Размещено на http://allbest.ru

30

Херсонський державний аграрний університет

УДК 631.675:631.587:631.559

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора сільськогосподарських наук

Підвищення ефективності використання природних ресурсів у землеробстві при зрошенні та реалізації принципів програмування врожаїв у Лісостепу України (На прикладі території Сумської області)

06.01.02 - Сільськогосподарські меліорації (сільськогосподарські науки)

ХАРЧЕНКО ОЛЕГ ВАСИЛЬОВИЧ

Херсон - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Сумському національному аграрному університеті

Науковий консультант: доктор сільськогосподарських наук, професор, академік УААН, заслужений працівник вищої школи Ушкаренко Віктор Олександрович, ректор Херсонського державного аграрного університету

Офіційні опоненти: доктор сільськогосподарських наук, професор Міхєєв Євген Костянтинович, Херсонський державний аграрний університет, професор кафедри економічної кібернетики

доктор сільськогосподарських наук, старший науковий співробітник Жовтоног Ольга Ігорівна, Інститут гідротехніки і меліорації УААН, заступник директора з наукової роботи

доктор сільськогосподарських наук, професор, член-кореспондент УААН Ківер Володимир Фомич, пенсіонер

Провідна установа: Інститут землеробства південного регіону УААН, м. Херсон

Захист відбудеться 27 червня 2003 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 67.830.01 при Херсонському державному аграрному університеті за адресою: 73006, м. Херсон, вул. Р.Люксембург, 23.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці університету за адресою: 73006, м. Херсон, вул. Р.Люксембург, 23.

Автореферат розісланий 22 травня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Базалій В.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В умовах реформування земельних відносин та переходу сільського господарства на ринкові засади виникає нагальна необхідність науково достовірного, економічно обґрунтованого та екологічно безпечного управління ростом та розвитком рослин шляхом регулювання основних факторів росту культури, які і визначають доцільність певного рівня врожайності.

У зв'язку з цим виникає потреба теоретичного обґрунтування проблеми підвищення ефективності використання водно-земельних ресурсів на зрошуваних землях в умовах лісостепової зони України, де питома вага атмосферних опадів у структурі необхідного забезпечення вологою є досить високою, проте дуже часто недостатньою. Оскільки така особливість зони Лісостепу далеко не в повній мірі враховується існуючими методами розрахунків, тому актуальною стає проблема адекватного врахування умов природного зволоження з метою більш повного та раціонального використання ресурсу вологи на фоні різного співвідношення інших факторів. Така задача вимагає системного підходу до її розв'язання з визначенням умов повного і раціонального забезпечення культури основними факторами росту з метою створення можливостей для формування запрограмованого врожаю, як функції цих факторів; з'ясування ролі та ступеню впливу вологи на дану функцію, як одного із факторів росту; оцінка її достатності в залежності від умов природного зволоження та економічній, екологічній і енергетичній обґрунтованості необхідної кількості цього ресурсу.

Відомо, що досягнення високої і стабільної ефективності зрошення в умовах Лісостепу можливе тільки при програмуванні рівня врожайності сільськогосподарських культур, тому необхідним є встановлення лімітуючих і перш за все технологічних факторів вирощування культур у даній зоні. Розв'язання такої проблеми стає можливим в рамках модельного підходу академіка УААН В.О.Ушкаренка, запровадженого у виробництво на Півдні України, з метою його можливої адаптації для умов Лісостепу.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основою дисертації є результати наукових досліджень, які були виконані за науковими планами Сумського національного аграрного університету, керівником і відповідальним виконавцем яких був автор. “Обґрунтування доцільності та ефективності зрошення в умовах Сумської області” (1980-1984 рр.); “Проектування режиму зрошення сільськогосподарських культур в умовах різних зон Сумської області” (1985-1989 рр.); “Встановлення проектної прибавки врожаю від зрошення” (1990-1994 рр.); “Екологічне обґрунтування зрошувальної норми в різних ґрунтово-кліматичних зонах України” (1995_1999 рр.); “Програмування врожаю - основа раціонального використання природних ресурсів” (2000-2004 рр.). Наукова робота виконувалася в співдружності з Херсонським ДАУ, а вказані теми були окремими розділами комплексних тем “Розробити та впровадити проект екологічно надійної технології використання водних і земельних ресурсів” (1991-1996 рр.) № держрегістрації 0196U015906 та “Розробити і впровадити проект екологічно-безпечних, ресурсозберігаючих агромеліоративних заходів підвищення продуктивності підтоплених і засолених земель в Причорноморській зоні України” (1997-2001 рр.) № держрегістрації 0199U003598.

Мета і задачі дослідження. Мета досліджень полягала в тому, щоб на основі нових теоретичних підходів адаптувати існуючі та розробити нові способи і методи визначення параметрів зрошувальних систем в залежності від природного зволоження території та урожайності культур від умов їх вирощування в Лісостепу України. Для досягнення цієї мети необхідно було:

розробити моделі формування ресурсозабезпеченої врожайності в конкретних ґрунтово-кліматичних умовах в усьому можливому діапазоні значень основних зовнішніх факторів;

встановити критерії найбільш повної оцінки умов природного зволоження в Лісостепу України;

розробити методи встановлення проектної прибавки врожаю від зрошення в залежності від умов природного зволоження, рівня агротехніки з одного боку та економічно доцільної її величини - з іншого;

встановити величину зрошувальної норми та її забезпеченості при врахуванні найвірогідніших умов природного зволоження, основної цілі зрошуваної ділянки та екологічного забезпечення природних умов ґрунтоутворення;

встановити кількісну залежність проектної величини поливної норми від умов природного зволоження;

розробити метод обґрунтування можливого збільшення зрошуваної площі шляхом реалізації рухомого зрошення чи площі “земель - супутників” в залежності від умов природного зволоження;

встановити кількісний вплив основних біологічних факторів на продуктивність культури з визначенням місця і ролі густоти посіву в процесі формування врожаю;

визначити можливі шляхи реалізації моделей урожайності сільськогосподарських культур, розроблених для Півдня України (акад. В.О.Ушкаренко), для умов Лісостепу;

визначити основні особливості економічного та енергетичного обґрунтування запрограмованого рівня врожайності в нових соціально-економічних умовах.

