Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса по режиму орошения яровой и озимой пшеницы 7
1.1. Орошение культур. Существующие подходы оросительных мелиорации 7
1.2. Режим орошения озимой и яровой пшеницы, расчётный слой увлажнения почвы 12
1.2.1. Режим орошения яровой пшеницы 12
1.2.2. Расчетный слой увлажнения почвы на посевах яровой пшеницы... 17
1.2.3. Режим орошения озимой пшеницы 20
1.2.4. Расчетный слой увлажнения почвы на посевах озимой пшеницы.. 22
1.3. В одо потребление зерновых культур и методы его определения 24
1.3.1. Апробированные методы определения суммарного водопотребления в условиях Саратовского Заволжья 24
1.3.2. Водопотребление яровой и озимой пшеницы 33
2. Место, агроклиматические условия и методика проведения исследований 36
2.1. Агроклиматические условия Саратовского Заволжья 37
2.2. Гидрологические почвенные условия участка 38
2.3. Метеорологические условия 2001-2002 гг 45
2.3.1. Температурный режим 45
2.3.2. Режим осадков 46
2.4. Методика проведения полевых исследований 48
2.4.1. Схема и методика проведения полевого опыта по разработке режимов орошения озимой пшеницы 48
2.4.2. Определение элементов водного баланса 49
2.4.3. Фенологические наблюдения за состоянием посевов 51
3. Исследования по разработке водосберегающего режима орошения зерновых культур 53
3.1. Оптимальная для растений влажность почвы 53
3.2. Характеристика почвенных профилей Среднего Поволжья 61
3.2.1. Черноземы 61
3.2.2.Темно-каштановые почвы 62
3.2.3. Гомогенные и гетерогенные почвенные профили Среднего Поволжья 63
3.3. Существующие методы назначения поливных норм 65
3.4. Назначешіе водосберегающих режимов орошения с использованием доступных влагозапасов 68
3.5. Расчет поливных норм по А.Н. Костякову и по доступным влагозапасам 77
3.6. Формирование водного режима на посевах озимой пшеницы ОПХ ВолжНИИГиМ 88
3.7. Гидрофизические функции почвогрунтов 92
3.8. Водопотрсбление озимой пшеницы 98
4. Теория влагопереноса. Swap модель 100
4.1. SWAP-модель 100
4.2. Моделирование процесса влагопереноса в почве 102
4.3. Расчет суммарного водопотребления в SWAP-модели 106
5. Адаптация swap-модели к условиям сухостепного Заволжья 109
6. Расчет водосберегающего режима орошения озимой пшеницы для лет 25, 50, 75, 95% обеспеченности по дефициту водного баланса 118
7. Экономическое обоснование внедрения нового метода расчёта нижнего предела предполивной влажности почвы 124
Выводы 131
Рекомендации производству 132
Список использованных источников 133
Приложения 150
- Режим орошения озимой и яровой пшеницы, расчётный слой увлажнения почвы
- Схема и методика проведения полевого опыта по разработке режимов орошения озимой пшеницы
- Характеристика почвенных профилей Среднего Поволжья
- Расчет суммарного водопотребления в SWAP-модели
Введение к работе
Поволжье— один из крупнейших регионов орошаемого земледелия в России. Одним из наиболее важных путей увеличения продуктов питания является увеличение урожайности сельскохозяйственных культур. Проблема получения высоких, устойчивых урожаев решается по многим направлениям, главным из которых является создание оптимальных условий для роста и развития растений. Важной задачей в земледелии Поволжья является создание гарантированного производства зерна, в частности озимой пшеницы.
Однако бурное развитие мелиорации в 80-х годах XX века и отступление от рекомендаций в области нормирования орошения привели не только к огромному перерасходу воды, но и резко ухудшили экологическую ситуацию региона.
В условиях мощного антропогенного воздействия стали прогрессировать такие формы деградации почв, как дегумификация, декальцинирование, переуплотнение, засоление и осолонцевание, а так же снижение водопроницаемости и влагоемкости, что привело к росту потерь влаги за счёт стока, в том числе инфильтрационных потерь, снижению биоты, загрязнению урожая. Таким образом, в регионе складывается негативная ситуация, усугубляемая неправильным ведением мелиоративных мероприятий. А в условиях резкого удорожания поливной воды, вопрос водо с бере гаю ІЦЄ го нормирования режимов орошения встает наиболее остро. Все вышеперчисленное определило выбор темы, формулировку целей и задач данного исследования.
