Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Природно-климатические условия нечерноземной зоны России 9
1.1 Обоснование темы исследований и анализ литературы 9
1.2 Климат и природные условия Нечерноземной зоны 12
1.3 Опытный участок 16
1.3.1 Климат территории опытного участка 16
1.3.2 Гидрогеологические условия 19
1.3.3 Свойства почв опытного участка 22
1.4 Выводы по главе 1 26
Глава 2 Состав и методика исследований 27
2.1 Методика исследований в лизиметре 27
2.2 Методика исследований на делянках 30
2.3 Способ определения водно-физических свойств почвы 36
2.4 Фенологические и биометрические исследования 37
2.5 Биохимический состав картофеля и агрохимические анализы дерново-подзолистой почвы 38
2.6 Агротехнические мероприятия при выращивании картофеля 39
2.7 Выводы по главе 2 39
Глава 3 Анализ экспериментальных исследований 40
3.1 Связь урожайности картофеля с влажностью почвы 40
3.2 Взаимосвязь между элементами водного баланса зоны аэрации и расчетного слоя дерново-подзолистой почвы 42
3.3 Развитие корневой системы картофеля и обоснование расчетного слоя почвы 47
3.4 Связь показателей интенсивности дождя со средней скоростью впитывания воды в почву 49
3.5 Биохимические показатели картофеля в связи с водным режимом почв 52
3.6. Анализ взаимосвязи плодородия почв и водного режима 53
3.7 Водообмен между расчетным слоем почвы и подстилающими его слоями 56
3.8 Выводы по главе 3 62
Глава 4 Водопотребление картофеля 64
4.1 Существующие методы определения водопотребления 64
4.2 Сравнительный анализ фактических и расчетных данных водопотребления картофеля 67
4.3 Разработка формулы для определения водопотребления картофеля 70
4.4 Связь водопотребления картофеля с испарением с водной поверхности 76
4.5 Суммарное испарение картофеля в многолетнем периоде 82
4.6 Выводы по главе 4 83
Глава 5 Обоснование режима орошения картофеля на дерново-подзолистых почвах территорий водораздельных площадей Московской области 85
5.1 Существующие методы расчета режима орошения картофеля при дождевании и их анализ 85
5.2 Методика расчета режима орошения картофеля при дождевании 87
5.3 Результаты расчета режима орошения картофеля на дерново-подзолистых почвах и их анализ 92
5.4 Экономическая эффективность результатов научных исследований 96
5.5 Выводы по главе 5 106
Заключение 107
Список литературы 109
Приложение А (справочное) 120
Приложение Б (справочное) 122
Приложение В (справочное) 124
Приложение Г (справочное) 126
Приложение Д (справочное) 128
Приложение Е (справочное) 129
Приложение Ж (справочное) 130
Приложение З (справочное) 136
Приложение И (справочное) 137
Приложение К (справочное) 138
Приложение Л (справочное) 139
- Свойства почв опытного участка
- Взаимосвязь между элементами водного баланса зоны аэрации и расчетного слоя дерново-подзолистой почвы
- Связь водопотребления картофеля с испарением с водной поверхности
- Экономическая эффективность результатов научных исследований
Свойства почв опытного участка
Участок проведения научных исследований находится на возвышенной фации (абсолютная отметка 200 м ), и является залежью, заросшей луговой растительностью с отдельными участками смешанного березово-елового леса. На экспериментальном участке было описано 8 шурфов, вскрытых до глубины 120-210 см, отображающих строение почв возвышенной фации в целом. С точки зрения рассматриваемой местности, ландшафта, типа и подтипа почв, подстилаемых мореной, почвенный профиль является типичным. В понижениях микрорельефа происходит оглеение почвы. На рисунке 1.4 изображен почвенный профиль (глубина 180 см) и описан в таблице1.6 [1].
Дерново-подзолистые почвы в морфологическом отношении принадлежат к скрыто оглеенным, поскольку в профиле отсутствует холодная окраска (сизая, голубая, синеватая), характерная для глеевых горизонтов. Тем не менее, они имеют ряд признаков (железомарганцевые конкреции и др.), указывающих на участие оглеения в формировании их профиля. [46].
Во время проведения исследований рассматривались водно-физические и агрохимические характеристики почв.