Об`єктом досліджень є система “урожай - основні фактори та умову росту і розвитку культури” та роль і місце в цій системі водного фактору, що регулюється в умовах зрошення.

Предметом досліджень є комплекс природних умов лісостепової зони та відповідність цим умовам існуючих способів і методів обґрунтування основних параметрів зрошувальної системи; вплив основних факторів росту та розвитку на врожайність культури.

Методи досліджень. Теоретичні та прикладні задачі вирішувались із застосуванням методів системного аналізу та математичного моделювання, із використанням методів математичної статистики визначення достовірності, кореляційного і регресійного аналізу.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше розроблені методи визначення параметрів зрошувальних систем по найбільш повному використанню водно-земельних ресурсів для умов Лісостепу з врахуванням природного зволоження, як найістотнішої характеристики умов даної зони; систематизовані і узгоджені між собою існуючі методи та розроблені нові підходи до кількісної оцінки впливу зовнішніх та внутрішніх факторів на урожайність сільськогосподарських культур. Результатом таких досліджень є розроблені автором нові способи і методи, які виносяться на захист:

теоретичне обґрунтування та методологія комплексної оцінки ресурсозабезпеченого врожаю культури в конкретних ґрунтово-кліматичних умовах в можливому діапазоні зміни екологічних факторів;

оцінка території за рівнем природного зволоження та встановлення його кількісного впливу на співвідношення між капітальними та експлуатаційними витратами на зрошення;

визначення проектної прибавки врожаю від зрошення:

через реалізацію моделі ресурсозабезпеченого врожаю;

через реалізацію моделі “урожай - водний фактор” з врахуванням існуючого та можливого рівня агротехніки;

через реалізацію моделей агрометеорологічного прогнозування врожайності;

визначення проектної величини зрошувальної норми залежно від умов природного зволоження, цільового використання зрошуваної ділянки та екологічного забезпечення умов ґрунтоутворення;

встановлення величини поливної норми залежно від умов природного зволоження;

визначення можливості розширення існуючих зрошуваних земель шляхом реалізації принципу рухомого зрошення та площі “земель - супутників” залежно від умов природного зволоження;

реалізація існуючих моделей урожайності сільськогосподарських культур в умовах зрошення (акад. В.О.Ушкаренко, 1981р., 1994р.) та можливість їх адаптації в умовах Лісостепу;

оцінка особливостей рівня енергозбереження та економічного обґрунтування запрограмованого врожаю в умовах природного зволоження та зрошення з комп`ютеризацією таких визначень.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані результати в якості запропонованих способів та методів доведені до рівня практичного застосування і використовуються в системі водного та сільського господарства Сумської області. Основні положення, способи та методи еколого-економічної оцінки умов програмування врожаю увійшли до складу навчального процесу агрономічних спеціальностей сільськогосподарських вузів України (авторський навчальний посібник “Основи програмування врожаю сільськогосподарських культур”, Суми - 1999, 2003 рр.)

Наведені розробки в повній мірі можуть бути використані в наукових дослідженнях, проектуванні нових та експлуатації існуючих зрошуваних систем, а також при управлінні процесом вирощування сільськогосподарських культур як в умовах богарного так і зрошуваного землеробства. Щорічне впровадження розробок автора по уточненню величини зрошувальних норм в різних зонах України на площі 7-9 тис. га забезпечує обґрунтовану економію поливної води від 300-350 до 450-600 м³/га.

Особистий внесок здобувача. Дисертація є результатом 23-х річної наукової роботи здобувача, а наукові положення, що виносяться на захист, одержані особисто дисертантом. Особистий внесок здобувача в наукових працях, надрукованих у співавторстві складає 80-85%.

Автор виносить подяку доктору сільськогосподарських наук, академіку УААН, професору В.О.Ушкаренку за надану можливість проаналізувати сформовані ним та його аспірантами моделі урожайності сільськогосподарських культур в умовах зрошення та вихідних даних до них.

Апробація результатів дисертаційної роботи. Основні наукові положення, методики та результати досліджень доповідались та отримали позитивну оцінку на наукових з`їздах, науково-практичних конференціях, нарадах: “Комплексні меліорації” (Москва, МГМІ, 1983), “Проблеми розвитку зрошення на Україні” (Київ, УкрГІПРОВОГОСП, 1985), “Розвиток гідротехнічних меліорацій в Білорусії” (Горки, БСГА, 1986), “Комплексне меліоративне регулювання” (Москва, МГМІ, 1988), “Оптимізація процесів комплексного меліоративного регулювання” (Москва, МГМІ, 1989), “IV з'їзд ґрунтознавців і агрохіміків України” (Херсон, ДАУ, 1994), “Науково-практична конференція” (Херсон, ДАУ, 2002).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 28 праць, в тому числі два видання підручника (одноосібно), 24 статті у фахових виданнях (в тому числі одноосібно 19), 2 тези.

Структура і обсяг роботи. Загальний об`єм роботи складає 389 сторінок, містить вступ, 6 розділів, висновки, 95 схем та рисунків, 47 таблиць, 18 додатків на 43 сторінках. Список використаних літературних джерел містить 314 найменувань, із них на мовах далекого зарубіжжя 25.

рослина сільськогосподарський врожайність

ЗМІСТ РОБОТИ

Ресурсозабезпечений урожай сільськогосподарської культури, як алгоритм її можливостей в конкретних умовах

При обґрунтуванні доцільності та можливої ефективності зрошення необхідно визначитись перш за все з рівнем природного забезпечення вологою, як одним із факторів росту, в умовах кожної конкретної зони. При цьому забезпеченість даним фактором в тих чи інших умовах доцільно розглядати на фоні природної забезпеченості іншими екологічними факторами, що дає змогу визначитись з роллю і місцем кожного із них у формуванні врожаю. З другого боку встановлення ресурсозабезпеченого врожаю є необхідним першочерговим розрахунком при програмуванні продуктивності культури як в богарних умовах так і при зрошенні. Це пов'язано перш за все з тим, що на першому етапі програмування необхідно визначитись з можливостями природних ресурсів і тими врожаями, які вони можуть сформувати. Відомо, що такими ресурсами є фотосинтетична активна радіація (ФАР), волога, тепло та природна родючість ґрунтів. Слід відзначити, що всі ці ресурси, крім родючості ґрунтів, коливають по роках в різних межах і носять випадковий характер. Це пояснює необхідність розглядати ресурсозабезпечений урожай не тільки для середніх умов (М.К.Каюмов, В.Д.Муха та інші), що приводить до значного спрощення таких розрахунків і значно знижує достовірність висновків, але і в усьому можливому діапазоні зміни природних ресурсів, тобто проводити їх вірогідносний аналіз.

