Введение к работе
Актуальность темы. Коренные изменения в орошаемом земледелии Центральноазиатских стран СНГ - увеличение посевов озимых зерноколосовых культур, сокращение площадей под многолетними травами, возделывание в повторных и промежуточных посевах пропашных культур – привели к усилению антропогенного воздействия на агроценоз, в результате чего снижается урожай основных продовольственных и технических культур продуктивность орошаемых земель.
Стремление решить проблему повышения плодородия почв и обеспеченности животноводства собственными кормами за счет выращивания в повторных посевах бобовых, а в промежуточных сидеральных культур не согласуется с существующим дефицитом водных ресурсов, пригодных для орошения.
В таких условиях возникает задача поиска путей экономии оросительной воды. Традиционные инженерные методы, апробированные на отдельных оросительных системах, такие как водосберегающие способы полива - дождевание, внутрипочвенно-капельное орошение, реконструкция внутрихозяйственных гидромелиоративных систем требуют больших капитальных вложений и эксплуатационных затрат, создания мощной материальной базы. Переход на капиталоемкие водосберегающие способы полива в условиях повсеместно распространенного поверхностного, в большинстве случаев, самотечного полива в региональном масштабе не представляется реальным в силу недостаточно развитой экономики Центральноазиатских стран.
Однако возможно сохраняя традиции бороздкового полива, разработать технологию позволяющую усилить его функции водосбережения, восстановления почвенного плодородия и других свойств почвы, соответствующих экологическим требованиям. Такую функциональную нагрузку может выполнить технология орошения пропашных культур по бороздам, поверхность которых покрыта различными материалами, что способствует снижению непроизводительных потерь оросительной воды. Промышленность и сельскохозяйственное производство Узбекистана вырабатывают из собственного сырья в качестве покрытия такие материалы, как крафтбумага из растительных остатков, полиэтиленовая пленка, различные поликомплексы.
Рабочая гипотеза. Предохранение почвы от размыва, обеспечение значительного снижения физического испарения влаги и устранение необходимости проведения многочисленных тракторных междурядных обработок, что в совокупности позволит наиболее продуктивно использовать минеральные удобрения и лучше сохранить водно-физические свойства почвы таковы современные требования орошаемого земледелия. Решение этого комплекса задач позволяет создание экрана с водовыпускными отверстиями для полива.
Цель и задачи исследований. Цель исследований заключалась в теоретическом обосновании и практической реализации водосберегающей технологии полива пропашных культур по экранированным полиэтиленовой пленкой бороздам.
Поставленная цель определила необходимость решения следующих задач:
1. Изучить современные представления о процессах инфильтрации воды в почву, физическом испарении влаги с орошаемых земель и их значимость в реализации теории бороздкового полива.
2. Разработать теоретическое обоснование закономерностей движения потока воды по борозде.
3. Разработать водосберегающую экологически безопасную технологию полива пропашных культур по бороздам при различных вариантах покрытия почвы.
4. Разработать основные элементы технологии полива пропашных культур по экранированным бороздам в зависимости от гранулометрического состава почв, уклона местности, вида покрытия.
5. Изучить водный, тепловой, микробиологический, газовый режимы почвы при поливе по экранированным бороздам и их влияние на урожайность орошаемых культур.
6. Установить теоретические закономерности процесса физического испарения влаги и дать количественную оценку снижения его интенсивности при применении различных покрытий.
7. Оценить экологическую и экономическую значимость технологии полива по экранированным бороздам.
Методология исследований. Методологической основой исследований послужили теоретические разработки в области мелиорации земель и почвенного плодородия, положений почвенной термодинамики.
При проведении исследований использованы принципы системного анализа и принятые в мелиорации методы: полевой, лизиметрический, лабораторный.
Научная новизна результатов исследований заключается в разработке теории описывающей процесса движения потока воды в открытых и экранированных бороздах и физического испарения влаги с поверхности почвы; разработке способа регулирования водного, теплового, газового, микробиологического режимов орошаемых земель путем орошения сельскохозяйственных культур по бороздам с экранами различных конструкций. На основе многолетних экспериментальных исследований установлены оптимальные элементы орошения по бороздам, технологии полива, параметры водопотребления сельскохозяйственных культур, обеспечивающие экономию оросительной воды и высокий продукционный потенциал орошаемых земель. Получены зависимости физического испарения влаги и урожайности сельскохозяйственных культур от степени покрытия поверхности почвы различными материалами. Разработаны математические модели полива по экранированным бороздам и испарения влаги из экранированной почвы. Разработана, испытана и внедрена в производство технология экранирования почвы полиэтиленовой пленкой на посевах хлопчатника с помощью навесного пленкоукладчика. Изучена динамика газового режима почвы и дана оценка эмиссии "малых" парниковых газов - газа, метана и закиси азота.
