Содержание к диссертации
Введение
1 Теория и практика орошения земель, эффективного и рационального использования водных ресурсов (ЭиРИВР) 13
1.1 Ретроспективный аналитический обзор технологий эффективного и рационального использования водных ресурсов при орошении 13
1.2 Развитие теории ЭиРИВР при орошении 46
1.3 Типы водного режима почв при орошении и их влияние на биосферу и использование водных ресурсов 57
2 Условия и методика исследований 74
2.1 Природные условия объектов исследований 74
2.2 Планирование экспериментов и методика проведения исследований 77
3 Эффективность возделывания сельскохозяйствен ных культур при поверхностном орошении и дож девании 92
3.1 Сравнительная оценка ЭиРИВР различными с.-х. культурами при орошении и удобрении 96
3.2 Изучение и разработка технологий возделывания основных продовольственных культур при орошении, обеспечивающих ЭРИВР 117
4 Орошение сточными, сбросными и коллекторно-дренажными водами 153
4.1 Утилизация сточных вод и животноводческих стоков 154
4.2 Повторное использование сбросных и коллекторно-дренажных вод оросительных систем 173
5 Внутрипочвенное орошение сельскохозяйствен ных культур и его эффективность 198
5.1 Расчет, конструктивная и технологическая разработка систем внутрипочвенного орошения 199
5.2 Кукуруза, соя и рис при внутрипочвенном орошении 206
6 Капельное орошение садов, ягодников, овощей и декоративных культур и его эффективность 217
6.1 Элементы техники и режима капельного орошения 218
6.2 Конструктивная разработка и расчет систем капельного орошения 222
6.3 Яблоневый сад и грецкий орех 233
6.4 Виноградники и малина 246
6.5 Томаты, перец и баклажаны в открытом грунте 258
6.6 Технологические параметры капельного орошения в теплицах . 263
6.7 Огурцы, томаты и розы при капельном орошении в теплицах 270
7 Автоматизация оросительных систем и ее влияние НАЭиРИВР 284
7.1 Конструктивная и методическая разработка средств автоматизации режимов внутрипочвенного и капельного орошения 285
7.2 Эффективность автоматизированных режимов капельного орошения виноградников, орехового сада, малины и овощей в теплицах 299
8 Разработка штрадиционньіх, принципиально новых способов орошения 321
8.1 Методические основы и технологические параметры способа повышения влагообеспеченности перераспределением осадков (ПВПО) 322
8.2 Сравнительная оценка эффективности возделывания виноградников и малины при ПВПО, поверхностном, капельном орошении и дождевании 331
9 Внедрение и экономическая эффективность научных разработок 353
Основные выводы и предложения производству 363
Список использованной литературы 370
Приложения 421
- Типы водного режима почв при орошении и их влияние на биосферу и использование водных ресурсов
- Планирование экспериментов и методика проведения исследований
- Изучение и разработка технологий возделывания основных продовольственных культур при орошении, обеспечивающих ЭРИВР
- Повторное использование сбросных и коллекторно-дренажных вод оросительных систем
Введение к работе
Актуальность проблемы. В орошаемом земледелии главным природным ресурсом, обеспечивающим его существование и развитие, является пресная вода. Именно этот компонент биосферы не безграничен, исчерпаем и весьма неравномерно распределен на Земном шаре в пространстве и времени. В то же время, пресная вода участвует в технолопіческих процессах практически всех отраслей народного хозяйства и, более того, является незаменимым фактором жизни микроорганизмов, растений, животных и человека, то есть, всего живого на Земле и выполняет роль главного санитара биосферы.
В историческом плане проблема эффективного и рационального использования вод региона (ЭиРИВР) является перманентным бесконечным процессом и существует от начала зарождения цивилизации и орошаемого земледелия до настоящего времени. Актуальность этой проблемы постоянно возрастает перед каждым новым поколением людей, что связано со стремительным развитием человеческого общества, научно-техническим прогрессом и определяется ограниченностью пресных вод, ростом населения и народного хозяйства.
Научно-технический прогресс 19-20 столетий нашей эры обеспечил резкое увеличение численности населения Земли (1920 г. - 1,86 млрд., 2000 г. -6,23 млрд. человек), а вместе с ним и бурное развитие всех отраслей народного хозяйства, в том числе и орошаемого земледелия (конец 18 века- 8 млн. га, начало 19 века - 48 млн. га, 20 век - 248 млн. га орошаемых земель). Появились совершенно новые не существовавшие до этого производства, автомобиле- и самолетостроение, электроэнергетика, в том числе и атомная, производство пластмасс и многие другие. При этом произошло многократное увеличение потребления воды народным хозяйством. В связи с этим, уже в середине 20 столетия в засушливых регионах Земли, в том числе и на Северном Кавказе, начал ощущаться дефицит пресной воды, возникла острая необходимость ЭиРИВР. Проблема дефицита пресной воды и ее экономии перешла в ранг первостепенных государственных интересов почти во всех странах Мира, имеющих орошение.
ЭиРИВР и охрана природы - одна из наиболее актуальных проблем современности, от правильного решения которой зависит наличие пресных вод, жизнь настоящего, будущего поколений людей и развития общества, народного хозяйства в том числе и орошаемого земледелия.
Существует бесконечное множество направлений по которым идет человечество, разрабатывая методы, способы и технологии ЭиРИВР. В орошаемом
5 . земледелии эта проблема также требует комплексного решения, что обуславливается сложными причинно-следственными связями между почвой, растениями, водой и климатом. Значительно усложняют эту взаимосвязь болезни, вредители и сорняки агроценозов растений. Считают, что только оптимальные сочетания всех факторов роста іг развития дифференцированные во времени по- -зволяют достигнуть' , наиболее 'ЭиРИВР агроценозами.
Многофункциональную причинно-следственную связь в системе почва, растение, вода, климат, в какой-то степени, отражают законы земледелия, процесс формирования которых незавершен и по настоящее время.
