Содержание к диссертации
Введение
1. Изученность режима орошения и водопотребления картофеля 9
1.1 Особенности возделывания картофеля в условиях орошения 9
1.2 Особенности режима орошения и водопотребления картофеля в зоне недостаточного увлажнения 18
1.3 Методы прогнозирования (расчёта) суммарного водопотребления 29
Выводы 38
2. Схема опытов, методика исследований, характеристика района исследований 39
2.1 Схема опытов 39
2.2 Методика исследований 41
2.3 Характеристика района исследований 44
Выводы 50
3. Результаты экспериментальных исследований... 51
3.1 Агротехника возделывания картофеля 51
3.2 Режим орошения картофеля 53
3.2.1 Расчёт поливной нормы 53
3.2.2 Динамика влажности почвы 55
3.3 Суммарное водопотребление картофеля 63
3.3.1 Методы определения суммарного водопотребления картофеля и их сравнительная оценка 63
3.3.2 Среднесуточное водопотребление картофеля в зависимости от различных условий увлажнения... 69
3.4 Влияние орошения на урожайность картофеля 74
3.5 Определение биоклиматических коэффициентов картофеля 93
Выводы 96
4. Оценка агроклиматических условий ростовской области для выращивания картофеля 98
4.1 Природно - климатические условия Ростовской области 98
4.2 Показатели тепловлагообеспеченности сельскохозяйственных угодий 105
4.3 Количественный анализ показателей тепловлагообеспеченности 109
4.4 Районирование территории Ростовской области 120
4.5 Проектные режимы орошения картофеля для характерных по тепловлагообеспеченности лет 125
Выводы 139
5. Экономическая эффективность орошения картофеля 140
Выводы 145
Общие выводы 146
Предложения производству 149
Литература 150
Приложения 163
- Особенности режима орошения и водопотребления картофеля в зоне недостаточного увлажнения
- Методы определения суммарного водопотребления картофеля и их сравнительная оценка
- Определение биоклиматических коэффициентов картофеля
- Проектные режимы орошения картофеля для характерных по тепловлагообеспеченности лет
Введение к работе
lJ
Актуальность проблемы. Картофель - важнейшая продовольственная, техническая и кормовая культура. Под картофелем в Ростовской области заняты небольшие площади. Это объясняется тем, что климат области в связи с повышенным температурным режимом и низкой природной влагообеспечен-ностью не благоприятен для выращивания картофеля в условиях богары. Получение высоких и стабильных урожаев картофеля в условиях Ростовской области возможно только при орошении.
При этом орошение должно быть научно обосновано, производиться на высоком уровне, размеры оросительных норм для картофеля должны быть разработаны с учётом современных требований экологии, ресурсоограниче-ний и социально - экономических факторов.
Исследования по режиму орошения картофеля, проводимые ранее, в подавляющем большинстве носят локальный характер. Исследователями не предложена методика обобщения экспериментальных данных, позволяющая распространять их на территорию Ростовской области с учётом условий теп-ловлагообеспеченности периода вегетации картофеля и водно - физических свойств почв агроландшафтов.
Установление показателей водопотребления картофеля, разработка рациональных режимов орошения, обеспечивающих высокую эффективность его возделывания, требуют дальнейшего уточнения и доработки.
Цель и задачи исследований. Цель исследований заключалась в оценке водопотребления и разработке рациональных режимов орошения картофеля, обеспечивающих высокую эффективность его возделывания в Ростовской области.
Для достижения поставленной цели предусматривалось решение следующих задач:
-
Выполнить анализ и обобщить результаты исследований в области совершенствования технологии орошения картофеля в различных районах Северного Кавказа.
-
Оценить агроклиматические ресурсы Ростовской области для выращивания картофеля весенней посадки.
-
Изучить влияние различной водообелиеаелнааці_на продуктивность
блиотека . ;
БИБЛИОГЕ С. О»
-
Разработать рациональные режимы орошения картофеля для лет различной тепловлагообеспеченности с учётом возможного ресурсного ограничения.
-
Оценить показатели водопотребления картофеля (среднесуточное и суммарное водопотребление), установить коэффициенты водопотребления картофеля и биоклиматические коэффициенты в зависимости от суммы среднесуточных температур воздуха.