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка водос бере гаю щего, экологически оправданного нормирования режимов орошения, обеспечивающего рациональное использование оросительной воды, сохранение почвенного плодородия и получение высоких урожаев озимой пшеницы. При производстве озимой пшеницы в Саратовском Заволжье системы земледелия и севообороты должны строиться на агроэкологии ее ких принципах, предусматривающих одновременно с высоким урожаем,
5 воспроизводство почвенного плодородия, экологическую чистоту продукции,
эффективное использование оросительной воды, что не только даст
экономический эффект, но и послужит восстановлению экологического
равновесия в регионе. Предполагаемые исследования направлены на создание
водосберегающих режимов орошения, где критерием оценки предполивной
влажности расчетного слоя почвы являются доступные влагозапасы. Это
позволит повысить производство зерновых культур и сбалансировать
количество поливной воды.
В процессе исследований решались следующие задачи:
Задачи исследований:
- провести анализ существующих режимов орошения озимой и яровой
пшеницы, суммарного водо потребления культуры, методов его определения и применимости в условиях Саратовского Заволжья;
дать оценку гетерогенности почвенных профилей и установить величину предполивной влажности расчетного слоя почвы в зависимости от доступных влагозапасов по фазам вегетации озимой пшеницы;
рассмотреть достоверность расчета поливных норм по формуле А.Н. Костякова и по доступным влагозапасам на гомогенных и гетерогенных почвенных профилях;
идентифицировать основные параметры для моделирования и проверить адекватность модели SWAP по формированию водного режима почвогрунтов при возделывании зерновых культур;
определить нормирование орошения озимой пшеницы для лет различной влагообеспеченности;
оценить экономическую эффективность расчета поливных норм по доступным влагозапасам на гетерогенных почвенных профилях.
Научная новизна работы. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили получить экологически обоснованное нормирование водосберегающих режимов орошения, используя
доступные для озимой пшеницы влагозапасы применительно к условиям Саратовского Заволжья.
Научные положения, выносимые на защиту:
Разработка пределов регулирования водного режима почвогрунтов при возделывании озимой пшеницы.
Установление величины поливных и оросительных норм озимой пшеницы по доступным влагозапасам почвы.
Адаптация SWAP-модели применительно к условиям Саратовского Заволжья.
Практическая ценность. Оценка нижней границы предполивной влажности почвы по доступным влагозапасам позволит более обосновано нормировать орошение, при этом уменьшается оросительная норма сельскохозяйственных культур и возрастает экологическая устойчивость природно-техногенных комплексов.
Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СГАУ 2001-2005 г.г., научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, посвященной 115-летию со дня рождения академика Н.И. Вавилова 2002 г., научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, посвященной 118-летию со дня рождения академика Н.И. Вавилова 2005 г.
Основные положения по теме диссертации освещены в 6 работах.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, выводов и рекомендаций производству; содержит 18 таблиц, 55 рисунков, и 7 приложений. Список использованных источников включает 203 наименования, в том числе 196 отечественных и 7 зарубежных авторов.
Режим орошения озимой и яровой пшеницы, расчётный слой увлажнения почвы
По основным природным показателям Саратовское Заволжье считается зоной рискованного земледелия. Режим орошения зерновых культур является одним из решающих факторов получения их стабильных урожаев. Орошаемое земледелие в отличие от богарного дает большие возможности управления плодородием почвы, ее водным и питательным режимами. В засушливый год урожайность зерновых культур при орошении в 3,1, а во влажный — в 1,3 раза выше, чем на богаре.
