_PAGE _1_

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата сельскохозяйственных наук

Суммарное водопотребление и инфильтрация при различных режимах орошения кукурузы на зерно на темно-каштановых почвах Заволжья

Специальность 06.01.02 - мелиорация, рекультивация и охрана земель

Трондин Сергей Александрович

Саратов - 2009

Диссертационная работа выполнена в Федеральном государственном общеобразовательном учреждении высшего профессионального образования "Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова".

Научный руководитель:

кандидат сельскохозяйственных наук, профессор Чумакова Людмила Николаевна

Официальные оппоненты:

заслуженный деятель науки РФ, доктор сельскохозяйственных наук, профессор Денисов Евгений Петрович

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Чамышев Алексей Васильевич

Ведущая организация:

ФГНУ "Волжский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации".

Защита состоится 15 мая в 10: 00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.061.05 при Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова" по адресу: 410012. г. Саратов. Театральная пл., 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО "Саратовский ГАУ".

Автореферат разослан 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор сельскохозяйственных наук, профессор Н.А. Пронько

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Кукуруза - одна из важнейших кормовых и зерновых сельскохозяйственных культур. По урожайности зерна, зеленой массы, универсальности использования, выходу кормовых единиц с 1 га она превосходит многие культуры, за исключением сахарной свеклы.

Кукуруза чрезвычайно отзывчива на орошение. По режимам орошения этой культуры проведено значительное количество исследований. Однако, вопросы, связанные с потерями воды на инфильтрацию, при возделывании кукурузы на зерно недостаточно изучены. Известно, что орошению сопутствуют такие экологически неблагоприятные явления, как подъем уровня грунтовых вод, засоление и другие, снижающие плодородие почв. Причинами таких явлений являются не только потери из оросительной сети, отсутствие дренажных систем, но и инфильтрационные потери поливной воды на орошаемых полях, которые отдельно не определяются и, как правило, включаются в суммарное водопотребление, что приводит к завышению оросительных норм. Поэтому исследования, направленные на изучение суммарного водопотребления и инфильтрационных потерь при различных режимах орошения зерновой кукурузы, представляются нам актуальными.

Целью исследований является определение инфильтрационных потерь при различных режимах орошения кукурузы на зерно для выявления ресурсосберегающего режима орошения, а также для получения достоверных параметров расчета суммарного водопотребления, влагозапасов и сроков поливов зерновой кукурузы.

В связи с этим в задачи исследований входило:

определить влияние различных режимов орошения на суммарное водопотребление и урожайность кукурузы на зерно;

экспериментально определить водно-физические свойства темно-кашта-новой почвы;

получить основную гидрофизическую характеристику (ОГХ) темно-каштановых почв, а также определить коэффициенты фильтрации и влагопроводности в зависимости от влажности и давления почвенной влаги;

определить величину влагопереноса (инфильтрации) за пределы корнеобитаемого слоя зерновой кукурузы при различных режимах орошения в разные по влагообеспеченности годы;

установить биоклиматические коэффициенты и интегральные кривые суммарного водопотребления кукурузы, а также коррективы к ним, учитывающие метеорологические особенности расчетных периодов и складывающийся режим почвенной влаги, позволяющие проводить расчет суммарного водопотребления и сроков поливов.

дать экономическую и энергетическую оценку эффективности разных режимов орошения кукурузы на зерно.

Основные положения, выносимые на защиту:

структура элементов водного баланса при различных режимах орошения кукурузы на зерно;

величина инфильтрационных потерь при различных режимах орошения;

эмпирические зависимости коэффициентов влагопроводности от влажности для почв и грунтов разного гранулометрического состава;

биоклиматические коэффициенты суммарного водопотребления кукурузы на зерно в зависимости от нарастающих сумм приведенных температур и интегральные кривые суммарного водопотребления.