К водно-физическим особенностям, обуславливающим характер водного режима почвы и ее доступность для растений, принадлежат механический состав, плотность почвы, структурное состояние, пористость, влагоемкость, максимальная гигроскопичность, водопроницаемость, плотность твердой фазы почвы.
Основные водно-физические характеристики дерново-подзолистой почвы по глубине представлены в таблице 1.7. Анализ таблицы 1.7 показывает, что плотность твердой фазы почвы изменяется по глубине в пределах от 2,31 до 2,70 г/см3.
Плотность почвы изменяется как по площади, так и по глубине, и колеблется в пределах от 1,43 до 1,92 г/см3. Верхний пахотный слой почвы более рыхлый, в сравнении с нижними горизонтами. Пористость колеблется в широких диапазонах и составляет 40–50% от объема. Полная влагоёмкость (ПВ) изменяется от 0,25 до 0,48 в долях от объема. Предельная полевая влагоемкость (ППВ) изменяется от 0,17 до 0,24 в долях от объема. Значения максимальной гигроскопичности мало меняется по профилю, и варьируют от 0,05 до 0,07 в долях от объема.
Результаты лабораторных анализов показывают, что почва обладает слабой водопроницаемостью; коэффициент фильтрации (Кф) с поверхности почвы с оставляет в среднем 0,25 м/сут, а в иллювиальном слое (80 см)-0,20 м/сут.
Данные характеризующие гранулометрический состав почв указаны в соответствии с процентным содержанием почвенных частиц (результаты анализов получены в испытательной лаборатории ФГБУ ГЦАС «Московский»). Результаты анализов даны в таблице 1.8.
Используя классификацию Н.А. Качинского [80], почвы экспериментального участка по гранулометрическому составу можно отнести к легким суглинкам, мелкопесчаным, крупно-пылеватым. В зависимости от глубины залегания гранулометрический состав изменяется в незначительной степени. Повышение содержания илистых частиц начинается на глубине 60...80 см.
Взаимосвязь между элементами водного баланса зоны аэрации и расчетного слоя дерново-подзолистой почвы
Взаимосвязь между элементами водного баланса в зоне аэрации изучалась в лизиметре, а в расчетном, корнеобитаемом слое дерново-подзолистой почвы – на опытных делянках.
В таблице 3.2 представлены водные балансы зоны аэрации при оптимальной влажности почвы в лизиметре, в течение вегетации картофеля 2013 – 2015 гг.
Наблюдения свидетельствуют о том, что в течение периода вегетации 2013 – 2015 гг . происходил нисходящий ток влаги, значения которого увеличиваются в результате выпадения осадков и поливов , и уменьшаются в периоды отсутствия поливов и осадков.
Моделируемый уровень грунтовых вод в лизиметре поддерживался на глубине 1,6 м. При таком расположении грунтовых вод исключалось подпитывание корнеобитаемого слоя.
Количество осадков за период вегетации картофеля в 2013 - 2015 гг. составили соответственно 175, 183, 252 мм. Оросительные нормы за тот же период, на которые влияют суммы осадков, составили 184, 257, 143 мм. Следовательно, значение суммарной водоподачи (Ос+М) соответственно по годам равняется : 359, 440 и 395 мм.
В условиях засушливого 2014 года водопотребление составило 340 мм , а средние 2013 и 2015 гг – 252 и 284 мм соответственно. Суммарная ифильтрация согласно лизиметрическим данным была в 2013 г. q= -63 мм, 2014 г. q= -76 мм и в 2015 г . q= -107 мм. Для изучения взаимосвязи влажности дерново-подзолистой почвы и инфильтрации необходимы дополнительные исследования. В течении проведения опытных исследований в 2013-2015 гг . зафиксировано повышение влагозапасов за период вегетации, значения которых составляют для 2013 г - 44 мм, 2014 - 24 мм и для 2015 - 4 мм. Взаимосвязь водопотребления с влажностью почвы рассматривается в разделе 4.3. Водные балансы на опытных делянках расчетного слоя 2013 – 2015 гг. даны в таблице 3.3.