Наблюдения за ростом и развитием пшеницы показали необходимость увлажнения определенного слоя почвы в определенном диапазоне влажности. Предел, при котором наблюдается значительное снижение урожайности культуры, принимают за нижнюю границу оптимальной влажности. За верхний предел влажности почвы, как правило, рекомендуют принимать значение наименьшей влагоемкости. Исследования Гельригеля и Вольни в Западной Европе по выращиванию пшеницы в вегетационных сосудах показали, что влажность почвы, равная 50-60% от ее полной влагоемкости, наиболее благоприятна для роста пшеницы [117]. В 1954 году A.M. Алпатьев отмечал, что потребление растениями воды производится из слоя 60-70 см. При этом предполивная влажность почвы должна быть не ниже 65-70% НВ. [6] Опыты Зайцевой А.И. (1940) на Безенчукской опытной станции с яровой и озимой пшеницей показали, что оптимальная влажность почвы на глубине распространения основной массы корней не должна быть ниже 70-75% от полевой влагоемкости, особенно в фазу колошения. При отсутствии атмосферной засухи этот придел может быть снижен до 65%. П.М. Фокеевым (1952) для условий Заволжья было установлено, что величина оптимальной влажности почвы будет различной для разных фаз развития пшеницы. Он отмечал необходимость более высокой влажности (80-85%) в фазу колошения. Период кущения и налива хорошо проходит при более низком уровне влажности почвы (65-70%) [117], В 1955 году В.Л. Шаумян рекомендовал принимать предполивную влажность почвы в слое 50 см не ниже 60-65% НВ.
Он считал, что при орошении необходимо применять дифференцированный режим. Так лучшие результаты были получены при влажности почвы в слое 50 см: в фазу кущения 60-65%, в фазу трубкования и колошения 75-80% и в фазу налива зерна 65-70% НВ. Такой режим увлажнения позволяет получать урожай 30-35 ц/га. [123]. Действительно, яровая пшеница неоднозначно реагирует на недостаток влаги в почве в разные периоды её роста. В одни периоды чувствительность растений сильнее, чем в другие. Особенно сильно яровая пшеница реагирует на недостаток влаги в фазу кущения, когда закладываются репродуктивные органы и формируется вторичная корневая система. Недостаток влаги в этот период сдерживает формирование колоса, кущение и снижает рост корней. В результате колос закладывается с небольшим числом колосков и вторичная корневая система не образуется. Оптимальный водный режим в фазу трубкования способствует интенсивному росту стеблей и формированию листьев, то есть увеличению ассимиляционной поверхности. В фазу колошения завершается рост колосьев и цветочных органов. Потому в этот период растения необходимо поливать. Отрицательно влияет недостаток влаги в фазу налива зерна. Отсутствие влаги приводит к образованию щуплого зерна и снижению урожая. [121] Дифференцированный режим орошения рекомендовали М.М. Попугаев, В.И. Лохмотов, В.Г. Бокарев, А.С.Матвеев [121], П.М. Фокеев, Н.А. Колчина, Л.К. Балыкина [104], В.Б. Нарушев [193], Е.П. Денисов [25,194], В.А. Шадских, В.КТурулсв, А.И. Емеличев, Е.И. Антошин, А.П. Муравлёв, В.Г. Евтсев [146], М.Ч.Филимонов [179], Ю.М.Еремеев, А.С. Михайлин [56], А.И. Бараев[196], И.А. Божко, Н.П. Яковлев [167] и другие. Так М.М. Попугаев, В.И. Лохмотов, В.Г. Бокарев, А.С.Матвеев [121] считают, что нижний порог влажности в период от кущения до начала налива зерна не должен быть ниже 70-75% НВ, во время налива зерна — не ниже 65%. Такой же точки зрения придерживаются В.А. Шадских, В.КТурулев, В.А Турулева, А.И. Емеличев, Е.И. Антошин, А.П. Муравлёв, В.Г. Евтеев [146], Н.А. Колчина, П.М. Фокеев, Л.К. Балыкина [104], Бараев [196], В.Е. Болотный допускают снижения влажности в фазу налива зерна до 60% НВ. Таким образом, нижний порог влажности при дифференцированном режиме орошения рекомендуется не ниже 70-75% в фазы от посева до начала налива зерна и 60-65% в фазы налива зерна — восковой спелости. В рекомендациях оптимального режима увлажнения можно выделить три преобладающих точки зрения. А.П. Клепальский [75], Н.А. Колчина, B.C. Дмитриев, Г.А. Гарюгин, И.С. Костин [49], А.С. Кружилин [88], Б.А. Шумаков, Н.С. Петинов, В.Д. Бердышев, М.К. Каюмов [195], Л.А.Косова, Т.М. Гвоздюк [83], В.Б. Нарушев [194], М.С.Филимонов [179], П.Е. Маринич [102], Н.Г. Воронин [27] придерживаются умеренного режима увлажнения почв с предполивным порогом влажности 70-75% НВ во весь период вегетации. И.С. Костин, Л.А. Косова, Т.Н. Гвоздюк для неполегающих продуктивных сортов озимой и яровой пшеницы в условиях Поволжья отмечали, что во время вегетации пшеницы влажность метрового слоя почвы не должна опускаться ниже 70-75% НВ. Рекомендовали проводить в острозасушливые годы — 5-7 поливов, в среднезасушливые 3-4, во влажные годы 1-2 полива нормой 550-600 м /га. А.П. Клепальский рекомендовал поддерживать нижний предел предноливной влажности почвы на уровне 70-75% НВ. Оптимальная мощность увлажняемого слоя почвы до фазы трубкования равна 50-60 см, в последующие фазы 80 см. Оросительная норма составляет 2700-2850 м3/га. Н.Г. Воронин назначал нижний порог оптимальной влажности активного слоя почвы (0-70 см) в пределах 70-75% НВ.