Человечество пока еще обладает весьма относительными знаниями природы, в том числе и в орошаемом земледелии и растениеводстве, что связано не только со сложностью процессов, но и многочисленным разнообразием растительных форм, почв, водных ресурсов и климата и их беспрерывной динамикой. Современные исследования в орошаемом земледелии и растениеводстве должны быть направлены на раскрытие недостаточных звеньев системы знаний и формирование более полного представления о науке ЭиРИВР сельскохозяйственными (с.-х.) растениями, а также на разработку технологий, обеспечивающих высокие показатели.
Комплексные теоретические и экспериментальные исследования проводились нами в соответствии с государственными общесоюзными, республиканскими и отраслевыми программами 0.85.01, lO.85.02, 0.52.01, 0.52.02, ОЦ.034, ГНТП "Ресурсосберегающие мелиоративные системы" и были посвящены дальнейшему изучению направлений, методов, способов и технологий, обеспечивающих ЭиРИВР в орошаемом земледелии, что подтверждает их актуальность.
При планировании экспериментов такая направленность работы позволила сформулировать цель, задачи, выбрать объекты, предметы и методы исследований.
Целью исследований является: теоретическое обоснование, методическая и экспериментальная разработка способов, технологай и технических средств для орошения земель Северного Кавказа природными, сточными, сбросными и коллекторно-дренажными водами, обеспечивающих водосбере-жение, ЭиРИВР зерновыми, кормовыми, техническими и плодово-ягодными культурами в открытом грунте и теплицах.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:
-обобщить опыт и развить теорию ЭиРИВР при орошении земель;
-теоретически и экспериментально обосновать и выделить типы водного режима почв (ВРП) на орошаемых землях;
-разработать эффективные технологии поверхностного орошения и дождевания основных с.-х. культур в регионе;
-усовершенствовать методику оценки и разработать технологии использования сточных вод (СВ) и животноводческих стоков (ЖС) для орошения основных с.-х. культур;
-изучить и разработать технику полива и режимы внутрипочвенного орошения (ВПО) с.-х. культур;
-изучить и разработать системы и технологии капельного орошения (КО) с.-х. культур в открытом грунте и теплицах;
- разработать технологии автоматизированных режимов КО садов, ягодников, овощных культур;
-научно обосновать, разработать, создать и исследовать новые способы орошения с.-х. культур;
-осуществить производственную проверку и внедрение результатов исследований, для чего создать нормативно- методическую базу.
Объекты исследований - оросительные системы Севернрго Кавказа и с.-х. производство на орошаемых землях.
Предмет исследований - водосберегающие технологии орошения с.-х. культур.
Методологическую основу работы составляет полевой опыт и системный подход к природным факторам, водосберегающим способам и технологиям, оказывающим влияние на ЭиРИВР при орошении с.-х. культур с комплексным анализом результатов экспериментов методами вариационной статистики с применением ЭВМ.
Достоверность результатов исследований' подтверждается высокой точностью экспериментов при доверительной вероятности равной 0.95, большим объемом опытных данных, их широкой апробацией и внедрением в производство.
Научную новизну работы составляют:
новые положения теории ЭиРИВР при орошении земель и её технологическая схема;
классификация типов водного режима почв при орошении и соответствующие им уравнения водного баланса;
методика определения биологической продуктивности культур, далеких по происхождению и оценка их значимости для орошаемых севооборо-
7 тов; технологии поверхностного орошения и дождевания с.-х. культур на фоне применения удобрений для районированных и лучших сортов, сроков, способов и норм высева; формула расчета суммарного водопотребления поля и схема реконструкции рисовых оросительных систем с применением противофильтраци-онных экранов, трубчатой оросительной сети, оборудованной гасителями энергии потока воды нашей конструкции;
методика оценки и перспективная карта использования СВ для орошения; оросительно-очистная система (ООС); способ подготовки СВ для с-х. использования и технологии орошения кукурузы, сои и люцерны СВ и ЖС;
оценка и прогноз эколого-мелиоративного состояния орошаемых земель Ростовской области; технология "орошения риса СиКДВ; конструкций водосбросов и гасителей водного потока на сооружениях оросительной сети;
методика расчета предотвращенного ущерба окружающей среде при с.-х. использовании СВ, ЖС, СиКДВ;
методики расчета, гидравлические параметры, техника и режимы локального ВПО; обеспечивающие более ЭиРИВР в сравнении с поверхностным орошением и дождеванием; новые конструкции ВПО и почвенный испаритель для изучения ВПО;
новые конструкции элементов и систем КО, методики расчета, программное обеспечение для ЭВМ, гидравлические параметры, техника полива (ТП) и режимы КО 10 с.-х. культур в открытом грунте и теплицах, обеспечивающие ЭиРИВР;
новые технические средства, принципы и методика автоматизированного управления (АУ) режимом ВПО и КО, базирующиеся на показаниях датчиков; технологические параметры автоматизированных режимов КО орехового сада, виноградника, малины и овощей в теплицах, обеспечивающие ЭиРИВР;
новые системы орошения; методологические основы и технологические параметры способа повышения влагообеспеченности перераспределением осадков (ПВПО), его эффективность при возделывании винограда и малины.
