Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности воздельюания сельскохозяйственных культур при орошении 6
1.1 Необходимость орошения в Саратовском Заволжье 6
1.2 Водопотребление сельскохозяйственных культур 9
1.3 Режим орошения как фактор, определяющий регулирование роста и развития растений 16
1.4 Экологические допустимые ограничения режима орошения 26
1.5 Режим орошения люцерны и кукурузы 35
1.6 Целесообразность вопросов поставленных к изучению 44
2. Агроклиматические условия региона и методика исследований 45
2.1 Агроклиматические условия Сватовской области 46
2.2 Гидрогеологические и почвенные условия участка 47
2.3 Метеорологические условия 1995... 1998 г.г 53
2.4 Методжа проведения полевых исследований 55
3. Результаты исследований по разработке режима орошения кукурузы 66
3.1 Биологические особенности кукурузы при орошении 66
3.2 Фотосинтетическая деятельность кукурузы 69
3.3 Развитие корневой системы кукурузы в условиях орошения 71
3.4 Формирование водного режима в расчетном слое почвы при орошении кукурузы 72
3.4.1 Верхняя граница увлажнения расчетного слоя почвы 72
3.4.2 Предполивная влажность в расчетном слое почвы 75
3.4.3 Расчет поливной нормы 75
3.4.4 Суммарное водопотребление кукурузы 80
3.5 Количество и качество урожая кукурузы .91
4. Результаты исследований по разработке режима орошения люцерны 101
4.1 Биологические особенности люцерны при орошении 101
4.2 Фотосинтетическая деятельность люцерны 102
4.3 Развитие корневой системы люцерны в условиях орошения 105
4.4 Формирование водного режима в расчетном слое почвы при орошении люцерны 114
4.4.1 Фактический режим орошения люцерны 114
4.4.2 Водопотребление люцерны 77
4.4.3 Коэффициент водопотребления 118
4.5 Количество и качество урожая люцерны 121
5 Расчет полных энергозатрат и энергетической эффективности орошения 123
Выводы и предложения 130
Список литературы 133
Приложения 152
- Режим орошения как фактор, определяющий регулирование роста и развития растений
- Гидрогеологические и почвенные условия участка
- Верхняя граница увлажнения расчетного слоя почвы
- Развитие корневой системы люцерны в условиях орошения
Режим орошения как фактор, определяющий регулирование роста и развития растений
Наиболее результативным фактором в управлении ростом и развитием растений в Заволжье является влага. Изучению вопроса режима орошения посвящено достаточно много научных трудов и опытных работ российских и зарубежных исследователей.
Однако, в каждых конкретных условиях всегда необходимо уточнение полученных зависимостей и нормативов. Поэтому, вопрос режима орошешш сельскохозяйственных культур, в том числе кукурузы и люцерны, как в нашей стране так и за рубежом, во взаимосвязи с питанием растений требует более глубокой детализации для конкретных условий. В этом плане существуют различные точки зрения.
Процесс подачи воды для полива сельскохозяйственных культур (режим орошения) зависит от условий перехода проточной воды в качественно новое состояние - почвенную и воздушную влажность, объединяет элементы, составляюш[ие этот процесс (объемы, интенсивность, хронологию), а так же суммирующие характеристики полива за весь вегетационный период, или за его часть. Проанализировав выше сказанное, попытаемся вьщелить следующие качественные показатели, объединив которые можем дать широкое представление о режиме орошения: это исходные показатели и суммирую-пще характеристики.
Орошение создает благоприятные предпосыжи для регулирования внешних условий жизни растений. Под его влиянием щ)оисходят глубокие изменения в почве и приземистых слоях атмосферы. Условия, при которых протекает процесс орошения, оказывают на него значительное влияние.
Характеристики условий этого процесса являются исходными показателями режима орошения. К ним необходимо отнести иссушающую способность атмосферы, показателем которой является эвапотранспирация орошаемого поля (суммарное испарение). Данный параметр определяет ординату гидромодуля - необходимую иитенсивность водоподачи для поддержания на определенном уровне регулируемых компонентов среды обитания растений. Воздействие оросительной воды на почву отличается большим многообразием: она изменяет физическое состояние почвы, интенсивность и течение химических и микробиологических процессов, ход разрушения и накопления органического вещества и т.д. Эти изменения в конечном итоге определяют воздушный, пищевой и тепловой режимы почвы.