Аналіз природнокліматичних умов показує, що практично на всій території України для більшості сільськогосподарських культур основними лімітуючими факторами є природна родючість ґрунтів та природна забезпеченість вологою. Зрозуміло, що оптимальне співвідношення цих ресурсів так чи інакше буде визначатись рівнем забезпеченості іншими факторами: теплом, ФАР, мікроелементами і т.п. При цьому, незважаючи на складність кореневого живлення, даний фактор піддається досить простому регулюванню шляхом внесення мінеральних та органічних добрив. Звичайно це зовсім не спрощує саму проблему живлення, так як тут існує ряд досить специфічних і важливих моментів: співвідношення NPK, їх дози та форми, дробність, строки внесення та глибина заробки і т.п. При цьому відомо, що ефективність співвідношення всіх вказаних факторів в свою чергу в більшій чи меншій мірі залежить від забезпеченості культури іншими факторами і перш за вологою.

Аналіз існуючих способів та методів визначення кількісного впливу основних факторів росту на урожайність культури (М.К.Каюмов, В.Д.Муха, О.М.Костяков, В.А.Пелипець, І.С.Шатілов, А.І.Столяров, А.М.Рябчиков та інші) дозволив розробити методику вірогідносної оцінки впливу цих факторів в усьому їх можливому діапазоні значень (рис.1). При цьому вдалося в одному масштабі визначити і порівняти всі можливі рівні врожайності: потенційний (ПУ), кліматично забезпечений ресурсами вологи (КУ_В) і тепла (КУ_t) та урожайність за природною родючістю ґрунтів (У_бон).

При проведені таких визначень потенційний урожай враховувався як із умови врахування основної та побічної продукції, так і при врахуванні кореневих залишків, тобто частини сформованої біомаси. Враховуючи, що даний рівень врожайності є максимальним, прихід ФАР може бути використаний як норма. При встановлені кліматично забезпечених врожаїв ресурсами тепла та вологи необхідною умовою є перш за все визначення можливих значень цих ресурсів. Величину кліматично забезпеченого врожаю за ресурсами тепла доцільно визначати найбільш адекватним для даних цілей методом, який враховує біокліматичний потенціал (БКП). При цьому сформульоване принципово інше функціональне значення коефіцієнта культури землеробства (КЗ), який в даному разі означає урожайність (т/га), яка може бути сформована кожною 1000⁰С.



Рис.1 Вірогідносна крива ресурсозабезпеченої врожайності цукрових буряків (МС Суми):

ПУ - потенційна врожайність;

КУ_В - кліматично забезпечена врожайність ресурсами вологи;

КУ_t - кліматично забезпечена врожайність ресурсами тепла при співвідношенні вологих і теплих умов (КУ_t,1) та вологи х і холодних (КУ_t,2) умов;

У_бон - урожайність за рахунок природної родючості ґрунту.

При встановлені кліматично забезпеченого врожаю за ресурсами вологи (КУ_В) враховувалась вся можлива кількість продуктивної вологи (в ґрунті і опади) з встановленням залежності між урожайністю (У) та сумарним водоспоживанням (Е).

Визначення урожайності за рахунок природної родючості ґрунтів (У_БОН) може бути проведене як балансовим методом так і методом окупності.

Наведені вище розрахунки є потенційною можливістю конкретної культури формувати урожай в конкретних ґрунтово-кліматичних умовах, або алгоритмом її можливостей.

Виконані по основних культурах, вони дозволяють визначитись з рівнем забезпеченості культури природними факторами, перш за все вологою, і прогнозувати можливу ефективність внесених добрив. З другого боку аналіз цих даних може бути основою для можливого інвестування чи не інвестування як галузі в цілому так і окремої культури.

Встановлено, що такий фактор як рівень агротехніки, що включає в себе технологію вирощування культури взагалі, або її окремі заходи може істотно впливати на ефективність використання природних ресурсів.

Агрокліматичні параметри зони - основа для прийняття оптимізаційних рішень

Особливістю зони нестійкого природного зволоження, до якої відноситься територія Лісостепу України і куди входить і територія Сумської області, є наявність років як з достатньою, так і недостатньою кількістю атмосферних опадів. Значна кількість цих опадів, які випадають в окремі роки і місяці, істотно впливає як на розширення зрошуваних земель в цій зоні, так і на якість експлуатації існуючих.

Аналіз існуючих способів та методів оцінки території за умовами природного зволоження (О.М.Костяков, Г.Т.Селянінов, С.А.Сапожнікова, Н.Н.Іванов, С.М.Алпатьєв, А.М.Алпатьєв, Д.І.Шашко, А.А.Черкасов, В.П.Остапчик, Е.П.Панов, Д.Б.Циприс, Г.В.Ільменко, та інші) та проведені розрахунки показали, що найбільш повним та об'єктивним показником є дефіцит водного балансу (С.М.Алпатьєв), який для даних розрахунків визначається як зональний. При цьому встановлено, що між дефіцитом водного балансу (W) та гідротермічним коефіцієнтом (ГТК) існує досить тісна кореляційна лінійна залежність типу: W = АГТК + В, проте для різних періодів і культур вона далеко не однозначна (табл.1).

Таблиця 1

Дані кореляційного та регресійного аналізу залежності між W та ГТК ( МС Лебедин, 1946 - 1977р.р.)