Оросительная норма равна 2000-3100м3/га. Дифференцированный режим увлажнения рекомендуется В.Б. Нарушевым [193] для сортов Ершовская 32, Саратовская 52- 70-80-70% НВ с повышением предполивного порога влажности до 80% в фазу выхода в трубку. Е.П. Денисов предлагает схему полива 80-70-80% НВ при снижении влажности почвы до 70% в период стеблевания— колошения для сорта Верлд Сидз 1877. Полученный урожай 55,6 ц/га объясняется тем, что до этого периода закончилось образование таких плодоэлементов, как число колосков в колосе, число цветков в колосе, и снижение влажности в это время вызывало лишь уменьшение роста стебля (соломины). Это способствовало уменьшению полегания растений и улучшало налив зерна. [25]. В Волго-Донском междуречье М.С. Филимонов (1980) наибольший урожай яровой пшеницы (43,6 ц/га) сорта Мелинопус 26 получил при дифференцированном режиме орошения: до начала фазы выхода в трубку поливы назначали при 70-75% НВ, в критический период потребления влаги (выхода в трубку — формирования зерна) 75-80%, в остальные фазы — 65-70% НВ. [179]
Схема и методика проведения полевого опыта по разработке режимов орошения озимой пшеницы
Все исследования проводились в Опытно-производственном хозяйстве Волжского научно-исследовательского института Гидротехники и Мелиорации. Опытные поля входили в состав восьмипольного севооборота. Размер опытного поля 100x100 м. Осуществление поливного режима озимой пшеницы сорта Зимдар, назначение норм и сроков поливов проводили исходя из наблюдения за динамикой влагозапасов в расчётном слое почвы. Была рассмотрена следующая схема режима орошения озимой пшеницы (таблица 2.2). Расчетный слой увлажнения 60 см: Влажность почвы определялась термостатно-весовым методом. Взятие образцов почвы на влажность делали послойно, через 0,1 м до 1 м—-в четырёхкратной повторпости. Сроки бурения, 1-3 суток после полива или после выпадения большого количества осадков. Последующее бурение осуществлялось через каждые 7-10 дней и перед поливом. Баланс почвенной влаги складывается из ее накопления и расхода. Общее уравнение водного баланса ограниченного по площади участка орошаемой территории для всей толщи почвогруптов до водоупора для конечного промежутка времени имеет следующий вид: [184]. Здесь X— атмосферные осадки; М— оросительные нормы; Z„ фильтрация воды из магистральных и хозяйственных оросительных каналов; Yn.n.s YIIX ,Уп.поч.— приток поверхностных, грунтовых и внутрипочвенных вод; Y,„ Yr, Y[1011—сток (отток) поверхностных, грунтовых и внутрииочвенных вод; Е— суммарное испарение, Ев— испарение с водной поверхности; Мс ;— сток (сброс) поливных вод через дренаж; AU— изменение (накопление или убыль) запасов воды, AUn0R— на поверхности, AUn0J3— в толще почвогрунтов и в водоносном слое, AWH— в почвогрунтах зоны аэрации, AUip— в грунтовых водах, Дис„— в снеге, AUn0i,— в понижениях рельефа, Aq— показатель водообмена верхнего водоносного слоя с нижележащими. Для условий опытного участка уравнение водного баланса существенно меняется вследствие следующих особенностей: Уклон поверхности поля, интенсивность дождя при поливе или атмосферных осадках таковы, что весь объем поступившей воды полностью впитывается и поверхностный сток практически отсутствует: Уровень грунтовых вод лежит значительно ниже 3 м от поверхности почвы. На орошаемом участке нет искусственной дренажной системы:
Магистральный и хозяйственные каналы находятся за пределами зоны влияния на орошаемый массив: Внутрипочвенный приток и отток воды отсутствует вследствие особенностей орошаемого участка: Таким образом, уравнение водного баланса для исследуемых условий модифицируется. Входящее в него водопотребление культуры определяется как остаточный член при условии, что остальные члены баланса определены независимо друг от друга: Изменение влагозапасов Ди определялось влажностью почвы на начало и конец расчетного периода, по стандартной методике, рекомендуемой Гидрометелужбой /термостатно-весовой метод/. Порядок отбора