В целом по диссертационной работе новизна полученных результатов исследований подтверждается 33 авторскими свидетельствами на изобретения. На защиту выносятся:
- положения теории ЭиРИВР при орошении и её технологическая схема;
-классификация типов ВРП на орошаемых землях и соответствующие
им уравнения водного баланса (УВБ);
8 і
методика оценки биологической продуктивности далеких по происхождению культур, и их значимость для орошаемых севооборотов; эффективные технологии поверхностного орошения и дождевания на фоне применения удобрений для районированных сортов, оптимальных сроков, способов посева, густоты стояния;
-методика предварительной оценки и карта с.-х. использования СВ Ростовской области; технологии орошения кормовых культур СВ и ЖС; технология очистки и орошения СВ на ООС;
обоснование и прогноз эколого-мелиоративного состояния орошаемых земель Ростовской области; технология орошения риса при периодических поливах СиКДВ; методика расчета предбтвращенного ущерба природе при повторном использовании СВ, ЖС, СиКДВ для орошения;
методика расчета ВПО, гидравлические параметры, техника полива и режимы локального ВПО; новые конструкции ВПО и почвенного испарителя для изучения ВПО;
новые конструкции, методики расчета КО; гидравлические параметры, ТП и режимы КО яблоневого, орехового садов, виноградников, малины, тсматов, перца и баклажанов в открытом грунте и роз, огурцов и томатов в теплицах;
конструкции датчиков и дозаторов, принцип и методика автоматического управления режимом ВПО и КО; автоматизированные режимы КО орехового сада, виноградников, малины и овощей в теплицах;
-методические основы, конструктивные и технологические параметры способа ПВПО при возделывании виноградников и малины.
Практическая ценность работы:
-сделана оценка биологической продуктивности 14 традиционных и новых для Северного Кавказа с.-х. культур, определена их значимость для полевых, кормовых и рисовых севооборотов на орошаемых землях, для них разра-ботаны режимы орошения, удобрения, сроки, способы и нормы посева, обеспечивающие ЭиРИВР при поверхностном орошении и дождевании, рекомендованы элементы реконструкции оросительных систем и формула для расчета водопотребления с.-х. полей;
-разработана карта пригодности и перспективного использования СВ Ростовской области для орошения, при реализации которой экономический эффект составит 123,7 млн. руб. в ценах до 1989 г., или 3,093 млрд. руб. в ценах 2000 г. и будет сэкономлено 0,353 км3/год природных вод; рекомендованы оп-
тимальные нормы внесения свнностоков при орошении кукурузы по бороздам, предложена ООС, обеспечивающая биологическую очистку СВ, охрану природы, ЭиРИВР;
-сделана оценка и прогноз эколого-мелиоративного состояния территорий оросительных систем Ростовской области, предложены оптимальные значения коэффициента водоподачи на оросительную систему КВп(35 - 45 %) существующих оросительных систем и параметры водно-солевого баланса территорий, обеспечивающие удовлетворительное состояние орошаемых земель и проектную урожайность, выполнены схемы > 9332 и проект .700 га. повторного использования С и КДВ в водооборотных системах," повышающие во-дообеспеченность на 50%, разработан режим орошения риса при периодических поливах С и КДВ по полосам и семь "конструкций водосбросов и гасителей водного потока, которые в 8 раз дешевле существующих и могут быть использованы при реконструкции оросительных систем;
внедрены элементы техники, режима ВПО, нормы внесения свнностоков при кротово-внутрипочвенном орошении (КВПО) кукурузы (экономический эффект - 624 руб./га в ценах до І989 г. или 15500 рубУга в ценах 2002г.), четыре конструкции ВПО и КВПО, обеспечивающие более эффективное (экономический эффект до 420 рубУга в ценах до 1989 г. или 10500 руб./га в ценах 2002г.), и рациональное использование водных ресурсов (расход оросительной воды на единицу урожая меньше до 85 %);
внедрены методики расчета, техника полива и режимы КО яблоневого, орехового садов, виноградников, малины, овощей в открытом грунте, роз, огурцов и томатов в теплицах (экономический эффект от 32,6 до 345,2 тыс. руб./га в открытом грунте и от 1040,0 до 2446 тыс. рубУга в теплицах в ценах 2002 г.); алгоритм и программа для ЭВМ гидравлического расчета поливных трубопроводов КО (внедрены в дипломное проектирование), шесть изобретений элементов и систем КО с общим экономическим эффектом 49,2 тыс. рубУгод в ценах до 1989 г. или 1095,0 тыс. рубУгод в ценах 2002 г.;
- внедрены технические средства и технологические параметры автоматизированного режима КО орехового сада, виноградников, малины и овощей в теплицах, обеспечивающие экономию оросительной воды на 24 - 67 % и прибавку урожая до 37 % в сравнении с ручным управлением поливом;
-предложен способ ПВПО, его технические и технологические параметры для возделывания виноградников и малины, обеспечивающие валовый экономический эффект 27.9 тыс. руб./га в ценах до 1989 г. или 173,4 руб. в ценах 2002 г. и ЭиРИВР без затрат оросительной воды;
- внедрены разработанные нормативно - технические документы (8 наименований) по проектированию, строительству и эксплуатации земледельческих полей орошения (ЗПО) систем ВПО природными водами, СВ, ЖС и КО в теплицах, методической литературы (3 наименования) по изучению и расчету систем ВПО и КО в открытом грунте и теплицах, рекомендации производству (4 наименования) по выращиванию полевых, кормовых, плодовых, ягодных и декоративных культур при поверхностном орошении, ВПО, КО и дождевании.
Реализация работы. Теоретические, методические и экспериментальные разработки автора использованы при составлении 15 нормативно-технических и методических изданий, которые соответственно согласованы, утверждены и рекомендованы к внедрению областными, республиканскими и союзными научно-техническими советами Минводхоза, Госагропрома, Минздрава СССР, РСФСР, Украины и отделения гидротехники и мелиорации ВАСХНИЛ. Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов исследований в проекты, технико-экономические обоснования, схемы и нормативно-технические документы составляет 124,321 млн. руб. или 3,109 млрд. руб. соответственно в ценах до 1989 и 2002 г.г. Суммарный фактический экономический эффект от внедрения в с.-х. производство Северного Кавказа шести изобретений, защищенных авторскими свидетельствами, учтенный ЦСУ СССР, составляет 376,4 тыс. руб. (цены до 1989 г.) или 9,391 млн. руб. (цены 2002 г.), за что автор получил значок «Изобретатель СССР», медаль и премию МСХ СССР «За заслуги в изобретательстве». Непосредственно в с.-х. производство в совхозах, колхозах на оросительных системах и других предприятиях Северного Кавказа внедрено 15 научных разработок автора с общим фактическим экономическим эффектом 431.3 тыс. руб. или 10,783 млн. руб. соответственно в ценах до 1989 и 2002 г.г. Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедрения научных разработок автора, предотвращающих нанесение антропогенного ущерба природе от сброса СВ, С и КДВ в водоприемники, составляет 47,099 млн. руб. или 1,177 млн. руб. соответственно в ценах до 1989 и 2002 г.г. Внедрение научных разработок в с.-х. производство осуществлялось также и путем выпуска 11 информационных листов, четырех публикаций в экспресс-информации ЦБНТИ и участия в демонстрации достижений науки на ВДНХ СССР, по результатам которых получены бронзовая и серебряная медали. Научно-методические разработки автора использованы при написании 5 учебных пособий и шести методических указаний, внедрены в учебный процесс НГМА.