Основным элемеетом, характеризующим среду обитания растений, на который, в основном ориентированно орошение, является почва. Вода - один из важнейших факторов почвообразования. Систематическое орошение может изменигь нагфавление почвообразовательного процесса. Осваивая под орошение новую территорию, мы как бы перемещаем ее в зону более влажного климата. Благодаря искусственному увлажнению, содержание воды в почве поддерживается в нужных пределах, именуемых гфеделами регулирования почвенных влагозапасов (верхним и нижним). Эти характеристики входят в состав исходных показателей режима орошения.
К исходным показателям так же отнесем производную величину, находящуюся в зависимости как от пределов регулирования почвенных влагоза-пасов, так и от собственного режима орошения, - это начальный предполив-ной уровень почвенных влагозапасов. Снижение влажности почвы до указанной величины является сигналом к началу полива. Начиная именно с этого момента, мы можем вести речь непосредственно о режиме орошения.
На исходные показатели, перечисленные вьппе, в общем случае оказывают влияние влагоемкости увлажняемых почв, вид сельскохозяйственной культуры, развитие ее по фазам и метеорологические условия. Пределы регулирования почвенных влагозапасов устанавливаются требованиями, выдвигаемыми сельскохозяйственными культурами к водному режиму почв, и, как правило, известны заранее. Основанием для определения этих пределов служат результаты многолетних полевых исследований, проведенных с данной культурой в данных почвенно-климатических условиях. Так же следует отметить, что имеются общие положения, достаточно объективно отражающие связь исходных показателей режима орошения с физиологией сельскохозяйственных культур.
Необходимыми компонентами внешней среды для роста и развития растений являются водный, воздушный, тепловой, пищевой режимы почв, а так же микроклимат хфиземного слоя атмосферы. Эти составляющие неразрывно связаны между собой, и без учета таких взаимосвязей практически невозможно вести полноценное использование почвенных ресурсов.
Наиболее независимым от таких взаимосвязей и управляемым человеком, является водный режим. В случае непосредственного влияния на этот элемент, мы можем регулировать тепловой, пищевой, а главное связанный с водным, воздушный режимы почвы, т.к. при нехватке насыщения почвы влагой до своего естественного предела - полной влагоемкости (ПВ) можно определить объем воздуха, находящийся в почве. В данном случае речь идет о водно-воздушном режиме почвы.
В процессе эволюции, под действием многочисленных факторов, растения приспособились к колебаниям почвенной влажности в течение всего вегетационного периода; и не потребуют регулирования ее количества, если такие колебания происходят в границах так называемых верхних и нижних биологических оптимальных пределах [67]. Данные пределы оптимальной влажности в корнеобитаемом слое определены для многих сельскохозяйственных культур, и могут изменяться для одного растения во времени в зависимости от условий внешней среды (механического и химического состава почвы, метеоусловий), от сортовых и видовых особенностей.
При минимальном содержании воздуха в почве, когда возникает такое количество почвенных воздуппшх пор, и начинается интенсивный транспорт кислорода и углекислого газа, можно определить верхнюю границу биологически оптимальной влажности.
В норме воздуха в почве, в корнеобитаемом слое должно содержатся 18-20% от общего обьема пор, при искусственном доведении влагозапасов до такого уровня чревато неоправданно большими потерями самой влаги на инфильтрацию. Чтобы этого избежать верхним пределом влажности почвы является наименьшая (предельно полевая) влагоемкость (НВ). Это максимальное колриество влаги, которое удерживается единичным объемом почвы без стока в ниже залегающие слои при отсутствии подпора от уровня грунтовых вод. Наименьшую влагоемкость можно определить двумя основными способами: методом заливаемых площадок; расчетам по эмпирическим формулам. Наименьшая влагоемкость является важнейшей почвенно-гидрологической характеристикой, которая позволяет грамотно и качественно регул1фовать водный режим почв для всех сельскохозяйственных культур.
