Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования. 8
1.1 Ботанико-биологические особенности и история кукурузы и суданской травы.
1.1.1 Кукуруза. 13
1.1.2 Суданская трава. 15
1.2 Влияние водного режима почвы на эколого-мелиоративное состояние сельскохозяйственного поля .
1.2.1 Экологически обоснованные режимы орошения сельскохозяйственных культур.
1.2.2 Факторы, влияющие на процесс инфильтрации за пределы корнеобитаемого слоя почвы.
2. Программа, методика и объект исследований 24
2.1 Схема, варианты и методика проведения опыта. 24
2.2 Климат района исследований . 3 1
2.3 Геоморфологическое строение и рельеф. 34
2.4 Геология и гидрогеология. 35
2.5 Почвенно-мелиоративные условия. 36
2.6 Метеорологические условия периода исследований. 41
2.7 Определение водопотребления кукурузы и суданской травы по методу водного баланса.
3. Результаты исследований. 53
3.1 Режим орошения кукурузы и суданской травы. 53
3.2 Динамика влагозапасов под посевами кукурузы и суданской травы. Инфильтрационные потери поливной воды за пределы расчетного слоя почвы . 62
3.3 Суммарное водопотребление кукурузы и суданской травы.
3.4 Урожайность и коэффициент водопотребления культур.
3.5 Формирование надземной части и корневой системы кукурузы и суданской травы.
4. Оптимизация режима увлажнения кукурузы и суданской травы . 103
4 1 Обоснование выбора верхней и нижней границ влажности и глубины увлажнения расчетного слоя почвы.
4.2 Региональные биоклиматические коэффициенты кукурузы и суданской травы и их взаимосвязь с нарастанием надземной части и корневой системы
4.3. Послойное потребление влаги корневой системой кукурузы и суданской травы.
4.4. Зона активной работы корневой системы кукурузы и суданской травы.
5. Энергетическая эффективность режимов увлажнения кукурузы и суданской травы .
Общие выводы и предложения производству. 1 6 1
Литература. * 64
Приложения. 18 5
- Влияние водного режима почвы на эколого-мелиоративное состояние сельскохозяйственного поля
- Климат района исследований
- Динамика влагозапасов под посевами кукурузы и суданской травы. Инфильтрационные потери поливной воды за пределы расчетного слоя почвы
- Региональные биоклиматические коэффициенты кукурузы и суданской травы и их взаимосвязь с нарастанием надземной части и корневой системы
Введение к работе
Накопленный опыт в области орошаемого земледелия свидетельствует о необходимости перехода на новые ресурсосберегающие технологии, когда достигается оптимальное сочетание высокоэффективных мелиоративных мероприятий с системой рационального природопользования. Одно из основных мест в сельском хозяйстве занимает животноводство, и главной задачей является обеспечение поголовья собственными сбалансированными кормами. Для динамичного производства животноводческой продукции необходимо повысить урожайность кормовых культур. Актуальным является и решение экологических аспектов производства кормов и, прежде всего, экономии водных ресурсов, а так же недопущения поднятия уровня грунтовых вод и борьба с водной эрозией в результате образования поверхностного стока.
Проблема получения стабильно-высоких урожаев
сельскохозяйственных культур в почвенно-климатических условиях Саратовского Заволжья осложнена неустойчивым обеспечением территории атмосферными осадками в течение вегетационного периода. В этих условиях устойчивая продуктивность сельскохозяйственных культур может быть достигнута только при регулярном орошении [61,124]. Однако орошению часто сопутствуют такие экологически неблагоприятные процессы, как подъем уровня грунтовых вод, засоление, снижение плодородия почв, водная эрозия. Основными факторами, ухудшающими мелиоративное состояние сельскохозяйственных угодий при орошении являются непроизводительные потери поливной воды на поверхностный сток и глубинный сброс из корнеобитаемого слоя почвы в нижележащие горизонты [22,98].