Научная новизна исследований заключалась в том, что:

впервые для условий Саратовского Заволжья в структуре элементов водного баланса орошаемого поля кукурузы на зерно выделены инфильтрационные потери при осуществлении различных режимов орошения в разные по увлажненности годы;

орошение инфильтрация кукуруза ресурсосберегающий

уточнены биоклиматические коэффициенты кукурузы на зерно, рассчитанные по величине водопотребления, определенного методом водного баланса, из которого вычитались инфильтрационные потери;

экспериментально определены зависимости коэффициентов влагопроводности от влажности и давления почвенной влаги, позволившие рассчитать величину влагопереноса.

Практическая значимость работы:

Применение дифференцированного режима орошения кукурузы, при котором предполивная влажность поддерживается на уровне 70 - 80 - 70 % НВ в расчетном слое 0,7 м, обеспечивает снижение инфильтрационных потерь на 15 - 20 % по сравнению с интенсивным режимом.

Этот режим орошения (70 - 80 - 70 % НВ) зерновой кукурузы внедрен на полях хозяйств ЗАО "Агрофирма "Волга" Марксовского района и ООО "Товарное хозяйство" Энгельсского района. При этом сроки поливов кукурузы рассчитывались по полученным биоклиматическим коэффициентам и поправкам к ним, а оросительная норма была снижена на 20 %. Урожайность культуры в хозяйствах возросла в среднем на 0,8 т/га.

Апробация работы

Основные результаты исследований и основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских научно-практических конференциях "Вавиловские чтения" (Саратов, 2005 - 2006), научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и научных сотрудников СГАУ им.Н.И. Вавилова 2006 - 2009.

Публикации. Опубликовано 8 печатных работ, в том числе по материалам диссертации - 7, общим объемом 2,3 п. л., из них авторских - 0,78 п. л. Две работы опубликованы в журналах, входящих в перечень ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Работа изложена на 121 странице, состоит из введения, шести глав, общих выводов и списка цитируемой литературы, содержащего 186 источников, в том числе 7 на иностранных языках, иллюстрирована 35 рисунками, 27 таблицами и 8 приложениями.

Личный вклад. Автором лично выполнены полевые исследования, обработан, анализирован и обобщен полученный полевой материал. Проведена экономическая и энергетическая оценка результатов. Личный вклад составил 80 %.

Содержание работы

Условия проведения исследований

Экспериментальные исследования проводились в 2006 - 2008 гг. на орошаемых полях, расположенных в ООО "Товарное хозяйство" Энгельсского района Саратовской области. Возделывался гибрид кукурузы на зерно Поволжский 89 МВ.

Климат района исследований засушливый, резко - континентальный. Среднегодовая температура воздуха +5,2°С; сумма осадков за год - 340 - 360 мм. Годы исследований по метеорологическим условиям характеризуется следующим образом: 2006 г. - среднезасушливый с осадками за период вегетации меньшими нормы; 2007 г. - наиболее засушливый из трех лет исследований с высокими температурами и дефицитами влажности воздуха и периодически выпадающими осадками, превышающими осадки 2006 г. на 67%; 2008 г. - влажный, с меньшими температурами и дефицитами влажности воздуха но примерно таким же количеством осадков, как и в 2007 г.

Почвы опытного участка террасовые, темно-каштановые средней мощности, слабо солонцеватые, глинистые. Под ними до глубины 1,40 - 1,60 м залегают шоколадные глины, трещиноватые в сухом состоянии и сильно уплотняющиеся при увлажнении. Глины подстилаются легкими суглинками, переходящими в дальнейшем в супеси и пески. Профиль описываемой почвы не засолен. В песках на глубине 8-10 м расположены слабоминерализованные (0,5 г/л) грунтовые воды. Грунты зоны аэрации имеют слоистое строение.

Мощность гумусового горизонта 26 - 28 см. Содержание гумуса в описываемых почвах колеблется от 3,38% до 3,71%. Содержание в 100 г почвы гидролизуемого азота 3,58 - 5,42 мг; подвижного фосфора среднее 1,2 - 3,2 мг (по Мачигину), обменного калия высокое 31,0 - 32,0 мг (по Масловой).