Гидрогеологические и почвенные условия участка
Качество поливной воды оказывает большое значение на процесс роста и развития растений, на плодородие почвы и ее микроклимат. Главной характеристикой поливной воды является количество растворенных в ней минеральных солей, так как превышение допустимого уровня минерализации воды и изменение химического состава может привести к снижению урожая или к гибели растения вообще [60,204].
Допустимый уровень минерализации поливной воды зависит от качества используемый почвы. В связи с этим, регулирование качества такой воды ведется в тесной связи с экологической стабильностью агробиогеоцено-зов. Нормирование качества поливной воды характеризуется скоростью потерь гумуса в пахотном слое за определенный период времени. Так же установлено, что уровень чувствительности исследуемых культур к качеству воды для орошения становится выше по мере повышения количества вносимых удобрений как органических так и минеральных, и по мере роста урожая [15,16].
В последнее время большое внимание уделяется проблеме создания научных основ регулирования качественного состава оросительной воды, соответствующих нормативов и региональных стандартов. В СТ СЭВ 6457 - 88 "Водное хозяйство" отражено научное обоснование допустимого качества оросительной воды. Но следует отметить, что достоверного гфогнозирования снижения почвенного плодородия при использовании разной по качеству оросительной воды достаточно трудно достичь, так как наука не располагает достаточными знаниями о закономерностях влияния физико-химических и физических свойств почв на сорбционные процессы [15]. Данный факт осложняется тем, что почва, ее свойства, а так же свойства природных вод изменяются во времени. Это еще более усложняет задачу нормирования качества оросительной воды на данной территории при первичной экологической оценки необходимости ирригации. Однако, существуют определеннью методики прогноза качества вод, с помощью которых можно предсказать развитие процессов защелачивания и образования солончаков на увлажняемых почвах [16].
Следовательно, можно сделать вывод, качество используемой почвы под сельскохозяйственные культуры непосредственно зависят от качества оросительной воды, данный факт создает базу для создания региональных нормативов качества поливных вод [15,16,22,26,50,71,79,100,111,151].
В Саратовской области проблема качества водно-земельных ресурсов остается до сих пор не решенной. Нередки случаи образования солончаков и защелачивания земель гфи использовании природной воды. Но в то же время, сельское хозяйство его производство, само может загрязнять окружающую среду продуктами химизации.
На сегодняшний день шсгуальна проблема химизации сельскохозяйственных сбросов, так как больше половины всех измененных вод приходится именно на их долю. В этом вопросе решение возможно при использовании комплекса инженерных, агротехнических, органюационно-хозяйственных водоохранные мероприятий, с применением водооборотных систем [22,97].
Качество орошаемой воды можно улучшить культурой земледелия: применение травосеяния, внесение доз органических удобрений, планировка полей, щелевание перед поливом, рыхление. Почвоохранное земледелия должно сочетаться с водосберегающими технологиями полива, так как завышение норм орошения может вызывать не только эрозийные процессы, но и снижением в пахотном слое почв агрономически ценных структурных агрегатов, повышение неравномерности распределения влаги по всей поверхности орошения [105]. Так же повышенное содержание влаги в пахотном горизонте с высокой концентрацией гумуса приводит к аэробиозу, а затем и к ге-леобразованию [89,103]. Но главное условие поддержания плодородия почвы, подвергающийся орошению - это сохранение автоморфности почвообразования [158]. Для сохранения водно-экологического равновесия, х актерного для автоморфного почвообразования необходимо введение лимитов на нормы забора и подачи воды на поле. Именно интенсивность и объем подачи воды влияют на степень экологической безопасности орошения в Саратовской области, так как качество полива явжется наиболее жестко контролируемый показатель для условий Сватовского Заволжья.
Количество отведенной воды зависят от водности источников, и в соответствии с установленными нормами расходов вод в реках, не должна превышать определенных пределов (минимальное ограничение) [117]. Максимальное ограничение - это не превышение норм водоподачи за год 30% от среднемноголетнего поступления природных вод на поверхность орошения. Это соответствует амплитуде 30 - 40-летних природных ритмов. Природные ритмы 80 - 90-летних колебаний уравновешивают данное влияние. Приведенные значения могут быть обозначены как "допустимый предел" нагрузок на ландшафты, превышение которых могут привести к необратимым последствиям экологических равновесий агробиогеоценозов [117].