Исследованиями ученых Шумакова Б.А [169], Шумакова Б.Б [170,171], Айдарова И.П. [1], Вадовского Е.Ю [23], Григорова М.С. [32,33], Кружилина И.П. [62,63], Ольгаренко В.И. [108], Ольгаренко Г.В. [109], Костина Б.И. [64], Хохлова А.И. [161,162] и других, установлено, что для практического решения экологических проблем необходима разработка методов и технологий мелиорации земель для комплексного управления водным и питательным режимами почв. На практике же корректировка режимов орошения, которая объективно увязывала бы сроки поливов с фактической динамикой водопотребления на всех полях орошаемых массивов проводятся без учета фактических влагозапасов преждевременно и завышенными нормами, что вызывает излишние затраты поливной воды [2].
Но за счет повышения технического уровня оросительных систем, не могут быть решены все существующие экологические проблемы. Значительная их часть может быть устранена за счет повышения эффективности управления водным режимом почв.
Вопрос эффективного использования ресурсов оросительной воды является одним из важнейших в мелиоративном земледелии. В Саратовском Заволжье уже сейчас ощущается дефицит водных ресурсов. Поэтому, дальнейшее развитие сельскохозяйственного производства тесно связано с рациональным использованием оросительной воды [57, 65, 66, 92, ПО, 137].
Изучая вопросы физиологии орошаемых культур, и притом непосредственно на полях, получаемых тот или иной поливной режим, мы не только помогаем этим решению практический вопросов построения оптимальных поливных схем, но и сами, как правильно отметил академик Максимов Н.А. [97], получаем возможность с новых позиций и на массовом материале решать и некоторые основные вопросы водного режима и физиологии растений вообще.
Поэтому сейчас остро стоит вопрос о сохранении мелиоративного состояния сельскохозяйственного поля и экономного использования имеющихся водных ресурсов.
Влияние водного режима почвы на эколого-мелиоративное состояние сельскохозяйственного поля
Саратовская область является важным земледельческим
регионом страны по производству многих видов сельскохозяйственной продукции. Важным направлением интенсификации сельскохозяйственного производства в области является орошаемое земледелие. В настоящее время большое количество орошаемых земель в Саратовской области поливаются дождеванием. Однако, урожай сельскозяйственных культур на орошаемых землях остается низким. Поэтому повышение урожая и его качества зависит от наиболее эффективного применения дождевальных машин в комплексе с принятым режимом орошения культуры и другими агротехническими приемами. Режим орошения обеспечивает заданный водный режим расчетного слоя почвы. Водный режим почвы является одним из факторов, определяющих плодородие почвы. Орошение искусственным путем повышает значение индекса засушливости климата и делает его равным единице. Вода с поливами ІЗ подается в почву в соответствии с ее водно-физическими свойствами, физиологическими особенностями культуры, фенологической фазой развития. Различают следующие режимы орошения сельскохозяйственных культур: проектный, плановый и эксплуатационный. Проектный и плановый режимы орошения разрабатывают на стадии проектирования и эксплуатации оросительных систем. Эксплуатационный режим орошения имеет некоторые отличительные особенности. Он должен осуществляться оперативно и предусматривает проведение поливов в строгом соответствии с требованиями растений воды. Согласование поливного режима почвы с потребностью растений во влаге составляет одну из основных задач при создании агроценозов с высоким уровнем продуктивности при эффективном использовании почвенных и климатических ресурсов природной зоны. Необходимость разработки способов и средств корректировки поливных режимов в процессе выполнения планов водопользования в условиях современных крупных оросительных систем является актуальной проблемой.
Растения в процессе роста и развития требуют различное количество воды, как по объему ее потребления, так и по степени оптимальной для культуры влажности почвы, отражая в характере водопотребления свои биологические особенности. Наибольшая продуктивность растений определяется в первую очередь оптимальным соотношением между ростом и развитием.
Режим орошения сельскохозяйственных культур должен быть дифференцированным в зависимости от глубины проникновения корней и чувствительности растений к недостатку влаги по фазам роста и развития. Дифференциация поливного режима позволяет правильно нормировать водоподачу в период вегетации, с учетом изменчивости потребности в воде у растений в различные по степени засушливости годы. При этом наблюдается некоторое снижение инфильтрационных потерь влаги на орошаемом поле [152].