Апробация работы. Основные теоретические и методические положения диссертационной работы и результаты экспериментов доложены (всего 67 док-
ладов и сообщений) и одобрены на 46 союзных, республиканских и региональных научно-технических конференциях (НТК), координационных и рабочих совещаниях, семинарах, ярмарках, заседаниях технических советов и отделения гидротехники и мелиорации ВАСХНИЛ (РАСХН), проходивших в период с 1970 по 2003 г. в городах Новочеркасске, Киеве, Херсоне, Москве, Кишиневе, Симферополе, Волгограде, Калинине, Ростове на Дону, Персиановке, Пскове.
Практические рекомендации производству автор неоднократно докладывал на выездных заседаниях ученого совета НИМИ в подшефных районах и хозяйствах Ростовской области, советах специалистов колхозов, совхозов и предприятий по переработке с.-х. продукции Северного Кавказа, технических советах по сельскому хозяйству и мелиорации областного, краевого и республиканского уровней и другие.
Личный вклад автора. Все теоретические исследования и методические разработки в диссертационной работе, планирование экспериментов, постановка целей, задач, выбор объектов и предметов исследований, разработка методик проведения полевых, лабораторно-полевых, лизиметрических, лабораторных опытов и различных сопутствующих наблюдений выполнены лично автором. Под руководством автора и при его непосредственном участии проводились; проектирование, строительство опытных участков, закладка, проведение всех видов опытов, обработка и анализ данных, написание отчетов, апробация и реализация результатов исследований.
Исследования выполнены в Новочеркасской государственной мелиоративной академии (НГМА, НИМИ) на кафедрах орошаемого земледелия, СХМ, МПиЗ, ОМС, НИС и ЮжНИИГиМ, отдел орошаемого земледелия и сектор освоения пойменных земель. В связи с многоплановостью, комплексностью исследований по с.-х. использованию СВ, их санитарной и гигиенической оценке в работе принимали участие: РГМИ, кафедра гигиены питания РНИИМП, РИСИ, ВНПО «Прогресс», по КО виноградников - ВНИИВиВ.
При проведении полевых, лабораторно-полевых, лизиметрических и лабораторных опытов, получении и обработке опытных данных, оформлении отчетов, внедрении научных разработок в производство совместно с автором принимали участие научные сотрудники и аспиранты вышеперечисленных институтов и их подразделений: Богданов Э.Н., Борщева В.С„ Бурдун А.А., Гали-няк В.Ф., Гостищев В.Д., Гостищев Д.П., Гребенников А.Г., Демидова Л.Л., Журавель Н.Т., Калинин В.Д., Карпенко О.Н., Кириченко А.В., Корпан B.C., Кузнецов В.А., Кузнецов В.М., Кукушин B.C., Кучерова Н.А., Ламердонов З.Г., Лебедев В.И., Матюшкин Н.М., Мякотин Г.Н., Новодержкина Ю.Г., Сенчуков
12 Г.А., Торбовский В.А., Харламова И.А., Харламов Н.Н., Шумакова К.П., Щи-ренко СБ. и другие. В качестве вспомогательного персонала в работе принимали участіїе сотрудники вышеперечисленных учреждений и студенты НГМА (НИМИ)."
Доля участия автора диссертации в научных изданиях и изобретениях показана в списке опубликованных работ в автореферате. Общая доля участия автора в разработке теоретических методолопіческих положений диссертации и результатов экспериментов, выносимых на защиту, составляет около 80 %.
Публикация результатов исследований. По теме диссертации автором опубликовано всего 197 научных работ объёмом 191 п.л. (доля автора 103 п.л.). В рекомендованных ВАК изданиях опубликованы: монография — 1, коллективные монографии - 2, депонированные Монографии - 2, статьи в центральных журналах - 23, статьи в материалах международных и всероссийских конференций - 4, материалах заседаний РАСХН (ВАСХНИЛ) — 4, депонированных рукописей - 2, авторских свидетельств - 33. Идеи автора нашли развитие в работах аспирантов, четверо из которых защитили кандидатские диссертации.
Структура и объём диссертации. Диссертация изложена на 594страницах: из них 369 страниц основного текста, в котором имеется 126 таблиц и 11 рисунков, состоит из введения, 9 глав, выводов, предложений производству, списка литературы из 689 источников, в том числе 31 - на иностранных языках, 17.4страниц приложений, в том числе 78 таблиц и 132 рисунка.
Автор от всей души благодарит коллег и товарищей по работе за оказанную помощь при проведении исследований, ценные советы и консультации: руководителей НИМИ (НГМА) ректоров В.В. Денисова, Г.А. Сенчукова, В.Н. Шкуру, проректоров по научной работе, В.И. Блохина, Н.С. Тимченко, Ю.М. Косиченко, В.И. Шаршак, В.И. Ольгаренко, заведующих кафедрами Г.Н. Мар-тыненко, Е.В. Полуэктова, директора ЮжНИИГиМ Ю.П. Полякова, заведующего отделом Михайлина А.С., директоров совхозов, колхозов, опытных станций, НИС и других руководителей, обеспечивших базу и возможности проведения крупномасштабных и многолетних исследований.