-
Установить количественные показатели дефицитов увлажнения и водопотребления картофельного поля и построить карты изолиний отмеченных дефицитов на территории Ростовской области для характерных по тепловлагообеспеченности лет.
-
Выполнить районирование территории Ростовской области по условиям тепловлагообеспеченности вегетационного периода картофеля.
-
Разработать режимы орошения картофеля по мелиоративным районам Ростовской области для характерных по тепловлагообеспеченности лет.
-
Провести экономическую оценку режимов орошения картофеля весенней посадки в условиях Ростовской области.
Объектом исследований является режим орошения картофеля и показатели тепловлагообеспеченности условий его выращивания.
Научная новизна исследований заключается в том, что впервые для условий Ростовской области:
получены математические зависимости влияния водообеспеченности на продуктивность и водопотребление картофеля;
установлены количественные показатели водопотребления картофеля, в том числе биоклиматические коэффициенты водопотребления в зависимости от суммы среднесуточных температур воздуха от начала вегетации;
выполнено районирование территории Ростовской области по показателям тепловлагообеспеченности вегетационного периода картофеля;
разработаны режимы орошения картофеля в разрезе мелиоративных районов и подрайонов, в том числе с учётом возможных ресурсоограни-чений;
определены показатели экономической эффективности орошения картофеля.
5 На защиту выносятся:
количественные показатели водопотребления картофеля, биологические кривые и биоклиматические коэффициенты водопотребления;
математические зависимости влияния уровня водообеспеченности на показатели урожайности картофеля;
районирование территории Ростовской области по показателям тепло-влагообеспеченности вегетационного периода картофеля;
рациональные режимы орошения картофеля, в том числе с учётом ресурсных ограничений.
Методология исследований основана на проведении многолетнего эксперимента по изучению водопотребления и режима орошения картофеля, расчётах с использованием ПК и анализе показателей тепловлагообеспечен-ности для выполнения районирования территории Ростовской области.
Личный вклад автора заключается в постановке целей и задач исследований, выборе методик, проведении полевых экспериментов, сборе и, обработке материалов наблюдений метеорологических станций, подготовке диссертации, выводов и рекомендаций, внедрении полученных результатов в производство.
Достоверность результатов исследований подтверждается применением апробированных современных методик, большим объёмом экспериментальных исследований, применением стандартных методов математического анализа и положительными результатами производственной проверки.
Практическая ценность и реализация работы. Разработаны режимы орошения картофеля весенней посадки для различных районов Ростовской области, позволяющие получать высокие урожайности при рациональном использовании оросительной воды.
Для прогнозирования и корректирования поливных режимов предложены биоклиматические коэффициенты водопотребления.
Составлены карты изолиний территории Ростовской области, по которым можно определять показатели тепловлагообеспеченности картофельного поля, а также величину оросительной нормы картофеля в любом районе Ростовской области.
Результаты исследований внедрены в ООО «ПРОД - АГРО» Семикара-корского района Ростовской области на площади 4 га, МУ СХП «Бакланий-
ковский совхоз» Семикаракорского района Ростовской области на площади 3 га в 2003 и 2004 годах с общим экономическим эффектом 363,8 тыс. руб.
Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научно - технических конференциях, проводимых в ФГОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» в 2003 - 2005 гг., на конференциях молодых учёных РосНИИПМ «Исследования в области проблем мелиорации», проводимых в феврале 2002 г., апреле 2003 г. в г. Новочеркасске, на VIII международной научной конференции «Экологические проблемы регионов и федеральных округов» в 2002 г. (Ростов-на-Дону), на практических региональных и зональных семинарах, проводимых МСХиП Ростовской области в 2003 - 2005 годах.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 7 печатных работах,' в их числе 1 монография.
Объём и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 209 страницах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, выводов и предложений производству, списка литературы из 138 наименований, в том числе 5 зарубежных, содержит 30 таблиц, 29 рисунков и 39 приложений.
Особенности режима орошения и водопотребления картофеля в зоне недостаточного увлажнения
Отзывчивость на орошение. Недостаточное количество осадков - основной фактор низкой урожайности картофеля на юге и юго-востоке европейской части России. Поэтому орошение картофеля здесь, особенно в засушливые годы, очень эффективно.