Движение влаги в почве определяется, в первую очередь, проводимым режимом орошения. Большие потери воды наблюдаются при подаче на поля излишних ее объемов, что имеет место при преждевременных поливах. Инфильтрационные воды поступают в грунтовые и вызывают их подъем.
Недополив сельскозяйственных культур также нежелателен. В этом случае наблюдается снижение влажности почвы ниже критического уровня, что приводит к потере всей или большей части прибавки урожая. Это даст основание для того, чтобы отнести к потерям все воду, поданную на поля предыдущими и последующими поливами. Особенно нежелателен недополив в наиболее ответственные фазы развития растений.
Дополнительное увлажнение почвы, без учета региональных особенностей, а так же качества поливной воды приводит к неблагоприятным изменениям, вызывающим снижение плодородия почвы и ухудшение экологической обстановки. С точки зрения Абугалиева И.А. к степным почвам Юго-востока были механически применены принципы и техника полива, пригодные для почв пустынь Средней Азии. Это и явилось одной из главных причин неблагополучного состояния орошаемых земель в регионе. Он так же отмечает, что структура степных почв не отличается высокой водопрочностью, а подпахотные горизонты имеют высокую плотность и низкую водопроницаемость [6].
При поддержании оптимальной для растений влагообеспеченности изменения агрофизических свойств орошаемых почв носит сезонно обратимый характер, но с тенденцией в многолетием режиме в сторону ухудшения - повышается плотность, глыбкость, твердость, уменьшается коэффициент структурности и водопроницаемости. Таким образом, в зависимости от величины поливных норм, свойств почвы и культуры земледелия степень деградации земель при орошении может удовлетворять потребности растений в воде и питательных веществах, а вызванные орошением изменения водного режима - сохранять сложившиеся биологические и экологические связи на рассматриваемой территории [1, 106].
Ухудшение гидрогеологической обстановки и снижение плодородия почвы являются основными недостатками эксплуатационной практики, связанными с проводимыми режимами орошения. Оптимальный эксплуатационный режим орошения не должен оказывать негативного воздействия па эколого-мелиоративное состояние земель и должен соответствовать следующим требованиям: 1. не приводить к ухудшению мелиоративного состояния земель, связанного с засолением и заболачиванием; 2. обеспечивать получение экономически обоснованной урожайности сельскохозяйственных культур, при котором почвы не истощаются; 3. сохранять и увеличивать плодородие почвы, стимулировать процессы гумусообразования; 4. способствовать эффективной эксплуатации оросительных систем, позволяющей применение передовых технологий сельскохозяйственного производства.
Важным средством повышения продуктивности агроландшафтов в степной климатической зоне является орошение. Однако широкому развитию орошения часто сопутствуют такие экологически неблагоприятные процессы, как подъем уровня грунтовых вод, засоление, снижение плодородия почвы, водная эрозия. Основная задача, стоящая перед сельскохозяйственным производством -бережное отношение к земле как к основному средству производства, а именно, рациональное использование мелиорируемых земель.
Поливы оказывают существенное влияние на мелиоративное состояние земель. Искусственное увеличение приходных статей водного баланса расчетного слоя существенно изменяет как его водно-солевой режим, так и водно-солевой режим зоны аэрации и грунтовых вод. Исследованиями А.И. Кузника [61,70], Б. А. Файбышенко [160], Н.М. Губина [41], А.И.Хохлова Л.Н. Чумаковой [164], установлено, что в зоне аэрации всегда имеет место нисходящий влагоперенос, который определяет наличие инфильтрационных потерь из увлажняемого слоя почвы. Влага в почве никогда не находится в состоянии покоя. Всегда наблюдаются потоки, направленные из зон с большей влажностью в зоны с меньшей влажность [4]. Перенос воды в грунтах очень сложное явление, исследованием которого занимались многие ученые (4,42,49,50,61, 70,104,151,160,165).