Автор диссертации всегда хранит светлую память*и чувство глубокой благодарности к своим учителям и наставникам профессору К.П. Шумаковой, академикам ВАСХНИЛ Б.А. Шумакову и Б.Б. Шумакову, ректору НИМИ П.М. Степанову и заведующим кафедрой орошаемого земледелия К.С. Гарину, И.Т. Ефимову, научным сотрудникам Лебедеву В.И. и Матюшкину Н.М.
1 ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ОРОШЕНИЯ ЗЕМЕЛЬ,
ВОДОСБЕРЕЖЕНИЕ, ЭФФЕКТИВНОЕ И РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОД РЕГИОНА
Типы водного режима почв при орошении и их влияние на биосферу и использование водных ресурсов
Биосфера земли, по определению В.И. Вернадского, является оболочкой, где сосредоточено все живое: растительный, животный миры и микроорганизмы. Для человека это среда обитания. Его жшнедеятельность неразрывно связана в пространстве и времени со средой обитания.
В процессе эволюционного развития биосферы, длившегося СОТНИ МЇІЛ-лионов лет, сформировались несколько довольно устойчивых естественных ТИПОВ водного режима почв (ВРП), которым соответствуют биогеоценозы, обладающие определенными связями, стабильностью и продуктивностью. Сложившиеся в биосфере естественные типы ВРП зависят от почвенно-климатических, топографических, геологических, гидрогеологических, гидрологических условий региона или участка. При возделывании с.-х. культур на этих участках человек оказывает влияние на их водный режим с помощью комплекса агротехнических мероприятий.
Ещё в 19 веке ВРП рассматривался Герценом А.И, Марксом К., Докучаевым В.В., Костычевым Н.А, Измайловским А.А как природообразующий и важнейший фактор с.-х. производства.
Обобщив работы ученых в 20 столетии нашей эры, с некоторыми упро-щениями и сокращениями можно считать, что в различных почвенно-климатических зонах нашей страны имеют место мерзлотный, промывной, периодически промывной, непромывной, десуктивно выпотной и выпотной типы ВРП, которые отличаются друг от друга количественным соотношением прихода и расхода воды.
С момента возникновения орошаемого земледелия 10-4 тыс. лет до нашей эры (В.И. Вернадский, Н.Ф. Реймерс, Д. Джохансон, М. Иди, И.П. Герасимов, М.И. Львович и многие другие) человек начал активно воздействовать на наиболее богатые живым веществом элементы биосферы: почву и гидросферу.
Вовлекая эти два элемента в социально-экономические отношения, он превратил их в главные средства с.-х. производства.
Совершенствование социально-экономических отношений человеческого общества шло более быстрыми темпами и, как правило, революционным путем, опережая эволюционное развитие биосферы. Научно-технический прогресс, особенно в двадцатом веке нашей эры, позволил человеку управлять естественными процессами в биосфере, в том числе водным, воздушным, солевым, пищевым и тепловым режимами почв, наследственностью и продуктивностью пока на локальном уровне.
Мелиорация - один из мощных комплексных факторов воздействия человека на природу. При орошении жизнь с нисходящими токами воды проникает вглубь литосферы гораздо быстрее и намного глубже, чем в естественных условиях. Еще большее влияние орошение оказывает на почву, гидросферу, биосферу и агроценозы.
В зависимости от выбора способов, технологий, технических средств это влияние на биосферу может быть позитивным или негативным. На современном этапе производительных сил и масштабов мелиорации для мелиоратора важно знать направленность процессов в биосфере, возникающих в результате активного воздействия человека с помощью орошения и осушения земель. В условиях мелиоративного земледелия гидротехнические мелиорации позволяют осуществлять регулирование водного и связанных с ним воздушного, теплового, солевого и пищевого режимов почв. В гумидной зоне, за счет работы дренажа, избыток воды отводится за пределы территории осушительной системы. В аридной зоне влажность почвы поддерживается на нужном для растений уровне за счет проведения различных видов поливов с помощью поверхностного, внутрипочвенного, капельного орошения и дождевания.
В связи с этим на орошаемых землях имеют место ирригационные типы водного режима, которые зависят не только от природных условий, но главным образом, от режима орошения, способа орошения, техники полива и конструкции оросительных систем (Аверьянов С.Ф., Айдаров И.П., Алпатьев A.M., Ал-патьев СМ., Астапов СВ., Афанасьев Н.И., Багров М.Н., Будыко М.И., Вадю-нина А.Ф., Вериго С.А., Вильяме В.Р., Владычевский С.А., Грамматикати О.Г., Долгов СИ., Качинский Н.А., Козин М.А., Костяков А.Н., Львович М.И., Лысо-горов С.Д., Пенман Х.Л., Радионовский Ф.К., Роде А.А., Розин В.А., Розов Л.П., Сказкин Ф.Д., Харченко СИ., Шашко Д.И., Шульгин A.M., Ярмизин Д.В.).
По мере разработки способов орошения, совершенствования техники полива и режимов орошения представления о ирригационных водных режимах почв со временем закономерно изменялись. Кац Д.М. подраздкляет ВРП при орошении на автоморфный , полуавтоморфный и гидроморфный, который зависит от УГВ и свойств почвы.
М.А. Козин выделяет три типа ВРП на орошаемых землях: полностью регулируемый, частично регулируемый и водный режим почвы со слоем воды на поле. Автор классификации в каждом типе выделяет подтипы и разновидности, обосновывая их глубиной залегания уровня грунтовых вод, их минерализацией, наличием дренажа, способами орошения, техникой полива, режимами орошения и даже организационно-хозяйственными условиями. Всего М.А. Козин выделил 20 подтипов и разновидностей, что весьма сложно и, в то же время, не исчерпывает всего количества возможных сочетаний факторов, от которых зависит, по мнению автора, тип, подтип и разновидность ВРП на орошаемых землях.