Работами опытно-мелиоративных и сельскохозяйственных станций южных районов Российской Федерации и Поволжья установлено, что в степных условиях, где влага испаряется растением более интенсивно, а грунтовые воды находятся глубоко, высокие урожаи картофеля в весенних посадках получены при оросительной норме 3000 м3 на 1 га [53].
Оптимальная влажность почвы в течение вегетационного периода культуры поддерживается с помощью поливов, которые осуществляются дождеванием или по бороздам. Биологическим потребностям картофеля больше соответствует полив дождеванием.
Согласно данным Кружилина А.С. [64] дождевание на 10 - 12 % повышает урожайность картофеля в сравнении с поверхностными поливами.
В.Ф.Ильин [47] отмечает, что дождевание посевов картофеля - более дешёвый и менее трудоёмкий способ орошения, чем полив по бороздам. Аналогичные результаты были получены на Ростовской опытно - мелиоративной станции, где урожай клубней при дождевании оказался на 12 - 19 % выше, чем при поливе по бороздам и в Донбассе, где в засушливую погоду соответственно разница составила 14 - 22 %.
В опытах, проводимых в ОПХ ЮжНИИГиМ с раннеспелым сортом «Приекульский ранний» (летняя посадка) урожайность клубней на богаре составила 5,67 т/га; при поливе по бороздам - 8,84 т/га; дождеванием — 10,43 т/га; при внутрипочвенном орошении — 12,99 т/га [133]. Наряду с поддержанием оптимальной влажности почвы поливы выполняют и другие полезные функции. Влажная почва находится в смягчённом состоянии, устраняя механическое сопротивление росту клубней, которое наблюдается в сухой, тяжёлой почве, где клубни вследствие неблагоприятных условий принимают уродливые формы.
Поливы способствуют и оптимизации температуры почвы. По наблюдениям В.П.Ершова [37], проведённым в Ростовской области, поливы дождеванием нормой 250 м3/га на тяжелосуглинистых предкавказских чернозёмах снижали температуру почвы на 3 С на глубине 0,1 - 0,15 м в течение 8-10 дней. При этом температура почвы находилась на уровне оптимальной — 23 С, а на контроле 27 - 29С. При дождевании поливной нормой 500 м /га снижение температуры почвы действовало 9-12 дней, при поливе по бороздам поливная норма 700 м3/га вызывала такое же действие на протяжении 6 -8 дней. Согласно исследованиям Н.Бойко [12], благодаря учащённым поливам температура почвы днём снижается в среднем на 4,5-5С, а температура воздуха среди растений - на 2 - 3С. По наблюдениям А.С.Кружилина [64] влажность воздуха в травостое поливных растений на 10 - 13% выше. Увядание растений без полива достигало 13 - 15 %, а при орошении — 1,5 %, температура почвы понижалась на 3 - 4С. Орошение по данным И.А.Сорокиной [117] снижает температуру почвы на 3 - 5С.
Опыты, проводившиеся в различных орошаемых районах юга России, показывают, что для обеспечения высоких урожаев картофеля влажность почвы в период его вегетации должна быть около 75 — 80 % от наименьшей влагоёмкости [95].
В различных районах России количество поливов на посадках картофеля зависит от почвенно-климатической зоны. На чернозёмах среднего Поволжья обычно проводят 2-3 полива нормами 400 - 500 м /га. В Волго - Ахтюбин-ской пойме на аллювиальных, тяжелосуглинистых почвах картофель поливают 4-9 раз в зависимости от условий года. В Каменной степи проводят 2 -3 полива, в засушливые годы - 4 полива при поливной норме 400 - 500 м3/га [4].
При орошении необходимо обеспечить оптимальные условия водного и воздушного режимов в почве, при которых растение может создать наибольшее количество продукции.
Положительные результаты даёт сочетание орошения с соответствующим уходом за посевами картофеля. Улучшенный уход, состоящий из 1 - 2 дополнительных рыхлений с окучиванием растений после поливов по сравнению с обычным уходом значительно увеличивает урожай картофеля. Прекращают поливы за 20 - 25 дней до уборки урожая.