Климат района исследований
Исследования проводились в Энгельсском районе Саратовской области. Климат данной территории -континентальный. Зимы зачастую умеренно холодные. Возможны большие оттепели - до нескольких дней. Преобладание зимой, осенью и частично весной антициклонов и летом умеренных ветров и безветрия в значительной степени обуславливают характер распределения температуры. Прежде всего, обращают на себя внимание слишком большая разница температуры между летними и зимними месяцами. Это явление явно указывает на континентальность климата.
Основные метеорологические элементы приведены в таблице 2.3 по данным метеостанции «Маркс». Три зимних месяца, один осенний (ноябрь) и один весенний (март) с отрицательными температурами, а остальные семь месяцев — с положительными. Максимальные температуры приходятся на летние месяцы - июнь, июль и август, а минимальные - на январь и февраль. Средний максимум в июле месяце (+28,2 С), а абсолютный (+42 С), средний минимум в феврале (-20,6 С), а абсолютный (-44 С). Следовательно, максимальная средняя амплитуда колебаний температуры воздуха между летними и зимними месяцами (48,8 С), а абсолютная величина амплитуды достигает (86 С). Характерной особенностью для территории является неустойчивость температур. Они резко меняются не только в продолжение каждого месяца, но нередко такая смена температур наблюдается и в течение суток. Особенно резкое колебание температур отмечается в декабре, январе, феврале и в марте с амплитудами (9,5-16 С), когда периоды с высокими морозами сменяются оттепелями. Переход от зимних отрицательных температур к летним положительным совершается значительно резче и быстрее чем от летних к зимним. Разница в средних температурах между месяцами мартом и апрелем составляет около (11,5 С), а между апрелем и маем до (22,3 С). Такое резкое нарастание положительной температуры в короткий период времени обуславливает также резкий переход от зимы к лету. Это положение является одной из характерных особенностей континентального климата. Весна нестабильная. Наряду с ранним снеготаянием возможен возврат холода. Заморозки продолжаются до середины апреля, а нередко и до мая.
Лето теплое. В середине лета возможны засухи, а также резкое похолодание в начале и конце. Температура воздуха наиболее холодного месяца января -12,2 С, самый теплый месяц - июль со средней температурой 22,4 С. Средняя годовая температура равна 5,1 С. Продолжительность теплых дней ( 10 С) - 151-170 дней. Высота снежного покрова зимой достигает 25-45 см, но снежный покров нестабилен. Медленное накопление снежного покрова, а также частые оттепели отрицательно сказываются на зимующих культурах.
В течение года осадки распределяются неравномерно. Максимальное количество осадков 46 мм выпадает в ноябре, минимальное 30 мм в апреле. Причем в летний период возможны длительные засухи, а осенью - затяжные дожди.
В геоморфологическом отношении район исследований располагается в пределах области эрозионной Сыртовой равнины в средней ее части и террасированной долины реки Волги и ее притоков. Средняя высота ее составляет 90 - 100 метров. Вся территория имеет полого-холмисто-увалистый рельеф с общим уклоном с севера на юг и с востока на запад.
В поймах и ближних террасах рек имеет место овражно-балочная сеть, развит микрорельеф, элементами которого являются: блюдцеобразные понижения, удлиненные и задернованные ложбины и лиманы. Балки и овраги несколько нарушают общую выравненность и сглаженность рельефа террас, поэтому поверхность их имеет слегка холмистый вид. Ложбины наблюдаются на всей территории района исследований.
В пределах морфологических типов по условиям образования, возрасту слагающих пород и историческому уровню, выделены следующие элементы рельефа: пойма, надпойменные террасы четвертичного возраста и Сыртовая равнина плиоценового возраста [24].
В зависимости от уклона поверхности и условий поверхностного рельефа: поверхности с уклоном менее 0,006 отнесены к слабосточным малоуклонным, с уклоном 0,006 - 0,01 - к среднесточным; с уклоном более 0,01 - сильносточным [13].
Террасовость чаще встречается на пологих склонах в их нижней части; у водоразделов с развитым делювиальным шлейфом она отмечается даже на склонах крупных балок и межсыртовых понижений. Морфология и строение террас, распространение и связь их с делювиальными шлейфами склонов свидетельствует о том, что они образуются в результате плоскостного смыва и аккумуляции в зависимости от положения базиса денудации (уровня водного потока, положения поймы и надпойменных террас, распространения эрозионных форм и пр.), изменения климата и других условий.