Культура (вегетаційний період)	Коефіцієнт кореляції, r	Коефіцієнти регресії	Значення ГТК при W=0
		A	В
Кукурудза на зерно (20.04-31.08)	-0,969	-323,54	494,69	1,53
Кукурудза на силос (20.04-10.08)	-0,953	-345,80	501,69	1,45
Ячмінь (10.04-20.07)	-0,944	-244,14	397,05	1,63
Багаторічні трави (1.04-30.09)	-0,962	-338,03	619,05	1,83
В тому числі по місяцях: Квітень	-0,879	-22,39	54,52	2,44
Травень	-0,944	-68,59	130,78	1,91
Червень	-0,872	-64,80	133,57	2,06
Липень	-0,930	-83,54	143,34	1,72
Серпень	-0,945	-83,48	135,71	1,63
Вересень	-0,860	-46,26	77,06	1,67

Проведені розрахунки за 34-річний ряд спостережень для семи метеостанцій, розміщених на території Сумської області, яка в даному випадку була взята за приклад, дозволили побудувати і проаналізувати 77 емпіричних вірогідносних рядів дефіциту водного балансу як по окремих місяцях так і по вегетаційним періодам деяких культур. Крім того проведені розрахунки дозволили визначитись з таким показником як вірогідність необхідності в зрошенні (Р_i), що являє собою частоту посушливих років, з різного роду уточненнями та обмеженнями.

Це в свою чергу дало змогу досить повно оцінити умови природного зволоження як за окремими періодами так і території в цілому. Результатами таких розрахунків стало районування території області з точки зору потреби в зрошенні та за середніми значеннями (Р=50-75%) зрошувальної норми.

Всі емпіричні вірогідносні ряди піддавались статистичній обробці, суть якої полягала у математичному визначенні різних за природним зволоженням років в майбутньому, що в свою чергу в тій чи іншій мірі слід вважати вірогідносним гідрологічним прогнозом. Аналіз існуючих методів такої оцінки (А.К.Митропольський, Г.Л.Громико, Д.П.Соколовський, А.Н.Іванов Т.А.Неговська, П.А.Ляпічев, Н.А.Картвелішвілі, Б.А.Доспехов, В.Г.Вольф та інші) показав, що найбільш повним та універсальним є графоаналітичний метод Г.А.Алексєєва (1960), характерною особливістю якого є відносна простота та можливість застосування при будь-якому типі розподілу.

Встановлено, що з точки зору адекватності даного методу фактичним значенням, він є досить точним і в діапазоні вірогідностей 40-80% дає достатньо близькі результати. По суті проведених визначень можна констатувати, що в переважній більшості випадків (69 із 77) посушливі умови повторюються значно частіше ніж вологі. Крім того встановлено, що із семи розглянутих метеостанцій в умовах самих північних (Глухів та Хутір Михайлівський) найбільш посушливим місяцем є червень, а в інших - травень. Зрозуміло, що умови в ці періоди досить часто є лімітуючими, так як вони визначають одержання сходів та формування густоти посіву.

Проектна урожайність сільськогосподарських культур в умовах зрошення та шляхи її визначення

Не викликає ніякого сумніву той факт, що при обґрунтуванні доцільності впровадження зрошення в тій чи іншій зони встановлення проектної величини врожайності сільськогосподарських культур є необхідною початковою умовою. При цьому з точки зору порівняльного аналізу та оцінки можливої ефективності даного заходу неабияке значення має так звана проектна прибавка врожайності, яка являє собою різницю між проектною та фактичною врожайністю.

Відомо, що проектна урожайність як і її прибавка від зрошення залежать від особливостей культури і умов природного зволоження з одного боку та співвідношення дуже багатьох чинників, яке може бути яким завгодно, - з другого. При цьому в будь-якому разі встановлення математичної залежності урожайності культури від рівня забезпечення вологою при існуючому чи можливому співвідношенні інших факторів є необхідною умовою для подальшого проведення конкретних розрахунків по визначенню можливого ефекту від зрошення.

Не виникає сумніву, що створення моделі відгуку продуктивності культури на водний фактор є проблемою актуальною і постійно існуючою. Складність цієї проблеми полягає в тому, що визначення кількісного впливу вологи на урожайність культури так чи інакше вимагає врахування як внутрішніх (біологічні особливості культури і сорту) так і зовнішніх (забезпеченість іншими факторами росту) чинників, вплив яких при відповідних їх співвідношеннях може бути дуже суттєвим. При цьому в ряді випадків ця суттєвість може привести до незначної істотності впливу основного фактору (вологи) на урожайність культури, тобто коли лімітуючим фактором стає не вологозабезпеченість посіву, а забезпеченість, наприклад, теплом, мікро- чи макроелементом і т.п. Це і пояснює досить велику кількість таких моделей і далеко не завжди їх однозначність. Слід також відмітити, що в загальному агробіоценоз, будучи досить складною системою, є поки що мало вивченою. Це веде до того, що будь-яка формалізація його структури завжди є явно наближеною. З точки зору вирішення поставленої задачі проблема полягає у виборі чи створенні такої моделі, яка так чи інакше дозволила б встановити кількісний вплив одного чи сукупності факторів на формування врожаю, як кінцевий результат функціонування агробіоценозу.

Аналіз існуючих моделей впливу водного фактора на урожайність сільськогосподарської культури (С.Ф.Аверьянов, Н.Ф.Бондаренко, І.Варлєєв, Е.П.Галямін, Р.І.Горбачева, С.Д.Лисогоров, О.Д.Сиротенко, С.О.Сиптіц, В.О.Ушкаренко, Д.Б.Ципріс, В.В.Шабанов, W. Baier і інші) показав, що з точки зору реалізації даної задачі найбільш загальною та повною можна вважати модель, яка була запропонована В.В.Шабановим і яка за формою співпадає з розподілом Пірсона I типу.

Відносні (нормовані) значення урожайності культури () та водного фактора () дозволяють вводити в дану модель фактичні значення різних сортодільниць. Аналіз суті необхідних визначень дозволив визначити в якості водного фактору нормоване значення дефіциту водного балансу (W) як такого, що може бути встановленим по кожній метеостанції. В спрощеному вигляді для деяких культур в умовах Лісостепу моделі “урожай-водний фактор” мають вигляд:

Ячмінь ярий - S₁ = 6,177 ^1,329 (1-)^1,298

Картопля - S₁ = 2,128 ^0,426 (1-)^0,718

Горох - S₁ = 3,649 ^0,766 (1-)^0,865 (1)

Огірки - S₁ = 2,313 ^0,442 (1-)^0,871

Люцерна - S₁ = 1,558 ^0,182 (1-)^0,680

Капуста - S₁ = 5,877 ^1,116 (1-)^1,475

При визначенні прибавки врожаю від зрошення проблема полягає з одного боку у встановленні економічно обґрунтованої її величини, як необхідної, а з другого - у визначенні можливої при оптимізації умов зволоження. Аналіз існуючих методів економічного обґрунтування (К.П.Арент, М.Г.Голченко, В.Дмитрієв, В.А.Духовний, Д.Т.Зузік, П.І.Ковальчук, В.П.Остапчик, Л.М.Рекс, Е.П.Стельмах, К.І.Шавва і інші) показав, що вони не дозволяють в повній мірі враховувати такий досить важливий показник як умови природного зволоження, або вірогідність необхідності зрошення (Р).