Признаком созревания картофеля служит начало отмирания ботвы и образование на клубнях плотной, несдирающейся кожуры. К этому времени накапливается максимальный урожай и увеличивается содержание сухого вещества и крахмала в клубнях.
Методы определения суммарного водопотребления картофеля и их сравнительная оценка
Суммарное водопотребление слагалось из основных частей водного баланса: атмосферных осадков, запасов почвенной влаги и оросительной нормы и определялось по формуле (1.1).
Как уже отмечалось, применяются и другие методы, основанные на метеорологических показателях (Н.Н. Иванов [46], Д.А. Штойко [131], Г.К. Льгов [72], Д.И. Шаров [88]), однако эти методы требуют дополнительной проверки. Поэтому нами при расчёте суммарного водопотребления принят метод водного баланса. Поливные нормы рассчитывались на основании данных предполивной влажности почвы с учётом увлажнения до наименьшей влагоёмкости расчётного слоя почвы.
В расчёт суммарного водопотребления принималась вся сумма атмосферных осадков, за исключением малоэффективных, менее 5 мм. Запасы влаги в почве в начале и в конце периода определялись по влажности взятых образцов, выраженной в процентах к массе сухой почвы, умноженной на объёмную массу и глубину активного слоя почвы по формуле: где Я-расчётная глубина увлажняемого слоя почвы, м; а- плотность сложения массы почвы, т/м ; /?- влажность почвы, в % от массы сухой почвы. Величина суммарного водопотребления картофеля, как отмечают многие авторы [46, 72, 88, 131], при оптимальных условиях водообеспечения определяется, главным образом метеорологическими показателями, темпами роста и развития растений, а также биологическими особенностями культуры, природными условиями, агротехникой и другими факторами. Значения суммарного водопотребления картофеля в зависимости от разных условий увлажнения приведены в таблице 3.3.
Как видно из приведённых данных, суммарное водопотребление картофеля изменялось с изменением режима орошения. Снижение оросительной нормы на 20 и 40 % по сравнению с первым вариантом приводит к уменьшению суммарного водопотребления в среднем на 5,2 - 10,7 %. В свою очередь, коэффициент водопотребления колебался на вариантах опытов в среднем по годам исследований для сорта «Романо» от 232,6 м /т до 259 м /т, для сорта «Невский» - от 271,4 м /т до 334,3 м /т.
В 2001 году на варианте с достаточной водообеспеченностью в структуре суммарного водопотребления 49,3 % составила оросительная норма, 41,8 % - осадки и 8,9 % - расход воды из почвы. На варианте с пониженной водообеспеченностью (0,8 Dir) 41,8 % составила оросительная норма, 44,2 % - осадки и 14 % - расход воды из почвы. На варианте с низкой водообеспеченностью (0,6 Dir) оросительная норма составила 32,3 %, осадки - 46,3 % и расход влаги из почвы - 21,4 %. В 2002 году на первом варианте (Dir) 55,1 % от общего водопотребления занимает оросительная норма, 32,1 % - осадки, 12,8 % - запас почвенной влаги. На втором варианте 47,1 % от общего водопотребления составила оросительная норма, 34,3 % - осадки, 18,6 % - запас почвенной влаги. На третьем варианте оросительная норма составила 37,7 %, осадки — 36,4 % и 25,9 % -используемый запас почвенной влаги.
В 2003 году оросительная норма составила на варианте с достаточной водообеспеченностью 42,4 %, осадки - 54,6 % и расход влаги из почвы - 3 %. На варианте с пониженной водообеспеченностью (0,8 Dir) 34,8 % от общего водопотребления составила оросительная норма, 55,9 % - осадки и 9,3 % - запас почвенной влаги. На варианте с низкой водообеспеченностью (0,6 Dir) 27 % в структуре суммарного водопотребления 27 % занимает оросительная норма, 58,7 % - осадки и 14,3 % - запас почвенной влаги.
В среднем за три года исследований в структуре суммарного водопотребления на первом варианте 48,9 % составила оросительная вода, 42,9 % -осадки и 8,2 % - запас почвенной влаги. На варианте с пониженной водообеспеченностью (0,8 Dir) оросительная норма составила 41 5 от общего водопотребления, 45 % - осадки и 14 % - расход влаги из почвы. На варианте с низкой водообеспеченностью (0,6 Dir) 32,2 % составила оросительная вода, 47,4 % - осадки и 20,4 % - запас почвенной влаги.