Схема опыта

Опыт проводился на четырех вариантах, размещенных рендомизированным методом и заложенных в четырехкратной повторности.

Схема опыта по предполивным порогам была следующая:

I вариант - 70-70-70 % от наименьшей влагоемкости (НВ) - умеренный режим орошения;

II вариант - 70-80-70 % НВ - дифференцированный (проведение интенсивных поливов в период от выметывания до потемнения нитей початков);

III вариант - 70-70-80 % НВ - дифференцированный (проведение интенсивных поливов от потемнения нитей початков до молочно-восковой спелости);

IV вариант - 80-80-80 % НВ - интенсивный.

Расчетный слой был принят глубиной 0,7 м. Полив проводился дождевальной машиной "Фрегат" ДМУ - Б 434 - 90.

Методика исследований

Для определения потенциалов (давлений) почвенной влаги и величины влагопереноса были изготовлены и установлены тензиометры на всех вариантах в 4-х кратной повторности горизонтально в шурфах на глубинах 0,30; 0,60; 0,90; 1,20 м и вертикально в скважинах до глубины 2,50 м. Кроме того, на неорошаемом участке также устанавливались тензиометры для получения в режиме иссушения ОГХ при более низкой влажности, чем предполивные пороги на вариантах опыта.

Плотность почвы определялась в трёхкратной повторности в начале и конце вегетации кукурузы каждый год по методике С.В. Астапова (1958). Образцы отбирались через каждые 10 см в первом метре и через каждые 20 см во втором метре путём взятия проб почвенным буром А.Н. Качинского. Наименьшая влагоемкость определялась до глубины 2,0 м методом затопления площадок. Фактическая поливная норма нетто, поступившая на поле и осадки учитывались осадкомерами Третьякова, установленными на высоте 2,0 м, а на поверхности почвы осадки учитывались почвенными дождемерами. Влажность определяли каждую декаду вегетационного периода, а также до и после поливов, после обильных осадков. Использовали термостатно-весовой и тензиометрический методы.

Суммарное водопотребление кукурузы (ЕТ) определялось по уравнению водного баланса:

ЕТ = W_н - W_к + m_нетто + Х - f, (1)

где W_н и W_к - запасы влаги в расчетном слое почвы соответственно в начале и конце расчетного периода, мм; Х, m_нетто - осадки и поливы, поступившие на поверхность почвы, мм; f - инфильтрационные потери, мм.

Ежедекадно рассчитывались биоклиматические коэффициенты К_фак:

, (2)

где УЕT_фак и Уd_фак - соответственно суммарное водопотребление и дефицит влажности воздуха за каждую декаду. Были рассчитаны средние биоклиматические коэффициенты кукурузы К_ср и поправки к ним, рекомендуемые И.А. Кузником. Поправки на влажность ц₁ рассчитывались по формуле:

ц₁ = , (3)

где W_н и W_к означают то же, что и в формуле (1), а величина W_ср - средние влагозапасы за расчетную декаду, определяемые выражением W_ср = , W₀ и W_{FC -} влагозапасы до и после полива при наименьшей влагоемкости.

Поправки на метеорологические условия расчетного периода конкретного года, отличающегося от среднемноголетнего, определялись выражением:

ц₂ = , (4)

где все обозначения прежние.

Величина инфильтрационных потерь определялась по обобщенному уравнению Дарси при использовании термодинамической теории потенциалов почвенной влаги:

, (5)

где f - удельный расход влаги; ДФ - разность потенциалов почвенной влаги, м; h - глубина слоя, м; К_И - коэффициент влагопроводности, мм/сут, t - период наблюдений, сут.