Встановлена кількісна залежність необхідної щорічної прибавки врожайності при зрошенні (ДУ) як від економічних параметрів так і від умов природного зволоження, яка може бути використана уже на стадії техніко-економічного обґрунтування проекту:

(2)

де Р - вірогідність необхідності в зрошенні, %;

К - капітальні вкладення в будівництво, грн/га;

ДС - додаткові експлуатаційні витрати на зрошення, грн/га;

Т₀ - основний строк окупності, роки;

ц - реалізаційна ціна за продукцію, грн/ц.

Основою для проведення таких розрахунків може бути матриця доцільності зрошення (табл.2).

Таблиця 2

Матриця доцільності зрошення

Природне зволоження	Без зрошення	При зрошенні
	Витрати	Шкода	Витрати	Шкода
Недостатнє (t3)	0	L1t3 / T	C1t3 / T	0
Надмірне (t1)	0	L2t1 / T	C2t1 / T	L2t1 /T +C2t1/T
Оптимальне (t2)	0	0	C2t2 / T	C2t2 /T

Примітки:

1 - L₂ - шкода від надмірного зволоження (втрати врожаю) в роки t₁ (середнє), грн/га;

2 - С₁ - можливі максимальні затрати (щорічні) на зрошення в роки t₃, грн/га_;

3 - С₂ - обов'язкові мінімальні затрати (щорічні) в роки t₁ і t₂ , коли зрошення не проводять, грн/га.

При цьому не викликає сумніву той факт, що різні умови природного зволоження (Р) так чи інакше впливають на співвідношення капітальних та експлуатаційних витрат, а значить і на конструктивні особливості самої системи.

Визначення можливої прибавки врожаю від зрошення може бути виконано кількома методами: шляхом підвищення забезпеченості культури фактором вологи через реалізацію кліматично забезпеченого врожаю (КУ_У), схема якого наведена на рис.2; шляхом реалізації моделі “урожай - водний фактор” (рис.3), а також через реалізацію моделей агрометеорологічного прогнозування врожайності. При цьому всі вказані методи носять вірогідносний характер, що пов`язано з необхідністю оцінки умов природного зволоження.

Рис.2 Схема встановлення прибавки врожаю від зрошення через реалізацію кліматично забезпеченого врожаю (КУ_В):

а a₁ c₁ - вірогідносна крива забезпеченої ресурсами вологи врожайності в умовах природного зволоження;

а a₁b c - вірогідносна крива забезпеченої ресурсами вологи врожайності в умовах зрошення;

Р₁ - вірогідність природної забезпеченості вологою запрограмованого рівня врожайності;

Р₀ - вірогідність зрошувальної норми.

Слід зауважити, що другий метод є найбільш повним і загальним, оскільки дозволяє крім вказаного встановити структуру прибавки врожаю як від рівня агротехніки (живлення), так і від самого зрошення на даному фоні. Методично такі розрахунки забезпечені через побудову спеціальної номограми.

Модель “урожай - водний фактор” є досить універсальною і дає змогу досить об'єктивно оцінити фактичне використання водних ресурсів на фоні різного удобрення та фактично сформований урожай, а також встановити ступінь використання ресурсів фактичним врожаєм. Проведені виробничі дослідження підтвердили можливість таких визначень і їх достатню точність. Крім того реалізація наведеної моделі дозволяє уточнити коефіцієнти біологічної кривої до біокліматичного методу С.М.Алпатьєва для культур, які не є вивченими в конкретній зоні.

Рис.3 Схема визначення прибавки врожаю через реалізацію моделі “урожай - водний фактор” при різних рівнях агротехніки:

1 - при існуючому;

2 - при підвищеному.

Пропонується спосіб встановлення середнього значення коефіцієнта сумарного водоспоживання культури одночасно в залежності від її врожайності та дефіциту вологості повітря, що істотно підвищує обґрунтованість даного показника.

Результати проведених виробничих досліджень підтвердили наявність такої залежності і досить високе співпадіння фактичних даних з визначеними за даною методикою.

Шляхи оптимізації використання водно-земельних ресурсів в умовах зрошення

Загальновідомо, що проектна величина зрошувальної норми як і проектний режим зрошення є базисними моментами будь-якого проекту зрошувальної системи, так як всі інші елементи цього проекту є похідними. Крім того величина зрошувальної норми якраз і є тим показником, який визначає і вартість системи і повноту використання її ресурсів в період експлуатації системи.

При проектуванні найбільш вірогідносного режиму зрошення сільськогосподарських культур необхідно враховувати наступні основні положення:

- в кожному реальному році буде мати місце невідповідність між розрахованим і фактичним режимами зрошення, яка характеризується або недостатньою кількістю води в більш сухі роки ніж прийняті в проекті, або неповним використанням потужності зрошувальної системи при зворотньому співвідношенні умов (Н.Ф.Бондаренко, В.Дмитрієв, А.Р.Константинов, Е.А.Струнников та інші);

- запроектований режим зрошення сільськогосподарських культур на розрахунковий рік і прийнятий в проекті дозволяє визначитись тільки з потужністю зрошувальної системи і ні в якому разі не повинен розглядатись як план поливу в кожному реальному році (С.М.Алпатьєв);

- зрошувальна норма, вибрана так чи інакше за критеріями оптимальності є лігітивною тільки для конкретних соціально-економічних умов, тому розраховані на досить довгий період експлуатації, параметри системи навряд чи можуть бути орієнтовані тільки на умови моменту проектування;

- вибір зрошувальної норми і розподіл її в середині вегетаційного періоду являють собою дві частини однієї задачі і вирішуватись вони повинні одночасно і взаємопов'язано.