Учитывая последние достижения науки и техники, в орошаемом земледелии, предлагается несколько иная классификация ВРП, ориентированная на ЭиРИВР и охрану природы. В предлагаемой классификации типов ВРП в орошаемом земледелии учтены те же принципы, которыми руководствовался М.А. Козин. В отличие от него, главными определяющими факторами ВРП на орошаемых землях приняты уровень и точность регулирования, принцип поступления воды на поверхность почвы, впитывание и характер увлажнения корне-обитаемого слоя, что, главным образом, зависит от способа орошения и техники полива, механизации и автоматизации оросительных систем. При этом предполагалось, что при орошении в любых почвенно-климатических условиях необходимо применять оптимальные режимы орошения сельскохозяйственных культур, а уровень залегания грунтовых вод ниже критических отметок можно поддерживать только с помощью искусственного дренажа.
Способы орошения, техника полива и их автоматизация, создавая различные по характеру типы ВРП, обладают неодинаковой эффективностью и рациональным использованием плодородия почв и водных ресурсов. Под влиянием различных типов ВРП изменяются приходные и расходные статьи водного баланса, что весьма наглядно при анализе соответствующих уравнений.
Планирование экспериментов и методика проведения исследований
Планирование комплексных, многофакторных, многолетних опытов, как в теоретическом, так и в организационно-практическом плане является весьма сложной задачей. В основу планирования наших опытов была поставлена одна главная цель, объединившая все блоки: теоретически обосновать, научно- методически и экспериментально разработать направления мелиоративной дея тельности, технические средства и технологические приемы, обеспечивающие эффективное и рациональное использование вод региона (ЭиРИВР) при орошении с.-х. культур на Северном Кавказе. На стадии планирования экспериментов на основании анализа научной и патентной литературы, представленного в главе 1, ориентировочно были определены направления мелиоративной деятельности, которые существенно влияют на ЭиРИВР при орошении с.-х. культур. К наиболее важным из них были отнесены: Совершенствование существующих технологий возделывания с.-х. растений, систем внесения удобрений, режимов орошения, техники и способов полива, механизации и автоматизации процессов, подбор наиболее продуктивных в конкретных природных условїіях культур и сортов, отзывчивых на орошение, позволяющих ЭиРИВР и обеспечивающігх охрану окружающей природной среды от загрязнения и деградации. Второе направление, обеспечивающее ЭиРИВР, включает в себя разработку технологии и технических средств для совместного применения различных способов орошения, реконструкцию оросительных системдтовторное использование сбросных, коллекторно-дренажных (СиКДВ), сточных вод (СВ) и животноводчесюгх стоков (ЖС) в сельском хозяйстве, позволяющих сократить забор имеющихся в регионе запасов пресных вод для орошения. По нашему мнению, приоритет следует отдать третьему направлению, которое предусматривает создание на основании последних достижений науки и техники принципиально новых автоматизированных способов и технологий орошения, ориентированных на эффективное и рациональное природопользование и охрану природы. Все три направления и составляющие их вопросы были выбраны как основные задачи наших исследований, позволяющие достіїгнуть главной цели. Каждая конкретная задача решалась постановкой лабораторных, лабораторно-полевых, лизиметрических, полевых, производственных опытов и проведением соответствующих наблюдений и учетов (приложение А, таблица 1).
При планировании экспериментов, главным методом исследований был выбран полевой опыт, что вытекает из специфики орошаемого земледелия, объектами которого являются земля, растения, оросительные системы, вода, природные условия, окружающая среда (приложение А, рисунки 2 - 5). При планировании, закладке и проведении полевых опытов с различными многолетними и однолетними культурами за основу были приняты методические разработки целого ряда научных учреждений, отечественных и зарубежных ученых [9, 21, 28, 38, 75, 82, 93, 100, 109, 138, 142, 144, 171, 172, 206, 237, 243, 251, 260, 285, 286,302, 311 - 314, 317, 324, 338, 363, 376, 377, 379, 382, 400, 402, 415,430,438,449,454,484, 521, 536, 537, 572, 664, 666, 681, 685]. При проведении полевых опытов, как правило, применялись ортогональные схемы, которые в процессе исследований по годам корректировались. Повторносте и варианты на площади опытных участков располагались систематическим методом в один или два ряда. В большинстве полевых экспериментов варианты каждого опыта были представлены в трех- или четырехкратной повторностях. Площади опытных делянок, их размеры и конфигурация выбирались, при планировании эксперимента, в зависимости от содержания, схем и технических условий проведения эксперимента и изменялись от 150 до 1000 м . Учетная делянка, за вычетом защитных полос, имела на 20 - 30 % меньшую площадь. Опыты с такими размерами делянок называются мелкоде-ляночными полевыми и позволяют, при соответствующей повторности, добиться наибольшей точности полученных результатов. Количество вариантов в каждом блоке или серии опытов, в зависимости от конкретных целей и задач, находилось в пределах от 3 до 12. Интервалы (градации) между вариантами опытов определялись при планировании эксперимента логико-аналитическим методом и уточнялись при проведении рекогнесцировочных опытов. В конкретных полевых мелкоделяночных опытах градации между вариантами представлены в соответствующих главах и разделах работы и таблицах. Все варианты и их повторности имели систему защитных полос, размеры которых выбирались в зависимости от способов орошения, техники полива, уклона местности, возделываемой культуры и других сопутствующих факторов. Во всех опытах одно- и многофакторных выдерживался принцип единичного различия. Полевые мелкоделяночные опыты по теме диссертации проводились с 1968 по 2000 гг., как на специальных стационарах (Персиановская ОМС, ОПХ Юж-НИИГиМ), так и в производственных условиях (приложение А, таблица 1). Повторяемость во времени каждого проведенного опыта была не менее 2-3 лет.
