постепенный. Горизонт Ви —0,51...0,70 м, серовато-бурый с коричневыми пятнами, плотный, непрочно-комковатый, переход резкий. Горизонт ВС - 0,70...0,99 м, буровато-желтый с гумусовыми затеками, призмовидный, плотный, средний песчаный суглинок, карбонаты встречаются в виде белоглазки, переход постепенный. Горизонт С - 0,99...1,20 м, более светлый однородный, рыхлого сложения, бесструктурный с очень резкими пятнами карбонатов. По механическому составу почвы орошаемого участка относятся к средне суглинистым песчано-пылеватым (по классификации Н.А. Качинского), содержащим в пахотном горизонте частиц физической глины 38-40 % и илистой фракции (частиц 0,001мм) — 20. ..25 %. Основные водно-физические свойства 0,0...1,0 м слоя почвы на участке проведения исследований характеризуются следующими данными: плотность почвы — 1,35 т/м , наименьшая влагоемкость — 20,74 % и сухому весу почвы (2787 м /га) и влажность завядания - 8,1 % (1072 м /га) (табл.2.4). Темно каштановые средиесуглинистые почвы отличаются способностью удерживать большое количество доступной для растений воды: в 0,0...1,0 м слое при НВ ее содержится 1715 м /га. Механический состав почв опытного участка приведен в таблице 2.5. Из таблицы видно, что почвы опытного участка до глубины 1,0 м имеют средний механический состав. Ниже данной глубины наблюдаются почвы легкого механического состава. По данным Н.И.Усова, в террасовой темно-каштановой почве содержится умеренное количество общего азота и значительное - фосфора и калия. Содержание гумуса в пахотном слое почвы (0,0...0,3 м) в среднем составляет 3,54 %, в верхнем десятисантиметровом слое около 3,83 %. С возрастанием глубины, содержание гумуса падает и в слое 0,3...0,5 м оно составляет примерно 1,78%. Сумма поглощенных оснований в темно-каштановых почвах изменяется в пределах 20...25 мг/экв. на 100 г сухой почвы. Обменный натрий в темно-каштановых почвах достигает величины 5,0...9,0 %, а зачастую и превышает его. Химические свойства почв опытного участка приведены в таблице 2.6. Нитрификационная способность этих почв сравнительно незначительна: в 1997 г. она составляла 4,28, в 1998 г. - 3,46 мг/100 г почвы. Исходное содержание подвижных фосфатов в почве опытного участка равнялось в 1996 г. - 4,19, 1997 г. - 6,77, 1998 г - 2,97 мг; обменного калия -соответственно 20,62; 19,53; 21,59 мг на 100 г почвы. Сумма поглощенных оснований составляет 18...24 мг/экв. на 100 г почвы; почвы несолонцеватые, поглощенного натрия содержится меньше 1 % от суммы поглощенных оснований. Главную роль в поглощающем комплексе играет кальций, что является положительным фактором, так как он является энергичным коагулятором почвенных коллоидов и способствует образованию прочной структуры. Темно-каштановые почвы средней мощности среднесуглинистого состава до глубины 3,2...3,5 м опреснены и не содержат заметного количества водорастворимых солей. Таким образом, почвы орошаемого участка вполне пригодны для орошения. При дополнительном увлажнении и удобрении могут обеспечить получение высокого урожая всех возделываемых в зоне культур. Исходя из результатов анализа, почвы опытного участка также пригодны для выращивания садов и для строительства систем внутрипочвенного орошения.
Математические модели передвижения почвенной влаги при внутрипочвенном орошении
Вода является фактором, определяющим передвижение растворенных веществ в почвенном профиле к поверхности корней, а затем к побегам.