Не викликає сумніву те, що вибір розрахункового року (навантаження) необхідно проводити по дефіциту водного балансу за С.М.Алпатьевим.

Аналіз існуючих способів та методів розрахунків ( П.А.Волковский, А.А.Розова, В.П.Остапчик, Г.С.Финин, А.А.Черкасов, В.В.Шабанов та інші) показав, що вони не дозволяють провести встановлення величину зрошувальної норми з одночасним розподілом її в середині вегетаційного періоду. При цьому прийняття зрошувальної норми тієї чи іншої вірогідності як суми декадних чи місячних значень дефіцитів тієї ж вірогідності дає явно завищені результати (табл. 3, рис. 4).

Рис.4 Інтегральні криві дефіциту водного балансу при різних умовах розрахунку:

1 - за модальними значеннями декадних дефіцитів;

2 - за декадними значеннями вірогідності дефіциту водного балансу;

3 - за багаторічною структурою необхідної подачі води (Р = Р_М %).

В представленій роботі наводиться методика вирішення даної задачі шляхом використання такого статистичного показника як “мода”, при цьому вірогідність модальних значень коливається в дуже широких межах і далеко не завжди складає 75%. Таким чином використання цього поняття суттєво змінює принцип вибору розрахункової вірогідності і зрошувальної норми загалом та дефіцитів водного балансу по місяцях чи декадах, що дозволяє вже на стадії проектування обґрунтовано зменшити величину зрошувальної норми, що для умов Лісостепу складає 700-1150м³/га.

Таблиця 3

Приклад характеристики вірогідносних рядів дефіциту водного балансу вегетаційного періоду цукрових буряків (МС Суми, 1945-1979 роки)

Період	Вірогідність, %	Модальне значення, мм	Вірогідність моди, %
	25	50	75	95
1. Вегетаційний період за сумою дефіциту водного балансу (W), мм	40	125	215	310	215	75
2. По декадах вегетаційного періоду (ДW), мм
Травень
II	-5	12	25	41	16,5	58
III	-15	11	29	54	25,0	69
Червень
I	2	21	31	43	25,5	60
II	-10	3	25	46	-8,5	27
III	-12	8	29	53	16,5	62
Липень
I	-20	4	25	40	15,0	63
II	-11	10	25	45	24,0	73
III	0	11	33	55	4,0	37
Серпень
I	4	23	38	54	32,5	68
II	-1	23	40	54	44,0	83
III	-13	12	30	53	14,0	53
Вересень
I	-7	7	20	37	13,5	62
II	-6	7	18	32	16,5	84
III	-8	1	11	25	-4,0	35
3. Вегетаційний період за сумою декадних дефіцитів водного балансу даної вірогідності (ДW), мм	-102	153	379	633	234,5	79

При встановленні зрошувальної норми сівозміни досить істотним фактором є цільове використання зрошуваної ділянки. В даному випадку суть такої постановки питання полягає в тому, що в умовах більш посушливих ніж розрахункові виникає питання розподілу води між культурами.

Стратегія розподілу води в цьому випадку залежить від варіанту використання зрошуваної ділянки або основної мети зрошення (максимальна вартість додаткової продукції - ВДВП = max; те ж при максимальній врожайності зернових культур - ВДВП = max при У_ЗЕР.= max; те ж при максимальній урожайності кормових культур - ВДВП= max при У_КОРМ.= max і т.п.). Таке положення пояснюється різним складом культур в сівозміні, їх різним відгуком на зрошення та різною ціною на продукцію.

Все це вказує на те, що вибір розрахункового року необхідно проводити не по окремих культурах, а по сівозміні в цілому з обов'язковим врахуванням варіанту використання системи. Таким чином в умовах сухіших за розрахункові () традиційне рішення полягає в забезпеченні водою всіх культур з якимось дефіцитом, тобто кожній культурі подається проектна зрошувальна норма (М_Р,i). У варіанті, що пропонується, при всі культури задовольняються водою в повній мірі, а при більш сухих умова (), розподіл поливної води проводять в залежності від цільового призначення зрошувальної системи чи сівозміни на ній.

Слід зазначити, що існуючі методики техніко-економічного обґрунтування або зовсім не враховують або враховують тільки частково основні положення такого розподілу води на системі (К.П.Арент, М.Г.Головченко, П.А.Гончаренко, П.І.Ковальчук, Л.Б.Лелявський, Л.М.Рекс, Е.А.Стельмах та інші).

Особливо необхідно відмітити, що існуючі нормативні документи однозначно вказують на необхідність техніко-економічного обґрунтування такого важливого показника меліоративної системи як проектна урожайність сільськогосподарської культури. Однак, оскільки урожайність культури в значній мірі визначається ступенем забезпечення її вологою, тому техніко-економічне обґрунтування проектної урожайності повинне виконуватись одночасно з обґрунтуванням водозабезпеченості культури.

Результати проведених реальних розрахунків однозначно вказують на істотний вплив варіанту цільового використання сівозміни на вірогідність зрошувальної норми, оптимальне значення якої по варіантах коливається в межах 50-95% (див. рис.5).

Рис.5 Характер залежності проектної зрошувальної норми сівозміни (М_Р) та вартості додаткової валової продукції (ВДВП) від вірогідності зрошувальної норми (Р_М) та варіанту використання системи:

I - ВДВП = max;

II - ВДВП = max при У_ЗЕР.= max;

III - ВДВП= max при У_КОРМ.= max.

При екологічному обґрунтуванні величини зрошувальної норми проблема полягає в тому, що при господарському використанні тих чи інших ґрунтів, їх водний режим повинен бути адекватним тим гідротермічним умовам, при яких йшов природній процес ґрунтоутворення.

Вихідними положеннями при цьому прийняте твердження І.П.Айдарова та А.І.Королькова про те, що розорювання та подальше використання ґрунтів веде до їх пересихання та потепління і компенсація цих явищ можлива при їх зрошенні.

При подальших конкретних розрахунках прийнята умова, що чорноземи потужні утворились при якомусь досить однозначному дефіциті водного балансу в період активної вегетації (), чи якомусь значенні гідротермічного коефіцієнту за цей же період ().