Изучение и разработка технологий возделывания основных продовольственных культур при орошении, обеспечивающих ЭРИВР
Рассмотрев влияние орошения на биологическую продуктивность кормовых и зерновых культур, ЭиРИВР, целесообразно приступить к сравнительному анализу других технических и технологических приемов, воздействующих на эти процессы. В опытах, проведенных с кукурузой, картофелем, яровой пшеницей, соей и рисом, изучалось влияние способов орошения, элементов техники полива, поливных режимов, норм внесения удобрений, сортовых особенностей -культур, сроков и схем посева на ЭиРИВР этими культурами на орошаемых землях Ростовской области. Опыты с каждой из этих культур проводились отдельными блоками, но в одних и тех же почвенно-климатнческих условиях пойм рек Грушевки и Аксая и совпадали во времени. То есть в каждом опыте изучалась одна культура, а варианты, в зависимости от поставленных целей и задач, были представлены различными способами орошения, элементами техники полива, режимами орошения, нормами внесения удобрений, сортами, сроками и схемами посева.
В опытах с кукурузой изучали ЭиРИВР при различных способах орошения, технике полива, дозах удобрений, густоте стояния и сроках посева культуры (таблица 9).
Годы проведения исследований отличались друг от друга по степени увлажненности вегетационного периода, что позволило выявить влияние погодных условий на эффективность способов орошения кукурузы и рациональное использование водных ресурсов. Оказалось, что несмотря на свою достаточно высокую устойчивость к почвенной и воздушной засухе, кукуруза очень сильно реагирует на эти факторы роста и развития изменением урожайности зерна и величиной суммарного водопотребления. В очень засушливом 1975 г. эффективность всех способов орошения была в 2 — 3 раза ниже, че.м в 1974 незначительно засушливом году. То есть орошение, проведение вегетационных поливов, полностью не устраняет губительного действия засухи и повышенных температур. Без орошения в 1975 г. не только урожайность, но и водопотребление было ниже на 700 м /га, так как главным лимитирующим фактором на этом варианте был недостаток естественного увлажнения. При орошении дефицит влаги в почве отсутствовал, так как компенсировался проведением вегетационных поливов, более высокой на 700 - 900 м3/га оросительной нормой в 1975 году. Поэтому суммарное водопотребление кукурузного поля при орошении было на 600 - 900 м3/га больше в 1975 году, чем в 1974, а урожайность - меньше. Это свидетельствует о том, что на формирование урожая и водопотребление действуют различные факторы и результат их влияния неодинаков. Величина урожая зависит от всех факторов роста и развития растений, и они равнозначны и незаменимы для любой культуры. Суммарное водопотребление является, большей частью, физическим процессом и зависит, главным образом, от метеорологических элементов, определяющих испарение.
В очень засушливом году кукуруза «ВИР-42» не только менее эффективно, но и нерационально использовала водные ресурсы для создания урожая зерна (таблица 9). Все показатели рационального использования водных ресурсов: коэффициент водопотребления, расход оросительной воды на создание единицы урожая, энергии и чистого дохода были выше в 1975 г. в 1,8 - 3 раза, чем в 1974 г.
Способы орошения: полив по бороздам, дождевание и внутри почвенное орошение в различные по увлажненности годы по разному воздействовали на кукурузу, ЭиРИВР. В незначительно засушливый год наиболее эффективно кукуруза «ВИР-42» использовала водные ресурсы при внутрипочвенном орошении. В то же время по показателям рационального использования водных ресурсов и оросительной воды внутрипочвенное орошение и дождевание не уступают друг другу. Это объясняется выпадением значительного количества осадков в 1974 г., которые увлажняли верхний 20 см горизонт почвы, недоувлаж-няемый при внутрипочвенном орошении, и способствовали более эффективному и рациональному использованию водных ресурсов кукурузой при этом способе полива. В очень засушливый год более ЭиРИВР при дождевании. Оно обеспечивало не только пополнение запасов доступной влаги в почве, при близком залегании фунтовых вод, но и нивелировало, в какой-то степени, губительное воздействие на растения воздушной засухи и высоких температур. В остро засушливые годы в Ростовской области для получения максимального эффекта от орошения необходимо применять комбинированное орошение с.-х. культур, например, внутрипочвенное орошение + дождевание. При дождевании даже в незначительно засушливый благоприятный год увеличение густоты стояния кукурузы в 1,5 раза от рекомендуемой нормы привело к снижению урожайности зерна и менее эффективному и нерациональному использованию водных ресурсов.
При близком стоянии грунтовых вод на черноземовидных пойменных почвах при поливе по бороздам кукуруза менее эффективно и нерационально использовала водные ресурсы, чем при дождевании и внутрипочвенном орошении. В то же время, и в 1974 и в 1975 годах, при всех способах орошения были получены достоверные прибавки урожая зерна и обеспечивалось более ЭиРИВР по сравнению с неорошаемыми участками. Это свидетельствует о том, что в любые по увлажненности годы орошение в Ростовской области эффективно и целесообразно.
Полив по бороздам, в зависимости от уклона местности, микрорельефа, орошаемой культуры и технологических параметров имеет несколько разновидностей. В зависимости от перечисленных факторов поливают по глубоким тупым, открытым проточным бороздам, бороздам с террасами, бороздам-щелям, которые обеспечивают различную равномерность и глубину увлажнения и тем самым влияют на эффективность орошения и рациональное использование вод региона v с.-х. культурами. В опытах с кукурузой «ВИР-42» изучалось влияние орошения по открытым проточным бороздам и бороздам-щелям на ЭиРИВР этой суперкультурой (таблица 10).