Защищаемые положения:
теоретические закономерности движения потока в борозде со свободной поверхностью почвы с учетом ее многофазности и многокомпонентности;
математическая модель процесса испарения влаги с поверхности почвы, рассматриваемой в качестве многофазной, многокомпонентной среды;
оптимальные элементов техники полива по непокрытым и экранированным бороздам на основе дифференциации глубины промачивания почвы, КПД и равномерности увлажнения почвы различного гранулометрического состава, стоимости потерянного урожая;
обоснование многофункциональной роли покрытия почвы в междурядьях пропашных культур в формировании водного, теплового, газового и микробиологического режимов;
конструкция водостойкого экрана, обеспечивающего равномерное распределение увлажнения почвы по длине борозд.
Личный вклад автора заключается в разработке с 1994г. и по настоящее время нового направления в теории бороздкового полива, в котором почва рассматривается как многофазная, многокомпонентная среда; в составлении компьютерной программы для реализации имитационной модели увлажнения почв и расчета элементов техники бороздкового полива; в разработке эмпирической модели расчета элементов техники бороздкового полива, в проведении и обработке результатов расчета с их оценкой для различных природных условий с учетом коэффициента равномерности увлажнения почвы по длине борозд; в разработке внутриучастковой системы орошения, включающей устройство для внесения растворимых минеральных удобрений вместе с водой; в разработке конструкции экрана ложа борозд и проведении экспериментальных исследований по совершенствованию технологии полива по экранированным бороздам на посевах культур хлопкового комплекса; в изучении водного, теплового, газового и микробиологического режимов покрытой почвы и установлении эколого-экономической эффективности орошения пропашных культур по экранированным бороздам.
Достоверность полученных результатов. Адекватность разработанных и использованных математических моделей устанавливалась по результатам полевых исследований, точность расчетов оценивалась статистическими методами с использованием современного приборного обеспечения и методик.
Практическая значимость работы.
Разработанные автором положения:
1. Позволяют существенно снизить эмиссию парниковых газов в атмосферу, обеспечивает получение высокого и раносозревающего урожая;
2. Технология орошения по экранированным бороздам может быть использована в регионах с низкой водообеспеченностью орошаемых земель;
3. Технология орошения по экранированным бороздам, внутриучастковая система орошения, механизм укладки экрана могут быть использованы проектными организациями мелиоративного профиля, в хозяйствах, специализирующихся на выращивании пропашных технических, продовольственных культур;
4. Методика расчета элементов техники полива по экранированным бороздам может применяться мелиоративными организациями при проектировании и реконструкции оросительных систем с использованием поверхностного способа полива;
5. Математическая модель движения потока воды в борозде может быть использована научными организациями при изучении русловых процессов;
6. Математическая модель процесса испарения влаги с поверхности почвы может быть использована научными организациями и исследователями при изучении движения влаги в зоне аэрации;
7. Математические модели и компьютерная программа могут быть использованы в учебном процессе.
Апробация работы. Результаты работы по теме диссертации докладывались на на научно-практической конференции "Проблемы землепользования, земельного и городского кадастра и градостроительства" (Москва, 1998 г.); на международной конференции по гидрологии почв (Вена, 1998 г.); на ежегодных конференциях молодых ученых и специалистов МСХА им. К.А.Тимирязева (1999, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004г.); на международной научно-практической конференции "Проблемы управления и использования водных ресурсов бассейна Аральского моря" (Ташкент, 1999 г.); на научной конференции "Современные проблемы мелиорации и водного хозяйства и пути их решения" (Ташкент, 2000 г.); на Республиканском научно–практическом семинаре "Проблемы землеустройства и землепользования на современном этапе реформ в агропромышленном комплексе" (Ташкент, 2000 г.); на республиканской научной конференции "Перевод водохозяйственных эксплуатационных организаций на рыночные отношения" (Ташкент, 2002 г.); на международной конференции "Экологические проблемы мелиорации" (Москва, 2002 г.); на центральноазиатской международной научно-практической конференции "Экологическая устойчивость и передовые подходы к управлению водными ресурсами в бассейне Аральского моря" (Алматы -Ташкент, 2003); на молодежном форуме "Агробиотехнологии и экологическое земледелие" (Владимир, 2005); на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева (2005, 2006, 2007, 2008 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 60 печатных работ, в том числе 12 – в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК России, 4 монографии, получено 1 авторское свидетельство и 4 предварительных патента.
Объем и структура работы. Работа состоит из введения, 7 глав, основных выводов и предложений, списка литературы и приложений, изложенных на 331 странице машинописного текста, с включением 100 таблиц, 27 рисунков, 275 литературных источников, из них 83 зарубежных авторов, и 15 приложений.