Встановлено, що для умов зони чорноземів потужних (МС Суми, Умань і Тернопіль) коефіцієнт водоспоживання, який забезпечує природний гідротермічний режим ґрунтоутворення в богарних умовах близький і коливається в межах 0,095-0,126мм/⁰С. Для забезпечення тих же умов при зрошенні величина зрошувальної норми складає:

- для МС Суми - 285-245 мм

- для МС Умань - 292-248 мм

-для МС Тернопіль - 221-176 мм

Ці величини с досить високими, але вірогідність їх знаходиться в межах 40-50%. Це в свою чергу вказує на те, що вірогідність зрошувальної норми культур в 75%, що рекомендованою для даної зони, є суттєво більшою за екологічно обмежену її величину.

Одним із основних складових режиму зрошення, як відомо, є встановлення величини поливної норми. При цьому визначення її за загально відомою залежністю показує, що практично (крім втрат води на випаровування) вона ніяк не залежить від умов природного зволоження.

Одержані таким чином розрахункові значення поливної норми (m_Р = 500-1000 м³/га) далеко не завжди приймаються виробництвом і особливо в зоні Лісостепу. Однією із причин цього є той факт, що практично на всій території України на протязі вегетаційного періоду існує досить висока вірогідність випадіння атмосферних опадів.

Неврахування цієї умови може привести до того, що атмосферні опади, які випадають після проведення поливу, ведуть до перезволоження ґрунту і утворення промивного режиму. Тому в цих умовах зволоження поливом всього активного шару ґрунту до гранично-польової вологоємкості є в деякій мірі спірним. Крім того сам факт насичення ґрунту до W_ГПВ викликає істотний капілярний скид води в нижні горизонти, що само по собі і є промивним режимом (І.П.Айдаров, О.І.Голованов, Н.М.Химін та інші).

В будь-якому разі зменшення післяполивної вологості ґрунту веде до зменшення інфільтрації води, що може бути критерієм встановлення величини поливної норми з метою створення умов так званого меліоративного, ґрунтозахисного чи адаптивного режиму зрошення (І.П.Айдаров, О.І.Голованов, О.І.Жовтоног, В.В.Морозов, Н.М.Химін та інші).

Існуючий довідковий матеріал та виробничий досвід показують, що в більш вологих природних умовах поливна норма повинна бути істотно меншою ніж в посушливих (Б.С.Маслов).

Існуюча нині методика встановлення величини поливної норми, запропонована В.П.Остапчиком, досить повно враховує умови природного зволоження, однак застосування цього методу є можливим і в повній мірі обґрунтованим тільки при встановленні експлуатаційного режиму зрошення, тобто при відомому ході дефіциту водного балансу.

У випадку формування проектного чи планового режиму пропонується уточнити величину можливої поливної норми (m₁) з врахуванням рівня природного зволоження в даній зоні. Тобто проблема полягає в тому, що при настанні засушливого періоду необхідно провести полив якомога скоріше, якомога на більшій площі, хоча і дещо меншою за розрахункову поливною нормою; так як в міжполивний період можливі атмосферні опади. Таким чином величина поливної норми, яку можна рекомендувати уже на стадії проектування (m₁), являє собою розрахункову (m_Р), зменшену на величину, яка враховує можливі атмосферні опади після кожного поливу (m).

З врахуванням наведеного величину поливної норми можна визначити як:

(3)

де m_p - розрахункова величина поливної норми, мм;

z - біокліматична поправка, яка враховує особливості конкретного періоду (а_о, d_ср) та вимоги культури до води в цей період (К):

(4)

де а_о - очікувана кількість атмосферних опадів в даний період, мм/доб.;

К - коефіцієнт біологічної кривої даної культури в даний період (по С.М.Алпатьєву);

d_СР - середньодобовий дефіцит вологості повітря в даний період, мб.

Розрахунки показують, що з врахуванням можливих опадів на протязі вегетаційного періоду для різних місяців, зон і культур ця поправка коливається в дуже широких межах і в зоні Лісостепу частіш за все складає 1,4-2,0. Це в свою чергу забезпечує необхідне значення післяполивної вологості ґрунту в розмірі 90-85% від ГПВ, або дозволяє зменшити потужність зволожуваного до ГПВ шару в 1,4-2,0 рази, що загалом забезпечує умову меліоративного чи адаптивного режиму зрошення.

Ідея рухомого зрошення, яка вперше була сформульована Д.Т.Зузиком (1951) і визначена А.Н.Костяковим як основна стратегія розвитку зрошення в умовах нестійкого природного зволоження, є актуальною і зараз, оскільки по суті передбачає найбільш повне і раціональне використання водно-земельних ресурсів. Однак складність її практичної реалізації через багатофакторну залежність параметрів не знайшла свого однозначного практичного вирішення і до теперішнього часу. Оскільки загальновідомим є те, що на існуючих зрошувальних системах досить часто існують невикористані об`єми води, доцільним є розгляд проблеми можливості збільшення площі поливу за рахунок так званих “земель - супутників” чи реалізувати принцип вказаного рухомого зрошення.

Вихідними положеннями при розгляді питання раціонального використання води на існуючій системі є наступні:

Система запроектована на якусь вірогідність зрошувальної норми (Р_М). В роки більш вологі ніж розрахункові всі культури в повній мірі задовольняються водою. В роки сухіші за розрахункові розподіл води між культурами визначається варіантом використання системи, тобто по принципу рухомого зрошення.

В роки вологіші за розрахункові на системі існує не реалізований об'єм води, яким можна поливати додаткові площі або так звані “землі - супутники”.

Зараз існує достатній позитивний досвід використання таких земель і їх переконливе обґрунтування (К.І.Шавва, 1972; К.П.Арент, 1979; Н.С.Горюнов, 1982; В.І.Благодатний, 1988 та інші). В цих роботах, як правило, мова йде про використання існуючого об'єму нереалізованої води через акумуляцію її в спеціальних водосховищах. Однак можливим є також і варіант обґрунтування розміру “земель - супутників” без попередньої акумуляції води, а полив цих земель проводити одночасно з поливом основної площі.

Все наведене вище однозначно вказує на те, що основним об'єктивним фактором формування резервного об'єму води на існуючій системі є невідповідність фактичних погодних умов розрахунковим, що і було взяте за основу при вирішенні даного питання.