Величина расхода воды из почвы зависит от атмосферных условий (температуры, влажности воздуха, скорости ветра), состояния поверхности почвы, интенсивности транспирации воды растениями. Если бы при ВПО воды расходовалась только на испарение (без растений), то испаряющая поверхность, по которой она передвигается, оказалась бы непосредственно на поверхности почвы. Причем влага усваивается корнями непосредственно из почвенной толщи и восходящий ток ее расходуется уже по пути к испаряющей поверхности, что приводит к уменьшению фактической высоты капиллярного подъема влаги.
Совершенно очевидно, что высота капиллярного поднятия зависит не только от интенсивности расхода из почвы, но также от скорости передвижения воды от поверхности питания капиллярной каймы к испаряющей поверхности.
Первые попытки математического описания процесса передвижения влаги в ненасыщенных грунтах были предприняты в 1921 году Гарднером и Уид-стоу.
Исходя из учения о капиллярном потенциале Бэкингема (142), авторы свели математическую модель передвижения влаги к уравнению, аналогичному уравнению теплопроводности. Для одномерного движения оно имеет вид: где в - влажность; Д - коэффициент влагопроводности; t - время; х - координата. Обозначение координат в работе принято следующим: х — для горизонтального передвижения; z — для вертикального передвижения. Уравнение (1) применялось многими авторами при решении задач о передвижении влаги в ненасыщенных грунтах. Экспериментальная проверка показала, что скорость впитывания и скорость продвижения фронта смачивания обратно пропорциональны корню квадратному из времени, что согласуется с решением уравнения (1). Однако распределение влажности, установленное экспериментально, существенно отличается от теоретического.
Несоответствие между теорией и экспериментом объясняется тем, что в действительности коэффициент влагопроводности не является постоянной величиной, а зависит от влажности, на что указали в свое время Клюте (147) , Филип (153). Поэтому уравнение (1) усложняется введением в него коэффициента влагопроводности, являвшегося функцией влажности. В результате приходят к уравнению (одномерному):
Остановимся несколько подробнее на выводе этого уравнения. Оно получено из уравнения Дарси и уравнения неразрывности.
Опыты Дарси по фильтрации сквозь пористые материалы показали, что объемная скорость потока v жидкости, полностью занимающей все поры материала пропорциональна градиенту гидравлического потенциала: где ц - вязкость; Кф - коэффициент фильтрации; Ф - гидравлический потенциал.
Физический смысл уравнения Дарси применительно к ненасыщенным грунтам заключается в том, что скорость движения воды пропорциональна величине движущей силы, каковой является градиент потенциала. Минус (-) означает, что движение совершается в направлении, противоположном тому, в котором возрастает потенциал.
Основная трудность применения формулы Дарси к потоку влаги в почве, ненасыщенной влагой, заключается в том, что коэффициент Кф является функцией влагосодержания почвы.
Бэкингем (141) обобщил уравнение (3) и на случай движения влаги с неполным насыщением почвы, при этом он принимал, что
Обоснование такого обобщения было дано Ричардсом (142), который считал, что присутствующий в порах воздух можно отвести к твердому поро-вому скелету. С этой точки зрения поровое пространство изменяется в зависимости от степени насыщения, и это изменение выражается формулой (4).
Уравнение потока жидкости должно удовлетворять не только закону Дарси, но и закону сохранения массы, который выражает тот факт, что количество жидкости, вытекавшей в единицу времени из некоторой замкнутой поверхности влечет изменение насыщенности внутри поверхности: Подставляя а из уравнения (3) в (5),получим следующее уравнение потока влаги в почве
Сроки закладки и дифференциации цветковых почек
Влияние влажности почвы в течение вегетационного периода на рост и на закладку цветковых почек яблони различно. Цветковые почки могут начать дифференциацию лишь тогда, когда заканчивается рост в длину несущих их веточек, но образовательная ткань в конусе нарастания данной почки еще не вступила в покой (103), Н.В. Ромашкан (112) отмечает, что момент дифференциации цветковых почек совпадает по времени с остановкой роста однолетних побегов.