Отсюда следует, что качество полива, а точнее нормы забора и подачи воды для орошения должны быть установлены и учтены как на уровне разработки стратегии ирригации, так и непосредственно в его осуществлении. Если говорить об интенсивности поливов, то данный вопрос должен подвергнуться более детальному изучению.
Наряду с требованиями, предъявляемым к качеству поливной воды, большое внимание уделяется интенсивности втштьшания. Различают два вида поливов: безнапорное и напорное. При напорном впитывании образуется пленка, создавая ток воды не только по вертикали, но и по уклону микрорельефа. В данном случае вода скапливается в микро понижениях, это приводит к созданию микро лужиц - стадия аккумуляции. По мере наполнения одних микро понижений накопленная вода перетекает в другие лужицы, это хфиводит к образованию поверхностного стока по общему уклону местности - стадия стока [71]. Отсюда следует, что главное экологическое ограничение величины поливной нормы - это обязательное выполнение полива до начала образования поверхностного стока, включая стацию безнапорного полива и стадию аккумуляции природной (дождевой воды) в микро понижениях.
Верхняя граница увлажнения расчетного слоя почвы
В обширную территорию, расположенную в среднем и нижнем течении Волги и известную под названием Юго-Востока, входят шесть областей: Ульяновская, Пензенская, Самарская, Саратовская, Волгоградская и Астраханская, - а также Калмыцкая республика.
Протяженность зоны по меридиану (между 55 и 45 с. ш.) составляет около 1100 км и с запада на восток (между 42 и 55 в, д.) от 500 до 900 км. Саратовская область расположена в Нижнем Поволжье между 49 97" и 52 50" с.ш. и 42 35" и 50 50" в.д.. Общая площадь области 100,2 тыс. кв. км.
На территории Юго-Востока преобладает равнинный рельеф, особенно в его южной и юго-восточной части. Однако в этот ландшафт значительное разнообразие вносят Приволжская возвышенность и Общий Сырт.
Сыртовое Заволжье в западной части представляет собой волнистую равнину; восточнее линии Пугачев - Ершов рельеф приобретает более холмистый, сыртовой характер со следами эрозии в виде густой сети балок и оврагов. Почвообразующей породой Сыртового Заволжья является послетре-тичные темно-бурые и коричневые плотные глины, мощность которых составляет 50-60 м. Под ними залегают глинистые слоистые подсыртовые пески [191]. При достаточно большом разнообразии почвенного покрова преимущественно распространены черноземы и каштановые почвы. Опытный участок, где проводились исследования, относится к северовосточному району Заволжья. Основной почвенный фон составляют темно-каштановые почвы. По механическому составу эти почвы различны. Помимо тяжелосуглинистых, наиболее распространенных разностей, встречаются почвы суглинистые и супесчаные, в особенности по склонам волжских террас и речных долин. Содержание гумуса в них колеблется от 3,5 до 5 %. [195]. Участок расположен в 6 км юго-восточнее г. Пугачева на землях АО "Родина" Пугачевского района. Характерными особенностями климата Заволжья являются его засушливость и континентальность. Засушливость выражается в высоких температурах воздуха, его низкой относительной влажности в летнее время, а также в недостаточном количестве и неравномерном распределении осадков, как за вегетащюнный период, так и в течение всего года. Континентальность климата выр ается в больпшх суточных и годовых колебаниях температур воздуха. Разница между максимально летней и минимальной зимней температурой достигает от 83 до 85 С, а разница средних температур воздуха тех же периодов составляет около 32 - 37 С [3]. Характерными особенностями климата региона является преобладание в течение года ясных и малооблачных дней, холодная и малоснежная зима, особенно в Заволжье, непродолжительная засупшивая весна, жаркое и сухое лето. В районах Левобережья континентальность и засушливость климата проявляются особегшо резко, нередко ограничивая возможность возделывания отдельных сельскохозяйственных культур. Наиболее теплым месяцем является июль. Среднемесячная температура воздуха июля в Левобережной