проб и определения влажности проведен по методике [21,145] Поступление влаги в виде осадков определялось осадкомерами Третьякова, почвенными дождемерами ГР-28. Для обеспечения репрезентативности измерений осадкомеры устанавливались непосредственно на балансовом участке и на границе севооборотного участка. Суммарное водопотребление определялось по методу A.M. и СМ. Алпатьевых с использованием средне многолетних \ значений биоклиматических коэффициентов для года, соответственно 75%-ой обеспеченности по дефициту водного баланса расчетного слоя почвы. Ежегодно за состоянием посевов велись фенологические наблюдения. Отмечались даты посева, всходов, начало кущения, полное кущение, появление первого стеблевого узла, появление второго стеблевого узла, набухание колоса в пазухе листа, пластина последнего листа выпрямления, колошение, цветение, молочная спелость, восковая спелость, полная спелость [27]. В результате обработки данных фенологических наблюдений устанавливалась продолжительность межфазных периодов. Изучалась динамика роста корневой системы в основные фазы вегетации культуры [88]. 1. Район исследований характеризуется континентальным засушливым климатом. В условиях орошения почвы могут быть использованы с наибольшей эффективностью для получения высоких урожаев зерновых культур. 2. Опытно-производственный участок по природно-климатическим условиям является типичным для района Левобережья. 3. Климатические условия за время проведения экспериментальных исследований были различны, как по годам исследований, так и по внутрисезонному распределению осадков и суммам активных температур воздуха. 2001 год — средпевлажный (25% обеспеченности дефецитом водного баланса), 2002 год — средний по влагообеспеченности год (50% обеспеченности дефецитом водного баланса). 4. Основные элементы методики полевых опытов разрабатывались с учетом современного состояния вопроса по режиму орошения зерновых, фенологических особенностей культуры, условий опытного участка, дождевальной техники. 5. Метеорологические наблюдения за режимом осадков па опытном участке проводились по методике ГГИ и ГГО. 6. Достоверность опытных данных обеспечивалась повторностыо опытов по территории и во времени.
Характеристика почвенных профилей Среднего Поволжья
Процессы превращения и перемещения веществ, совершающиеся в рыхлой горной породе, вызывают расчленение ее толщи на отдельные слои или генетические горизонты, совокупность которых составляет почву. Генетические горизонты внешне различаются по цвету, сложению, плотности, структуре, наличию или отсутствию тех или иных включений и т.д. Сочетание генетических горизонтов в определенной последовательности составляет почвенный профиль. Под общим строением почвенного профиля понимают его общий облик, обусловливаемый чередованием в определенной последовательности сверху вниз ряда слоев, различающихся по цвету, структуре, сложению и другим морфологическим признакам. Эти признаки соответствуют различиям в составе и свойствах этих слоев.
В почвенном покрове Среднего Поволжья [3] преобладают черноземы (обыкновенный (среднегумусный), южный (малогумусный), приазовский и предкавказский) и темно-каштановые почвы.
Водный режим черноземов относится к типу непромывного, но может быть и периодически промывным. Наибольшая мощность промачиваемого слоя в обыкновенных черноземах составляет в среднем 350-300 см, в южных - 120-200 см. Различные виды черноземов отличаются друг от друга по распределению и содержанию гумуса, карбонатов, в некоторых случаях сульфатов.
Профиль черноземов начинается гумусовым горизонтом А[, черного цвета, обладающим хорошо выраженной водопрочной структурой — зернистой в верхних слоях, комковатой в нижних. Мощность перегнойно - аккумулятивного горизонта может быть различной, в связи с чем отдельные подтипы черноземов можно подразделить по мощности на маломощные (мощность горизонта А не более 40 см), среднемощные (0-40-0-80 см), мощные (свыше 80 см) и сверхмощные (свыше 120 см).