Основним питанням такого обґрунтування є визначення оптимального розміру додатково зрошуваної площі (F_С) до площі основного зрошення (F). Вирішення цього питання можливе тільки при встановленні обґрунтованого об'єму резервної або нереалізованої на системі основного зрошення води. Цей об'єм залежить від зрошувальної норми сівозміни основного зрошення, її вірогідності (М_Р1) та умов природного зволоження.

На рисунку 6 наводиться схема методики такого визначення зрошувальної норми “земель-супутників” (М_С) та її забезпеченості (Р_С) при різних розмірах площ (F_C).

Таким чином зі збільшенням площі земель-супутників зменшується розрахункова зрошувальна норма на цих землях та її вірогідність. При цьому в багаторічному розрізі подача води на вказані землі опишеться лінією a¹bK. При вірогідності Р_i Р_М ці землі не будуть поливатись по причині відсутності резервної води, а при Р_i Р - по причині достатності природного зволоження.

Рис.6 Схема вибору параметрів земель-супутників:

1 - необхідна зрошувальна норма культур на землях-супутниках;

2, 3, 4 - можлива подача резервної води на землі-супутники при різних їх площах;

Р, Р_С, Р_М - відповідно вірогідність необхідності в зрошенні, вірогідність зрошувальної норми на додаткових та основних площах зрошення.

Суть подальших розрахунків зводиться до встановлення економічно доцільного варіанту (М_С, Р_С, F_С) для чого перш за все необхідно визначити об'єм додаткової продукції від такого укороченого зрошення. Приріст урожайності в цьому випадку може бути визначений по аналогії з представленою в розділі 3 методикою для умов регулярного зрошення з деякими особливостями, тобто шляхом реалізації моделі “урожай - водний фактор”.

Так як існуюча зрошувальна система запроектована на подачу води нормою М_Р1 і при поливі “земель-супутників” вона ніяк не збільшується, то можливим є твердження, що в першому наближенні достатнім критерієм вибору варіанту є вартість додаткової валової продукції. З другого боку встановлена таким чином величина додаткової площі можливого поливу може бути резервом збільшення загальної поливної площі зрошення з реалізацією принципу рухомого зрошення на ній.

Програмування - основа раціонального і ефективного управління процесами формування врожаю та його особливості в умовах зрошення

Програмування - цілеспрямоване управління процесами формування врожаю сільськогосподарських культур. Зрозуміло, що передумовою такого управління є встановлення кількісних залежностей урожайності від основних факторів росту, і перш за все лімітуючих. Відомо, що основними лімітуючими факторами є технологія вирощування культури та погодні умови.

При цьому технологія вирощування є в достатній мірі фактором регульованим, тобто піддається коригуванню в залежності як від стану посіву так і від існуючих погодних умов, хоча і характеризується відомою інертністю. Погодні ж умови, які являють собою перш за все співвідношення вологи і тепла та їх рівномірність на протязі вегетаційного періоду культури, є величиною випадковою, а значить можуть бути оцінені з точки зору їх вірогідності і так чи інакше враховані.

Саме програмування врожайності, по своїй суті визначає необхідність оптимізації умов вирощування, або створення умов стаціонарної зони впливу факторів. При цьому врахування основних принципів та етапів програмування є абсолютно обов`язковим (І.С.Шатилов, С.Д.Лисогоров, В.О.Ушкаренко, О.О.Собко).

Не викликає сумніву, що біологічною основою формування врожайності культури є підвищення продуктивності фотосинтезу, основним внутрішнім фактором якого при всіх інших рівних умовах є площа листової поверхні посіву, що в свою чергу, крім всього іншого, визначається густотою посіву (Х).

Для оцінки ролі та ступеню впливу цього показника на процес формування врожайності нами розроблена спеціальна методика, яка дозволяє визначити крім оптимальної густоти ще такі значення як базисна (Х₀), при якій конкуренція в посіві між окремими рослинами відсутня, та критична (Х_К), при якій конкуренція стає істотною.

Таким чином, при характеристиці густоти посіву і його впливу на урожайність культури доцільним можна вважати встановлення таких характерних параметрів:

- оптимальна густота посіву (Х_opt), а також відповідну їй продуктивність однієї рослини () і максимальний урожай посіву ();

- базисна густота посіву (Х₀) та максимальна індивідуальна продуктивність однієї рослини даного сорту в даних умовах ( при Х=Х₀);

- критична густота посіву (Х_К) при прийнятій істотності конкуренції (Р).

Наведені параметри є індивідуальними для кожного посіву, проте їх залежність від внутрішніх і зовнішніх факторів незаперечна, тому встановлення їх кількісних зв'язків з цими факторами може бути предметом подальших досліджень. Реалізація даної методики при оцінці власних експериментальних даних та даних ряду авторів показала її важливість, так як дає можливість більш повно кількісно і якісно визначити вплив густоти посіву на урожайність та оцінити конкурентну здатність посіву в залежності від забезпеченості факторами та умовами росту.

При врахуванні впливу на урожайність культури лімітуючих факторів проблема полягає з одного боку у встановленні кількісної оцінки їх впливу на урожайність культури, а з другого - встановленні вірогідності тих чи інших умов. При цьому пропонується кількісно оцінювати рівень агротехніки в господарстві, який може являти собою співвідношення фактичних і нормативних значень окупності добрив (органічних чи мінеральних) чи коефіцієнтів використання окремих елементів.

Основною характеристикою природних умов Півдня України є низька природна забезпеченість атмосферними опадами, яка навіть в самі вологі роки не забезпечує оптимального водного режиму посівів сільськогосподарських культур.

В кінцевому рахунку такі умови і визначають безальтернативність зрошення в цій зоні, як необхідної фонової умови для вирощування високих і сталих врожаїв. Це в свою чергу обґрунтовує необхідність вивчення кількісного впливу зрошувальної води на підвищення врожайності сільськогосподарських культур. Крім того, будучи по своїй суті інтенсивними, зрошувані землі вимагають вивчити можливі особливості деяких елементів технології вирощування культур в цих умовах.

Зрозуміло, що метою цього вивчення є найбільш повна оптимізація умов вирощування сільськогосподарських культур в даній зоні і в даних якісно змінених умовах. В свою чергу оптимізовані елементи технології на фоні оптимізації водного режиму і визначають рівень агротехніки вирощування конкретної культури.

...