При уменьшении оросительной нормы на участках с разными условиями увлажнения происходило увеличение расхода воды из почвы, что нашло своё отражение как в абсолютных, так и в процентных показателях.
Так, в 2001 году на варианте Dir расход воды из почвы составил 364 м /га или 8.9 % от суммарного водопотребления, на варианте 0,8 Dir - 541 м /га или 14 %, на варианте 0,6 Dir- 787 м /га или 21.4 %, В 2002 году на варианте Dir расход воды из почвы составил 476 м /га или 12.9 % от суммарного водопотребления, на варианте 0,8 Dir -646 м /га или 18.6 %, на варианте 0,6 Dir -648 м /га или 25,9 %. В 2003 году на варианте Dir расход воды из почвы составил 115 м3/га или 3,0 % от суммарного водопотребления, на варианте 0,8 Dir - 350 м /га или 9.4 %, на варианте 0,6 Dir-419 м /га или 13,5 %.
Определение биоклиматических коэффициентов картофеля
Таким образом, по уравнениям (3.24) и (3.25) можно прогнозировать прибавку урожайности от орошения, а по уравнениям (3.26 - 3.29) - рассчитать оросительную норму для получения единицы прибавки урожайности. Установленные закономерности влияния уровня водообеспеченности на урожайность позволяют прогнозировать величину урожайности картофеля в зависимости от уровня водообеспеченности ii планировать возможную прибавку урожая от величины оросительной нормы в данных почвенно — климатических условиях, а также позволяют рассчитывать количество оросительной воды, необходимой для получения заданного урожая картофеля. Определение биоклиматических коэффициентов картофеля Наиболее полная теоретическая проработка связи суммарного водопо-требления орошаемого поля с метеорологическими данными, в частности с дефицитом влажности воздуха, сделана A.M. Алпатьевым и СМ. Алпатье-вым: где Е - суммарное водопотребление, мм; кь - биоклиматический коэффициент; d -сумма среднесуточных значений дефицита влажности воздуха за вегетационный период культуры, мб. Данный метод находит широкое применение при составлении технических условий и норм проектирования оросительных систем. Биоклиматические коэффициенты отражают влияние на суммарное водопотребление биологических особенностей развития растений и сезонного изменения климата. Величины биоклиматических коэффициентов устанавливаются или для определения интервалов времени или для различия фаз развития культуры по формулам: где Е - фактическое измеренное испарение в мм за расчётный период; X " сумма среднесуточных значений температуры воздуха за вегетационный период культуры, С.
Наличие данных по суммарному водопотреблению за весь период роста и развития картофеля, а также по отдельным фазам его вегетации позволяет определять фактические биоклиматические коэффициенты картофеля. Зависимость биоклиматических коэффициентов от метеорологических условий с учётом сумм температур нарастающим итогом представлена на рисунках 3.16, 3.17. Зависимость биоклиматического коэффициента от метеорологических условий с учётом сумм температур нарастающим итогом обработана на ЭВМ и полученные результаты отражены в графической и табличной форме. Анализ таблиц 3.22, 3.23 показывает, что величина коэффициентов биологической кривой пропорциональна изменению суммарного водопо-требления картофеля, снижение которого ведёт к уменьшению значений биоклиматических коэффициентов, рассчитанных как по дефициту влажности воздуха, так и по сумме среднесуточных температур воздуха. Из показателей биологической кривой следует, что нарастание значений биоклиматических коэффициентов картофеля происходило по мере увеличения суммы среднесуточных температур воздуха. Максимальные значения коэффициентов наблюдались при суммарном значении среднесуточных температур воздуха в пределах 900 - 1100 С. Это соответствовало окончанию периода бутонизация - цветение и началу периода цветение - созревание.