Далее обычно следует карбонатно-аллювиальный горизонт Вк Для него характерно накопление углекислого кальция, содержание которого обычно достигает максимума в верхней части этого горизонта. Морфологически накопление карбоната кальция выражается в том, что соответствующий горизонт приобретает очень светлую окраску — белесоватую с палевым оттенком. Такую окраску придают горизонту пленочки углекислой извести, образовавшиеся на поверхности структурных отдельностей.
Гранулометрический состав всех видов черноземов имеет общий характер. Для всех видов характерно его относительное однообразие по почвенному профилю. Это говорит о том, что существенного перераспределения коллоидных и иных частиц в процессе образования черноземов не происходило. Однако изменения гранулометрического состава все же наблюдается при послойном рассмотрении профилей, как правило, с облегчением мехсостава к метровому слою.
Емкость обмена во всех черноземах колеблется в зависимости от содержания гумуса и гранулометрического состава в пределах от 35 до 50-55 мг-экв в верхнем слое, уменьшаясь книзу с уменьшением содержания гумуса.
Темно-каштановые почвы в степной зоне занимают самую южную ее часть. Для них характерен водный режим непромывного типа. Глубина промачивания может колебаться довольно сильно в зависимости от климатических условий и рельефа.
По общему характеру строения тем но-каштан о вые почвы стоят близко к черноземам. Верхнюю часть профиля составляет гумусовый горизонта Л, мощность которого может колебаться от 30 до 50 см, но чаще от 35 до 40 см.
Цвет горизонта темно-серый с бурым оттенком, который книзу усиливается. Вскипание начинается обычно в нижней части гумусового горизонта на глубине 15-45 см. Гумусовый горизонт обладает довольно хорошей структурой. В темно-каштановых почвах преобладают агрегаты величиной 0,5-1 мм. Под гумусовым горизонтом, как и в черноземах, расположен карбонатно-иллювиальный (Вк), в котором выделяются карбонаты в виде белоглазки. Этот горизонт начинается обычно на глубине 50-55 см и заканчивается на глубине 120-180 см. Структура его призматическая. Под горизонтом Вк залегает материнская порода, содержащая всегда значительное количество карбонатов. Гранулометрический состав темно-каштановых почв отличается однообразием по профилю, однако в них также присутствуют и разнородные слои. Содержание гумуса в верхнем (10-сантиметровом) слое колеблется в пределах 3-6%. Книзу оно постепенно уменьшается. Сумма обменных катионов в верхних горизонтах достигает 25-35 мг-экв и книзу несколько падает. Темно-каштановые почвы довольно богаты питательными веществами, хотя их содержание все же ниже, чем в черноземах. Благодаря нейтральной реакции и хорошему воздушному режиму в темно-каштановых почвах хорошо идет процесс нитрификации. Происхождение почв степной зоны может быть различным. В одних случаях они могут быть издавна степными, развивающимися с весьма отдаленного прошлого под степной травянистой растительностью. В других они могли проходить вначале стадию луговых или черноземно-луговых почв с близким залеганием грунтовых вод. В разных точках земной поверхности процесс почвообразования идет по-разному. Количество атмосферных осадков, температура, т.е. климатические элементы неодинаковы на земном шаре и должны, поэтому обусловливать различный характер почвообразования. Рельеф вызывает перераспределение осадков, уменьшая количество влаги, поступающее в почву на возвышенностях и увеличивая его в понижениях, тем самым, влияя на процесс почвообразования. Не требует особых доказательств факт влияния на почву минералогического и химического состава материнской горной породы, растительности, грунтовых вод и т.д. Все перечисленные факторы — климат, рельеф, материнская горная порода, живые организмы, время —- являются факторами почвообразовательного процесса. Поэтому очевидно, что одинаковых по всем характеристикам почв сложно найти не только в пределах одной климатической зоны, но и практически невозможно даже в пределах одного поля. Различают однородные по гранулометрическому составу (гомогенные) и неоднородные (гетерогенные) почвенные профили. Рассмотрим ряд почвенных профилей, характерных для Среднего Поволжья [3]. Используя классификацию Н.А. Качинского, условно разделим почвы областей на гомогенные и гетерогенные, рассмотрев гранулометрический состав каждого 10 см слоя.