Орошаемые территории представлены слабоволнистыми равнинами, хорошо дренируемыми овражно-балочной сетью. По этой причине большая часть зимних осадков при весеннем паводке стекает за пределы массива орошения и не оказывает существенного влияния на режим грунтовых вод.
Динамика влагозапасов под посевами кукурузы и суданской травы. Инфильтрационные потери поливной воды за пределы расчетного слоя почвы
Для определения норм и сроков полива, при изучении различных поливных режимов, большое значение имеет установление динамики почвенной влаги. С этой целью на каждом варианте увлажнения каждые трое суток, а также непосредственно перед поливами и после них, определялись величины влагозапасов в метровом слое почвы, для чего отбирались пробы грунта на влажность.
Суммарный запас влаги расчетного слоя почвы каждого варианта на протяжении вегетационного периода всех лет исследований соответствовал заданным пределам. Его динамика приведена на рисунках 3.1 - 3.6. Анализ рисунков показывает, что вегетационные поливы улучшают водный режим почвы, постоянно поддерживая оптимальные влагозапасы, что определяет хорошие условия для развития культуры. Причем на более «сухом» - третьем варианте кривая динамики находится ниже относительно графика на первом варианте. Это объясняется более низким предполивным порогом влажности, причем средневзвешенные влагозапасы на протяжении всего вегетационного периода тоже будут ниже на варианте с более низким предполивным порогом.
На варианте с более низким порогом влажности почва более иссушена, и при производстве полива скорость впитывания воды будет выше, чем на более «влажном» варианте, при этом потери воды на испарение и поверхностный сток во время полива значительно уменьшаются.
Снижение верхнего и нижнего порогов влажности ведет к снижению средней влажности в расчетном слое почвы на протяжении всего вегетационного периода. Поливная вода более равномерно распределяется в расчетном слое. При этом переток воды в нижележащие слои будет значительно меньше (Кравчук А.В., Донгузов Г.С. [88], Кравчук А.В., Халилов Ш. А., Прокопец Р.В., Донгузов Г.С [89], Кравчук А.В., [80], Кравчук А.В., Прокопец Р.В., Шаврин Д.И., [81]).
Известно, что часть поливной воды при орошении расходуется, помимо транспирации растением, физического испарения с поверхности почвы, на инфильтрационный сброс в нижележащие слои (Безменов А.И., Хохлов А.И., [17], Вериго С.А., Разумова Л.А., [30]).
Помимо изучения динамики почвенной влаги необходимо также знать величину инфильтрации за пределы корнеобитаемого слоя (Косова Л.А., Иванов В.В., Панченко Ю.И., [82], Мосиенко Н.А., Чумакова Л.Н., [103]). В исследованиях величина инфильтрации определялась по декадам в межполивные периоды просыхания почвы. Влияние гистерезиса в этом случае несущественно, а случайные обильные дожди при этом непродолжительны и их влияние на объем инфильтрационных потерь может рассматриваться только при выпадении сразу после полива (Роде А.А., [134], Роде Н.А., [135]). Обычно летние дожди с суммой осадков до 20 мм увлажняют только верхние пересыхающие слои почвы, что практически не сказывается на явлении инфильтрации.
Движение влаги в почве - сложный процесс, происходящий под действием сил различного происхождения: сил тяжести, сил поверхностного натяжения воды и т.д. Причем в зависимости от водонасыщености грунта эти силы имеют разное количественное выражение (Жернов И.Е. [40], Роде А.А., [134], Кац Д.М., [76], Мичурин Б.Н., Лытаев И.А., [102], Jayior S.A., Box Y.E., [187]). Движение влаги в ненасыщенных грунтах подчиняется закону Дарси, который предусматривает, что объем перетекаемой воды прямо пропорционален градиенту потенциала почвенной влаги. Определяя потенциал почвенной влаги и коэффициент влагопроводности можно рассчитать объем инфильтрационного перетока [18,19,146,147].