В дальнейшем наблюдалось снижение биоклиматических коэффициентов. Биоклиматические коэффициенты, рассчитанные в зависимости от суммы среднесуточных температур воздуха от начала вегетации, позволяют корректировать режим орошения картофеля. Проведённые исследования по изучению водопотребления и режима орошения картофеля позволили сделать следующие выводы: 1. Изучение суммарного водопотребления позволило установить, что в структуре его 48,9 % занимает оросительная вода; 42,9 % - осадки; 8,2 % -расход влаги из почвы. Суммарное водопотребление за весь вегетационный период на первом варианте составляет 3876 м3/га, в том числе в фазу посадка, всходы - 364 м3/га или 9,4 % от общего водопотребления; в фазу всходы, бутонизация - 565 м3/га (14,6 %); в фазу бутонизация, цветение - 559 м3/га (14,6 %) и в фазу цветение, созревание - 2379 м3/га (61,4 %). Среднесуточное водо-потребление картофеля за вегетационный период составляет на первом вари-анте 29,82 м /га. Максимальное среднесуточное водопотребление приходится в фазу бутонизация, цветение и составляет 34,94 м3/га, минимальное - в фазу посадку, всходы, равное 16,55 м /га. 2. В условиях отсутствия ресурсных ограничений для поддержания влажности почвы в пределах 100 — 80 % НВ рекомендуется проводить 5 веге-тационных поливов нормой 400 м /га для условий среднего года и 4 полива нормой 400 м7га для условий средневлажного года. Коэффициент водопо-требления картофеля равен 219 - 275,5 м3/т в зависимости от сорта. При недостатке водных ресурсов рекомендуется режим орошения с пониженной во-дообеспеченностью. Поддержание влажности почвы в пределах 90 - 75 % НВ позволит снизить оросительную норму на 20 %. При этом урожайность уменьшится на 6,5 - 8,5 %. Коэффициент водопотребления составит 220 -283 м /га. Поддержание влажности почвы в пределах 85 - 65 % НВ позволит снизить оросительную норму на 40 %, урожайность при этом уменьшится на 18 - 24 %. Коэффициент водопотребления будет равен 248 -315м /га.
Проектные режимы орошения картофеля для характерных по тепловлагообеспеченности лет
Районирование территории Ростовской области и анализ показателей тепловлагообеспеченности выделенных районов с учётом результатов многолетних наблюдений по режимам орошения картофеля позволили рассчитать осреднённые нормы орошения для характерных по влагообеспеченности лет.
По формулам (4.18), (4.19) определены дефициты увлажнения за период май — август для каждого года рассматриваемого периода по 31 метеостанции, расположенных на территории Ростовской области. Полученные значения ранжированы в убывающем порядке, что дало возможность выделить реальные годы на заданные проценты обеспеченности.
По результатам вычислений построены карты изолиний дефицитов увлажнения на рассматриваемой территории для характерных по влагообеспе-ченности лет. Как уже отмечалось ранее, дефициты увлажнения могут быть приравнены к величине оросительной нормы.
Анализ нанесённых на карты значений оросительных норм показал, что они различаются как по годам, так и по мелиоративным районам. Для каждого мелиоративного района и подрайона определены осреднённые нормы орошения картофеля в различные по влагообеспеченности годы и при различной влагообеспеченности корнеобитаемого слоя почвы.
При необходимости создания достаточной влагообеспеченности в условиях крайнесухого года в подрайоне 1А, включающего Заветинский район, требуется орошение картофеля средней оросительной нормой, равной 5600 м /га. В условиях среднесухого года оросительные нормы несколько снижены и составляют 4400 м3/га. Для условий среднего года величина ороситель-ной нормы составляет 2900 м /га, средневлажного - 2400 м /га, влажного — 1300м3/га.
При необходимости создания пониженной влагообеспеченности в условиях крайнесухого года на территории рассматриваемого подрайона вели-чина оросительной нормы составит 4500 м /га. В условиях среднесухого года оросительная норма снижается до 3200 м7га. В средний по влагообеспеченности год на данной территории необходимо проведение 5 вегетационных поливов расчётной поливной нормой 400 м /га, величина оросительной нормы равна 2000 м3/га. В средневлажный год количество поливов снижается до 4, оросительная норма при этом равна 1600 м3/га. Во влажный год также не-обходимо дополнительное увлажнение нормой 600 м /га. она, в условиях крайнесухого года при необходимости создания достаточной влагообеспеченности рекомендуются оросительные нормы, в среднем равные 4500 м3/га. В условиях среднесухого года величина оросительной нормы составляет 3800 м3/га.