Расчет суммарного водопотребления в SWAP-модели
Суммарное испарение (эвапотранспирация) подразумевает испарение с растений и с поверхности почвы. В прошлом было получено множество эмпирических уравнений для вычисления потенциальной эвапотранспирации с пашни с оптимальными влагозапасами. Однако полученные уравнения были справедливы лишь для конкретных местных условий, где проводились полевые эксперименты и едва имели силу применительно к другим областям. В настоящее время внимание сосредотачивается на физически основанных подходах для повсеместной применимости полученных закономерностей. Эвапотранспирация осуществляется в том случае, если в континууме почва-растение-атмосфера выполняется три условия: 1. осуществляется непрерывная поставка воды; 2. поток энергии доступен и достаточен для преобразования воды в пар; 3. существует необходимый градиент давления пара для поддержания потока от поверхности испарения до атмосферы. Существующие методы определения суммарного испарения основываются на выполнении одного или нескольких условий. Например, при расчете эвапотранспирации методом водного баланса предусматривается выполнение первого условия, при расчете с использованием радиационного баланса - второго, при использовании метода комбинации (баланс энергии плюс тепло-массо-перенос) второго и третьего. Пенман (1948) был первый, кто предложил метод комбинации. Он оценил испарение от открытой водной поверхности и затем использовал его для 107 получения суммарного испарения путем умножения полученной величины на фактор урожая. В дальнейшем метод комбинации был развит Доренбоссом и Пруиттом, а также модернизирован Пенманом и Монтейном. Исследования, проведенные Дженсоном (1990) показали наилучшую применимость уравнения Пенмана-Монтейна для расчета суммарного испарения в различных климатических условиях. В SWAP принят метод комбинации с использованием двух шагов: 1. Вычисление потенциально возможной эвапотранспирации с использованием минимального значения сопротивления растений и воздуха. 2. Вычисление фактической эвапотранспирации с использованием изменения объема воды, забираемого корнями при изменении влажности и уровня солей в корне обитаемом слое почвы.
Первоначально уравнение Пенмана-Монтейна может быть написано в виде (Монтейн 1965, 1981): где Iw - скрытая теплота парообразования (Дж/г), ЕТР - потенциальная норма испарения с растительного покрова (м/с), Rn - чистый лучевой поток с поверхности растительного покрова (Дж/м"с), G — тепловой поток оголенной почвы (Дж/м2с), раіГ - плотность воздуха (г/см ), саіГ - теплоемкость воздуха (Дж/г С), esa, - давление насыщенного пара (кПа), е - фактическое давление пара (Ша), гсшр - сопротивление произрастающей культуры (с/м), rair -аэродинамическое сопротивление (с/м), Ду - наклон кривой давления пара (кПа С"1), и Yair - психрометрическая постоянная (кПа/С). Для упрощения уравнения (4.8) определяют аэродинамическую и лучевую составляющие: где ЕТ - потенциально возможная норма водопотреблепия с растительного покрова (м/с), ETraJ - лучевая составляющая (м/с) и ЕТаег0 - аэродинамическая составляющая (м/с). Лучевая составляющая равна: среднедневные параметры определяются на метеостанциях. Поэтому именно этот подход, как наиболее точный и доступный, используется в SWAP. SWAP-модель проверялась на базе двух культур: озимой пшеницы («ОПХ ВолжНИИГиМ») и сои (колхоз «Путь к коммунизму» Марксовского района»). Культуры произрастали на разных типах почв, характерных для Саратовского Заволжья, в разные, по метеорологическим условиям, года. Опытные данные накладывались на значения, выводимые SWAP-моделью на основе метеорологических данных, данных по режиму орошения культур, а также гидрофизических свойств почв. Было рассмотрено изменение влагозапасов за вегетационный период. Расчеты проводились для слоя 0-60 см, что соответствует активной зоне корневой системы растений. Для озимой пшеницы в SWAP-модель вводились ежедневные метеорологические данные за 2001, 2002 года. Они включали в себя максимальную и минимальную температуру за период исследования, скорость ветра, солнечную радиацию, влажность воздуха и количество осадков (рис,5Л.). За расчетный период принимался период от весеннего кущения до полной спелости Были введены также данные описывающие свойства почвогрунтов, которые включали в себя гранулометрический состав, основную гидрофизическую характеристику, максимальную глубину проникновения корневой системы и т.д. На базе вводимых данных был построен график зависимости динамики влажности (рис 5.3., 5.4.)