Для выполнения задачи по определению объема инфильтрации за пределы расчетного слоя почвы нами предварительно были изучены агрофизические свойства почв опытного участка. Были определенны значения плотности почвы, плотности скелета почвы, наименьшей влагоемкости, максимальной гигроскопичности, гранулометрический состав. Расчет инфильтрационного сброса из корнеобитаемого слоя кукурузы и суданской травы приведен в приложениях 2-19. Сумма потерь поливной воды на инфильтрационный сброс, за границу расчетного слоя почвы за вегетационный период по годам исследований на различных вариантах поливных режимов приведены в табл.3.5 - 3.6 и рис 3.7 - 3.8.
Региональные биоклиматические коэффициенты кукурузы и суданской травы и их взаимосвязь с нарастанием надземной части и корневой системы
Биоклиматический коэффициент отражает величину расходования воды сельскохозяйственной культурой, и поэтому его величина изменяется в связи с ростом надземной части и корневой системы растений.
Биоклиматические коэффициенты справедливы только для условий оптимальной для развития культуры влажности почвы на протяжении всего вегетационного периода. Вне условий оптимальной влажности, как подчеркивал СМ. Алпатьев (1961), динамика потребления воды растениями не отражает потребность их в воде и в значительной мере определяется режимом влажности почвы, который зависит от влияния самих растений, условий погоды и уровня агротехники. В условиях Саратовского Заволжья для нормального развития сельскохозяйственных культур на среднесуглинистых почвах, как отмечают многие авторы [27, 70, 96, 113, 147], оптимальной является влажность расчетного слоя на уровне 70-100% НВ.
Биоклиматические коэффициенты для каждой конкретной культуры также справедливы только для определенного района произрастания растений, их нельзя использовать в расчетах в других климатических условиях и на других типах почв. Региональные пофазовые биоклиматические коэффициенты для исследуемых культур нами взяты по данным ОПХ «ВолжНИИГиМ» для условий Саратовского Заволжья при рациональных по увлажнению условиях выращивания сельскохозяйственных культур .
На основании этих сведений о величинах биоклиматических ." коэффициентов нами построены биоклиматические кривые зависимости дефицита влажности воздуха от суммы приведенных : температур (рис. 4.17), области применения которых ограничиваются изменением суммы приведенных температур 10oC t 2300oC у кукурузы и 10oC t 2800oC у суданской травы.
Биоклиматические коэффициенты изменчивы в зависимости от погодных условий расчетного года: в годы умеренные и влажные они больше, а в засушливые годы — меньше по абсолютному значению.
Из таблицы видно, что максимальный биоклиматический коэффициент отмечен: у кукурузы в период от выметывания метелки до созревания зерна 0,37-0,49 мм/мбар, у суданской травы в период от трубкования до выметывания метелки 0,40 - 0,53 мм/мбар. В этот период идет интенсивное формирование зеленой массы и корневой системы этих культур. Суточное водопотребление может достигать 4,5-6,1 мм/сут у кукурузы и 5,5-7,2 мм/сут у суданской травы. Минимальное суточное водопотребление отмечено у кукурузы и суданской травы в фазу «сев - всходы». Суммарное испарение около 1,5-2,8 мм/сут. У суданской травы также отмечено снижения водопотребления после каждого укоса и составляет примерно 2,7 — 3,5 мм/сут.
На рисунках 4.18 и 4.19 приведена динамика роста надземной части, корневой системы и биоклиматического коэффициента кукурузы и суданской травы. В течение всего периода вегетации биоклиматический коэффициент нарастает, начиная с фазы «всходы» до фазы «выметывание метелки» как у кукурузы, так и у суданской травы. В фазу молочной спелости у кукурузы биоклиматический коэффициент начинает идти на спад и достигает минимального значения в фазу восковой спелости зерна.
У суданской травы в фазу выметывания метелки производят укос и, поэтому, биоклиматический коэффициент в этот период достигает своего минимума. Далее он вновь начинает расти вплоть до фазы выметывания метелки во втором укосе. То же происходит и при последующих укосах.