Большое значение на оросительную норму и на водопотребление оказывает среднее за вегетацию значение влажности почвы. При средней влажности почвы в течении вегетации 2013-2015 гг. равной соответственно 0,62 ПВ; 0,64 ПВ; 0,62ПВ на делянке № 1 оросительная норма составила 179, 199, 76 мм, а водопотребление 255, 288 и 256 мм. На второй делянке при влажности почвы равной 0,71ПВ, 0,71ПВ, 0,76ПВ оросительная норма составила 192, 230, 155 мм, а водопотребле-ние в свою очередь 281, 327, 289 мм. На делянке № 3 при средней увлажненности почвы 0,79ПВ, 0,80ПВ, 0,86ПВ эти величины соответственно составили 269, 314, 186 мм и 302, 387, 349 мм. На контрольном участке, без орошения, при средней влажности 0,48ПВ, 0,61ПВ, 0,61ПВ водопотребление картофеля составило 132, 208, 204 мм.
Согласно анализу, поддержание низкой влажности почвы способствует меньшим оросительным нормам, следовательно это ведет к меньшим значениям водопотребления начиная с 0,7 ПВ и ниже. Довольно сильный разброс в показателях оросительной нормы за 2013 – 2015 гг. вызвано климатическими особенностями этих лет, в частности различным уровнем выпавших осадков.
Одной из главных расходных статей водного баланса является эвапотранс-пирация – транспирация влаги растениями и ее испарение с поверхности почвы. Помимо этого , при глубоком залегании грунтовых вод , которое характерно для водораздельных площадей, формируется инфильтрация из корнеобитаемого слоя в подстилающие горизонты. Отсутствие учета инфильтрации может привести к повышению оросительной нормы и, как следствие, к увеличению инфильтрационных сбросов. Согласно экспериментальным исследованиям увеличение влажности почвы в корнеобитаемом слое, приводит к увеличению оросительных норм, рисунок 3.2.
Подтверждением взаимосвязи оросительных норм (Мi/Мmax) картофеля с влажностью расчетного слоя дерново-подзолистых почв , служит коэффициент корреляции графика связи, который равен 0,965. При поддержании максимальной влажности почвы на уровне 0,79 ПВ в 2013 г., 0,80 ПВ в 2014 и 0,86 ПВ в 2015 гг. оросительные нормы составили соответственно 269, 314 и 186 мм. Поддержание влажности почвы на среднем уровне 0,71 ПВ в 2013-2014 гг. и 0,76 ПВ в 2015 г. потребовалось 192, 230 и 155 мм поливной воды. На делянках с минимальными оросительными нормами, со средней влажностью 0,63 ПВ в 2013 г., 0,64 ПВ в 2014 г. и 0,62 в 2015 г. оросительные нормы составили 171, 199 и 76 мм соответственно.
На контрольном участке, при оросительной норме 0 мм значение влажности почвы составило 0,48 ПВ в 2013 г., 0,61 ПВ в 2012 г. и 0,61 ПВ в 2015 г.
Таким образом, значения влажность почвы оказывает значительное влияние на весь водный баланс, а особенно на такие элементы, как оросительная норма и водопотребление.
Более подробное исследование взаимосвязи водопотребления с влажностью почвы приведено в разделе 4.3.
Связь водопотребления картофеля с испарением с водной поверхности
Существующие методы расчета водопотребления основываются на взаимосвязи суммарного испарения с метеорологическими показателями. Некоторые из этих методов (Л. Тюрк, Х.Л. Пенман, Н.Н. Иванов и др.) определяют значение испаряемости Ео, то есть максимально возможное испарение с водной поверхности [48].
Для перехода от испаряемости к эвапотранспирации [84] В.В. Пчелкиным была предложена формула (4,7) в которой учитываются биологические особенности культуры, отклонение суммарного испарения от испаряемости и снижение влажности от оптимальных значений путем ввода в формулу переходных коэффициентов Кб, Крп, Kw.
Ерр = Kрп K Kw ЕО , (4.7)
где Ерр - суммарное испарение картофеля, мм/дек;
Kрп - коэффициент, учитывающий отклонение потенциального водопо-требления (Ер ) от испаряемости, (Ео); K - биологический коэффициент; Kw - коэффициент, учитывающий влажность почвы; ЕО - испарение с водой поверхностей (испаряемость), мм/дек. Для расчета Крп использовались данные испарения с водной поверхности ГГИ-3000 Пчелкина В.В. [84]. Методом математической статистики, с использованием данных испаряемости и сумм среднесуточных дефицитов влажности воздуха за декадные периоды, было получено уравнение регрессии (4.8) [84]:
c0 = Яі«5 (4.8)
где а1, n1 - эмпирические коэффициенты, равные 0,58 и 0,99 соответственно.