части плюс 22 - 24С. Наиболее холодный месяц -январь. Среднемесячная температура января левобережья минус 13, минус 14С. Летом максимальная температура в отдельные дни достигает плюс 40 - 42С и опускается зимой до минус 44 С. Осадки по территории области распределяются неравномерно; наибольшее годовое количество (400 - 500 мм) выпадает в хфавобережной части области, за исключением 1файнего юга Правобережья, где осадков выпадает 350 мм. В левобережной части области количество осадков за год составляет 300 - 350 мм, за исключением крайнего юго-востока Левобережья (Александров-Гай, Новоузенск), где их выпадает около 250 мм. В годовом ходе наибольшее количество осадков выпадает летом [3]. Участок исследований Пугачевского сортоиспытательного участка от-носигся к третьему агроклиматическому району по степени обеспеченности влагой и теплом, является засушливым жарким [3]. Более точно характеризует климат района данные Пугачевской метео-станщш. Климат этой зоны более суров и более континентален, чем климат районов правобережья, зима здесь холоднее, а лето значительно жарче. Осадков за год выпадает несколько меньше, за счет уменьшения летних осадков; в остальные сезоны года (зимой, весной, осенью ) количество осадков примерно такое же как и в Приволжском районе Правобережья. Для этого района характерна крайняя неравномерность распределения осадков по годам и сезонам. В отдельные годы осадки могут выпадать или в большом количестве (до 133 мм за месяц), или они могут совсем отсутствовать в течении 30 и более дней. Относительная суровая зима и неглубокий снежный покров (высота снежного покрова в конце зимы составляет 30 - 33 см), влекут за собой промерзание почвы на глубину 1 - 1 , 5 м. В первую половину зимы снег накапливается медленнее и при наличии сильных морозов не может, является надежной защитой для зимующих культур, поэтому раннее снегозадержание в этой зоне как и во всех остальных районах Заволжья, имеет исключительно важное значение в перезимовке озимьпс культур.
В геоморфологическом отношении сортоиспытательный участок расположен в области низкой Сыртовой равнины на Хвальшской надпойменной террасе р. Б. Иргиза. По рельефу зашшает слабоволнистую равнину, с выраженным микрорельефом в виде потяжин и повышений, со слабым уклоном -юго-западной части участка к центру, а северо-восточной - с уклоном на юго-восток. Абсолютные отметки колеблются в пределах от 28,9 до 30,96 м.
На обследуемой территории почвообразующими породами послужили древне— аллювиально - делювиальные отложения, представленные тяжелыми и средними суглинками.
Основным типом почвообразования на участке является лугово-степной, кроме того, некоторую роль сыграло и разнообразие форм рельефа . Почвенный покров на участке представлен террасовыми темно-каштановыми маломощными и среднемощными глшшстыми и тяжелосуглинистыми почвами . В понижениях сформировались лугово-каштановые тяжелосуглинистые почвы.
Развитие корневой системы люцерны в условиях орошения
Кукуруза - однолетнее, однодомное, раздельнополое, перекрестноопыляющееся растение. Чтобы усиленно возделывать кукурузу, необходимо хорошо знать биологические особенности этой культуры, и ее требования к почвенно-климатическим условиям.
Квалифицированный подход к тем или иным агротехническим приемам применительно к конкретной почвенно-климатической зоне, с учетом экологических требований, обеспечивает наиболее рациональное использование факторов внешней среды и получение максимально высокого урожая изучаемой культуры.
Кукуруза - теплолюбивое растение. Потребность ее в тепле определяется нижним пределом температуры, при которой начинаются ростовые процессы, и суммарным количеством тепла, необходимым для завершения каждого этапа развития. Семена прорастают, когда температура почвы на глубине посева достигает 10 - \2С. Созданы биотипы, семена которых способны прорастать при температуре 5 - 6С. Прирост биологической массы, как правило, прекращается при среднесуточной температуре ниже 10С. Всходы кукурузы способны переносить заморозки лшпь незначительные. [9,10,15,29,31,36,38,75,79].