Повторное использование сбросных и коллекторно-дренажных вод оросительных систем
Во второй половине 20 столетия значительный вклад в ЭиРИВР при орошении внесли ученые при разработке научных основ эксплуатации оросительных систем: Аверьянов С.Ф., Айдаров И.П., Аппатьев СМ., Антикова Т.Н., Багров М.Н., Безднина С.Я., Богушевский А.А., Бочкарев Я.В., Воропаев Н.С., Голованов А.И., Грамматикати О.Г., Григоров М.С., Дружинин Н.И., Иванов А.Н., Кац Д.М., Кирейчева Л.В., Жилин И.Н., Маслов Б.С., Марков Е.С., Мирцхулава Ц.Е., Натальчук М.Ф., Ольгаренко В.И., Остапчик В.П., Парфенова Н.И., Поляков Ю.П., Решетнина Н.М., Рекс Л.М., Сенчуков Г.А., Сурин В.А., Тимченко Н.С., Харченко СИ., Шаров А.И., Шаумян В.А., Шейнкин Г.Ю., Шишкин В.К., Шумаков Б.А., Шумаков Б.Б., Штепа Б Г., Щедрин В Н., Янишевский Н.А. и другие. Основными главными научными направлениями, позволяющими достиг нуть более ЭиРИВР при орошении, являются совершенствование, реконструк ция оросительных систем и повышение их коэффициента полезного действия (КПД); планирование и управление водопользованием и повторное использова ние сбросных и коллекторно-дренажных вод (С-и КДВ) оросительных систем для орошения, в водооборотных системах и для других нужд сельского хозяй ства. Все мероприятия, направленные на улучшение работы оросительных сис тем, повышают КПД и способствуют ЭиРИВР при орошении Следова тельно, КПД является комплексным критерием технического уровня и состоя ния оросительных систем, ЭиРИВР и эколого-мелиоративного состояния тер ритории.
Оросительные системы Ростовской области эксплуатируются, начиная с 1952 г. За прошедший период изменились глубина залегания и литерализация грунтовых вод, почвенное плодородие, показатели сельскохозяйственного производства, видовой состав флоры и фауны, экологическая ситуация прилегающих антропогенных и природных объектов. В связи с этим был сделан анализ данных работы шести крупнейших оросительных систем Ростовской области за 1986 - 1990 гг. методом линейной регрессии на персональном компьютере "Pentium-100" с использованием прикладной программы "Microsoft Excel" (таблица 33, рисунок 2-4). Результаты регрессионного анализа (рисунок 2) свидетельствуют, что за рассматриваемый период времени наблюдается тенденция к снижению водозабора для орошения при одновременном возрастании величины сброса поверхностных и коллекторно-дренажных вод за пределы орошаемой территории и урожайности с.-х. культур. Эта тенденция и-происходящие процессы описываются уравнениями регрессии 1, 2 и 5, рисунок 2. Из-за такого негативного явления главная задача оросительных систем - ЭиРИВР не достигается, а точнее -утрачивается. Объемы полезного использования оросительной воды уменьшаются (уравнение регрессии 3, рисунок 2), а вместе с этим снижается КПД систем согласно уравнению регрессии 4, рисунок 2. Учитывая вышеизложенное, рассмотрим показатели работы этих же шести оросительных систем с точки зрения ЭиРИВР и в экологическом аспекте. Принцип расчета КПД (Et) каналов и систем, предложенный еще Костяко- вым А.Н., как отношение объемов Et =- - или расходов Et = rt подаваемой воды на поле к поступающей в голове канала или системы до настоящего времени остается неизменным.
Общий КПД оросительной системы, как правило, в большинстве случаев, рассматривают, как произведение КПД каналов по расчетной трассе, в том числе и расположенных на поле. Этот принцип разрабатывался для старых оросительных систем, не имеющих коллекторно-дренажной, а зачастую, и сбросной сети с налаженным измерением объемов отводимых вод. Этот принцип расчета КПД приемлем и на новых оросительных системах, когда уровень грунтовых вод расположен весьма глубоко, дренаж еще не построен, или он имеется, но дренажного стока нет. На таких системах наблюдается лишь глубинная фильтрация и постепенный подъем уровня фунтовых вод. Следует заметить, что принцип расчета КПД, предложенный Костяко-вым А.Н., не пригоден на оросительных системах нового поколения, где транспортирующая, распределительная и оросительная сеть выполнены в трубах, например при поливе машинами "Фрегат", "Днепр", "Волжанка", "Ока", использовании стационарного, полустационарного дождевания, капельного и внутри-почвенного орошения. На такігх оросительных системах потери воды на фильтрацию и испарение наблюдаются лишь непосредственно на поле. Они и определяют КПД оросительной системы в целом. На оросительных системах старого и нового поколений, имеющих кол-лекторно-дренажную и оросительную сеть с налаженным учетом воды и стабилизировавшимся уровнем грунтовых вод, Квп системы интегрально можно рассчитать по формуле 6, рисунок 2. При таком подходе к КВп интегрально учитываются все составляющие: водоподача, подземный и поверхностный сток с полей, потери воды на фильт- рацию из каналов, концевые и аварийные сбросы и даже несоответствие фактического и планового графиков водопользования за счет вариации погодных условий. Анализ работы шести наиболее крупных оросительных систем Ростовской области показал, что при таком подходе КВп может быть не только показателем уровня полезного использования оросительной воды, но и характеристикой эколого-мелиоративного состояния территорий оросительных систем (приложение В, таблица 9; рисунок 3). На оросительных системах Ростовской области с преобладанием транспортирующей и распределительной сети, выполненных в виде открытых каналов с различными противофильтрационными мероприятиями и без них, наиболее тесная взаимосвязь наблюдается между Квп и засоленностью (незасоленностью) почв их территории. Чем меньше-Квп „ тем больше незасоленных почв на территории оросительных систем. И, наоборот, чем выше Квп , тем больше площадей оросительных систем имеют почвы с различной степенью засоления. При низком КВп , в целом по оросительной системе интенсивней происходит вымыв солей из почвенного профиля, которые потом выносятся сбросными и дренажными водами за пределы территории. Имеет место рассоление орошаемой территории, что не противоречит основным понятиям о процессах вторичного засоления орошаемых оазисов. На системах с низким Квп процесс рассоления орошаемых территорий, при наличии действующей С и КДС, наступает гораздо быстрее и идет глубже и интенсивней.