График связи дефицита влажности воздуха с испаряемостью представлен на рисунке 4.8. Потенциально возможное водопотребление картофеля рассчитывалось по следующей формуле:
v = a2as , (4,9)
где Ер - потенциально возможное водопотребление сельскохозяйственных культур, мм/дек;
a2, n2 - эмпирические коэффициенты, характеризующие климатические условия и особенности культуры и почвы (a2=1,31; n2=0,77).
На основании формул (4.8) и (4.9) получены данные испаряемости (Е о) и потенциально возможного водопотребления картофеля (Ер), результаты представлены в таблице 4.5.
Для использования формулы испарения с водной поверхности при расчете водопотребления, необходимо ввести коэффициент перехода Крп, который определялся по формуле:
КРП = Ер /Ео , (4.10)
где Ер - потенциально возможное водопотребление картофеля, мм/дек; Ео – испарение с водной поверхности (испаряемость), мм/дек.
Декадные значения коэффициента перехода Крп представлены в таблице 4.5. На основании данных испаряемости (Ео) и Крп (таблица 4.5) были составлены статистические ряды и получено уравнение регрессии.
Результаты расчетов представлены на рисунке 4.9 и таблице 4.5.
Согласно графику связи (рисунок 4.9) коэффициент корреляции между коэффициентом Крп и испаряемостью (Е о) равен 0,963±0,038, а коэффициент детерминации 0,928, что подтверждает тесную связь между рассматриваемыми величинами.
Используя уравнение регрессии на графике связи (рисунок 4.9), был рассчитан коэффициент Крп, то есть выполнена аппроксимация коэффициентов Крп с целью практического использования коэффициента, результаты представлены в таблице 4.6. Для расчета суммарного испарения картофеля Ерф использовалась формула (4.11).
Ерф = Кб Kw a2 ds n2 , (4.11)
где Кб - биологический коэффициент картофеля, значения которого приведены в таблице 4.7.
Как видно из графика, на рисунке 4.10, коэффициент детерминации равен 0,88, соответственно коэффициент корреляции для картофеля будет равен 0,937±0,053, что говорит о плотной связи рассматриваемых признаков. Следовательно, формулу (4.7) можно использовать для расчета водопотребления картофеля в практическом пользовании.
Экономическая эффективность результатов научных исследований
Целью разработки режима орошения картофеля в условиях дерново-подзолистых почв водораздельных площадей Московской области является п о-вышение экономической эффективность оросительных систем. Расчет эффективности проводился с использованием методических рекомендаций Министерства сельского хозяйства РФ (МИП – мелиоративные инвестиционные проекты).
В работе рассмотрены два варианта оценки проекта строительства мелиоративной системы с определением их результативности: с внедрением результатов научных исследований и без внедрения.
Внедрение результатов научных исследований способствует формированию ряда условий, оказывающих влияние на экономическую эффективность.
1. Оптимизация водного, пищевого и теплового режимов почв и, как следствие, увеличение продуктивности сельскохозяйственной культуры, осуществляется путем:
– уточнения оптимального диапазона регулирования влажности почвы в течение вегетационного периода, при выращивании картофеля;
– уточнения расчетного слоя почвы с учетом глубины распространения корневой системы картофеля;
– внедрения оптимального режима орошения картофеля при дождевании дерново-подзолистых почв;
Оптимизация теплового и питательного режимов почв осуществляется в результате:
– внесение рекомендуемых для данных условий доз удобрений; – осуществление рациональной системы полива почв.
2. Минимизация негативных издержек гидромелиорации на окружающую среду. Экологический эффект осуществляется благодаря:
– мероприятиям по расширенному воспроизводству плодородия почв;
– снижения инфильтрации влаги в нижележащие горизонты почв;
– сохранения водных ресурсов (внедрения рационального режима полива картофеля при дождевании дерново-подзолистых почв).