Американские специалисты придают большое значение уровню ночных температур. Холодные ночи (ниже 14 С) и резкое колебание дневных и ночных температур сильно уменьшают энергию роста и развития растений в период вегетации. В нашем опыте всходы кукурузы появились, в среднем, на 10 - 13 день. За этот период сумма положительных температур составила 186,4С. Период всходы - выметывания метелок составлял 60 - 65 дней, что является нормальным для условий Саратовской области. Наступление молочной спелость початков приходилось на середину второй декады августа (в среднем 16 августа). Период молочно-восковая спелость составлял 10-11 дней, и возникал в третьей декаде августа. В фазу молочно - восковой спелости початков осуществляли уборку кукурузы. Она заканчивалась, обычно, в начале второй декады сентября. Значительных изменений в сроках наступления фенотипических фаз в зависимости от принятых в опыте режимов орощения и норм внесения удобрений не отмечалось, но было очевидно, что улучшение пищевого и одного режимов почвы приводило к усилению ростовых процессов. На вариантах с повышенным добавлением минерального питания урожай зеленной массы кукурузы был максимальным. В этом случае прохождение всех трех фаз роста (период листообразования) несколько затягивалось, что позволило растениям значительно увеличивать свою высоту и улучшать ассимиляционную работу листьев по сравнению с вариантом без удобрения. Было выявлено, что фенология развития кукурузы гфи различных способах полива, но при одинаковых условиях водообеспеченности и минерального питания, не имеет значительных различий. Из вышесказанного, основным фактором, влияющими на рот растений, являются водный режим почвы и уровень минерального гштания. Отметим, что среднесуточные приросты биомассы кукурузы возрастали с увеличением уровня минерального питания, и, что наибольшее значение имели место на вариантах с дифферешдированной глубиной увлажнения. По нашим наблюдениям с 1995 - 1998 годов было установлено, что на вариантах опыта 2, 5, 8 высота растений была на 8,5 и 12,3 % выше, чем на вариантах с постоянным слоем увлажнения. Самая наименьшая высота растений была на вариантах без применения удобрений с глубиной увлажнения 0,5 м. При применении удобрений нормам М 1 4 о Р 1 2 о К 9 о и К 1 8 ( Р 1 2 о К 9 о высота растений увеличивалась на 13,9 и 18,9%. Сделаем вьгаод из вышесказанного, что эффективность воздействия поливных режимов кукурузы усиливается действием удобрений. Использование минеральных добавок ведет к увеличению темпов роста кукурузы по сравнению с не удобренными вариантами. За период исследований при внесении удобрений нормой К 1 4 а Р 1 2 о К 9 о и НшоР оКдо ко времени уборки урожая имели средние значения на 8,4 - 14,1 % и 13,8 -16,4 % выше, чем на вариантах без удобрений. Норма внесения азотных удобрений 140 -180 кг/га была незначительной и не вызывала изменения в высоте стебля кукурузы, а при уборке ее разница составила не более 4,7 %. Фотосинтезу принадлежит определяющая роль в формировании урожая. Именно при фотосинтезе образуется 90 - 95 % сухой массы биологического урожая и аккумулируется 100 % энергии солнечной радиации [142]. Площадь листовой поверхности в посеве является главным органом растения, утилизирующим солнечную энергию. Многочисленные исследования подтверждают наличие весьма тесной корреляционной связи между урожаем и площадью листьев [89,105,142,194]. В агрофитоценозах при хорошей влагообеспеченности на оптимальных фонах минерального питания для получения высоких урожаев, площадь листьев в посевах должна достигать по возможности от 40 до 50 тыс. м га и как можно дольше удерживаться на этом и более высоком уровне. Максимальные значения площади листьев могут достигать от 80 до 110 тыс. м /га [100,219]. На посевах кукурузы в наших исследованиях величина максимальной площади листовой поверхности изменялась в зависимости от водного и пищевого режимов орошения, а так же густоты стояния растений в пределах от 51,6 д о 73,6 т ы с . м / га. Так же большое влияние оказывают погодные условия на развитие листовой поверхности.