Кроме того, если в сроках начала дифференциации цветковых почек могут быть большие различия, в зависимости от типа и возраста плодовых образований, то к концу вегетации эти различия значительно меньше, то есть почки, позже начавшие дифференциацию, в дальнейшем ускоряют свое развитие. Если бы почки уходили в зиму резко в различных фазах дифференциации, то это привело бы и к разным срокам их цветения весной будущего года. Однако такое явление, как правило, в практике не наблюдается. Существует различие в сроках начала цветения на разновозрастных плодовых образованиях, но оно незначительно. Только цветковые почки на однолетних побегах продолжения ветвей зацветают позже, чем на плодовых веточках, но они и дифференциацию начинают значительно позднее, чем последние. Для яблоневого сада выделяются следующие фенологические периоды: начало распускания цветковых почек; начало интенсивного роста побегов; развертывание листьев; цветение; созревание плодов; начало листопада.
Сроки прохождения фенологических фаз у сортов яблони в наших исследованиях показаны в табл. 5.6, в которой для сравнения приведены данные по сортам «Голден Делишес», «Джонаред» и «Кортланд» к стандартному сорту Волгоградской области «Память Мичурина».
В целом за годы исследований начало вегетации сроки «Память Мичурина», «Голден Делишес» приходились на сроки, близкие к среднемноголетним, а именно на 10 - 13 апреля. Цветение этих сортов происходила в период с 10-12 по 17-20 мая, т.е. несколько позже среднемноголетних сроков. Полное созревание плодов наступало в сентябре, тогда происходил и сбор урожая плодов по вариантам. Листопад проходил в основном во второй половине октября. По результатам исследований за три года нами не установлено существенных различий в сроках начала и окончания цветения между сортами «Голден Делишес» и «Кортланд». У сорта «Память Мичурина» фаза начала вегетации цветения, а также созревания урожая проходило раньше, чем у других сортов.
Продолжительность периода развития плодов от завязи до созревания, в зависимости от сортов достигала 130... 150 дней. По срокам созревания плодов, изучаемые сорта яблони относятся к группе зимних сортов.
По ходу исследований также нами в мае проводился подсчет завязи по всем сортам яблони. Приведенные в табл. 5.7 данные о количестве завязи в полной мере не могут соответствовать урожайным данным, так как после майского учета идет июньское осыпание завязи (фенологическая фаза). Следовательно, на основании этого учета, невозможно, оценить величину урожая в саду Как отмечал Гейнике (70), если сразу после цветения опадает у сорта до 80 % цветков, то в период июньского опадания всего лишь 3...5 % и наоборот. То есть деревья регулируют судьбу урожая в зависимости от питания и погодных условий. Поэтому этот процесс называют «самоочищением», «регулирующим урожай» и т. д. У яблони, как и у большинства плодовых пород, в плодоносящем возрасте формируется избыточное количество репродуктивных органов (цветков, завязей). У семечковых пород полноценный урожай могут обеспечить 5... 10 % полезной завязи от общего количества цветков на дереве. Остальные же цветки и завязи впоследствии осыпаются. При большом количестве удерживающихся до полной зрелости завязей наблюдается мельчание плодов, а также ухудшение дифференциации цветко вых почек для урожая следующего года, а также зимостойкости деревьев из-за обильного урожая деревьев.
По исследованиям ряда авторов различают 3 периода сбрасывания завязи, хотя многие ученые - плодоводы находили 4 и даже 5 таких периодов. Хорошо изучен также вопрос о том, что все сброшенные завязи — до июньского — это неоплодотворенные цветки и молодые плоды. Июньское же сбрасывание - это преимущественно оплодотворенные завязи. В опадающих плодах семян всегда меньше, чем в оставшихся на дереве (70). Последним сбрасыванием является июньское. Степень его и возможность удержать плоды на дереве зависят от многих причин. В числе их обрезка, хорошие приросты побегов предшествующему году, удобрения и в частности обильное снабжение азотом.