При расчете экономической эффективности проекта строительства мелиоративной системы были использованы показатели, приведенные в таблице 5.4, в которой также представлены их источники.
Согласно информации овоще-трейдерских и квалифицированных торговых организаций на 20.03.2016 года цена закупки одной тонны картофеля составляет 7000 руб./тн. Инфляция за 2013…2015 гг. составила 30,7 %. Следовательно, закупочная цена картофеля в 2013 году была 7000х0,693=4800 руб./тн.
Расчет выручки от реализации сельскохозяйственной продукции сведен в таблице 5.5.
Размер капитальных вложений при варианте 2 составляют 2100 руб/га, а в варианте 3 – 2500 руб/га в ценах 1987 г. Перерасчет цен 1987 г. в цены 2002 г. проводился с коэффициентом 17, взятый из работы Краснощекова В.Н., а с 2002 по 2013 г. принимался коэффициент 4,5.
Необходимость внесения минеральных и органических удобрений принята на основании опытных исследований на ОМП «Дубна» (2013…2015гг.).
Такие затраты причислены к природоохранным и представлены в таблицах 5.7 и 5.8. В таблице 5.9 перечислены все природоохранные затраты и их количество по трем вариантам. Следует отметить, что к природоохранным затратам, помимо прочих, относятся: плата за канализацию и подачу воды, ежегодное выравнивание угодий, глубокое рыхление.
Цена минеральных удобрений определялась по статистическому сборнику по сельскому хозяйству России (Госкомстат РФ 2015 г.), согласно которому стоимость одной тонны удобрений равна 12148 руб. Учитывая частичную (40%) государственную компенсацию стоимости минеральных удобрений (Постановление Правительства РФ от 12.08.99 г. №920 «О внесении изменений и дополнений в постановление Правительства РФ от 15.05.99 г. № 539»), в расчетах цена 1 т удобрений значится равной 7289 руб.
Стоимость органических удобрений по данным источникам сети интернет на 2015 год, приблизительно 3500 рублей за тонну.
Величина налогообложения принимается согласно Налоговому Кодексу РФ, при этом использованы следующие ставки налогов:
– НДС в сельскохозяйственном секторе принимаем 10% от количества материальных затрат;
– ставку ед иного социального налога в сельском хозяйстве принимаем 26,1% от фонда заработной платы;
– ставка налога на пользователей автодорогами в сельском хозяйстве принимаем 1% от выручки, полученной от продажи сельскохозяйственной продукции;
– налоговая ставка с доходов физических лиц в сфере сельского хозяйства принимается в размере 13% от фонда заработной платы.
Согласно «Статистическому сборнику. Сельское хозяйство в России. Го с-комстат РФ. 2002 г.» часть материальных затрат из общего объема затрат на производство сельскохозяйственной продукции составляет 61%, а величина оплаты труда – 18%.
В числе основных показателей, использующихся в расчетах технико-экономической эффективности мелиоративных инвестиционных проектов (МИП), для рассматриваемых условий, согласно рекомендациям Министерства сельского хозяйства РФ, принимается: чистый доход, сроки окупаемости, чистый дисконтированный доход.
Расчетные данные без применения результатов исследования представлены в таблице 5.10, с применением в таблице 5.11.
Согласно анализу таблицы 5.10 – период окупаемости без дисконта составил 8/6 лет, а с дисконтом 11/9 лет. Чистый доход составил 3282,2 тыс. руб./га.
По данным таблицы 5.11 следует, что срок окупаемости без дисконта с оставляет 6/4 года, с дисконтом 9/7 лет. Чистый доход 7077,4 тыс. руб./га, чистый дисконтированный доход – 361,1 тыс руб./га.
Показателем эффективности МИП служит значение ЧДД. При отрицательном значении чистого дисконтированного дохода мелиоративный инвестицион 103 ный пр оект сч итается н еэффективным и наоборот. Из ряда в ариантов МИП наилучшим является с большим ЧДД.
При сопоставлении данных таблиц 5.10 и 5.11 можно сделать вывод, что использование исследовательских научных данных повышает эффективность МИП. Период окупаемости МИП с дисконтом и без него снижаются на 2 года, ЧД повышается на 46 %.