По данным фактической влажности и показаниям тензиометров строилась основная гидрофизическая характеристика (ОГХ) для разных слоев. В последующем эта характеристика для почвенных слоев использовалась для уста-новления сроков поливов, а для более глубоких слоев при расчете инфильтра-ционных потерь.

Коэффициент влагопроводности определялся нами экспериментально по методике, описанной Л.М. Рексом (1971) и А.И. Хохловым (1988). В каждой литологической разности, слагающей зону аэрации, отрывался отдельно монолит. Повторность установки датчиков в каждом монолите была трехкратной.

Фенологические наблюдения на исследуемом участке проводили по всем вариантам опыта в двух несмежных повторениях. Учет густоты стояния в посевах кукурузы в течение вегетационного периода проводили два раза: первый - в период полных всходов, второй - перед уборкой урожая. Учет урожая проводили сплошным методом на учетных делянках размером 50 м², общая площадь которых составляла 800 м² (Доспехов Б.А., 1973). Агротехника на всех вариантах была одинаковой и общепринятой для Саратовского Заволжья.

Энергетическую эффективность рассчитывали по методике академика М.М. Севернева (1991), экономическую эффективность - по методике разработанной в СГАУ (Мишин В.Н. и др., 2001).

Результаты исследований

Водный баланс орошаемого поля зерновой кукурузы

На всех вариантах опыта определялись фактические предполивные пороги влажности, представленные в таблице 1, рассчитывались элементы водного баланса, сроки проведения поливов и по данным влажности строились хроноизоплеты и эпюры влажности за все годы исследований. Элементы водного баланса орошаемого поля кукурузы за период исследований с 2006 по 2008 гг. представлены в таблице 2.

Первый год исследований относился к среднезасушливому с небольшими осадками. В этом году на всех вариантах опыта было самое большое использование влагозапасов, т.е. к уборке кукурузы влажность опускалась ниже предполивных порогов. На всех вариантах были самые низкие за 3 года инфильтрационные потери, их величина изменялась от 34 мм до 52 мм, или в % от ЕТ - от 7,7% до 10,7%.

В 2006 г. на варианте с умеренным режимом орошения 70 - 70 - 70 % НВ было проведено 4 полива оросительной нормой 280 мм; на варианте с интенсивным режимом орошения было дано 7 поливов оросительной нормой 310 мм; при дифференцированных режимах орошения на вариантах II и III (70 - 80 - 70 % НВ и 70 - 70 - 80 % НВ) было проведено соответственно 5 и 6 поливов оросительными нормами 340 и 370 мм.

Из трех лет исследований 2007 г. характеризуется как наиболее засушливый. Несмотря на то, что в этом году осадков выпало 182 мм, т.е. на 67 % больше, чем в 2006 г. (109 мм), количество поливов по вариантам осталось прежним. Следовательно, осталась прежняя и оросительная норма, но суммарное водопотребление возросло в связи с тем, что в этом году стояли более высокие температуры и дефициты влажности воздуха, особенно в конце мая, в конце июля и августе месяце в отдельные дни температура превышала 37°С.

1. Фактические предполивные пороги влажности на вариантах опыта по годам исследований

Год исследований	Предполивной порог влажности, % НВ	Оросительная норма, mnt, мм	Число поливов, n	Номера поливов
				1	2	3	4	5	6	7
2006	70-70-70	280	4	70,2	68,7	70,3	68,9
	70-80-70	310	5	70,1	68,5	80,0	81,1	69,7
	70-70-80	340	6	72,0	71,1	69,8	80,1	80,5	81,2
	80-80-80	370	7	80,8	79,2	80,4	79,5	81,0	80,0	79,1
2007	70-70-70	280	4	71,1	69,1	70,2	68,7
	70-80-70	310	5	70,1	70,3	81,0	80,0	69,8
	70-70-80	345	6	68,7	70,1	68,7	80,6	79,8	81,5
	80-80-80	363	7	80,4	81,2	81,0	79,4	82,1	78,6	79,8
2008	70-70-70	210	3	71,0	69,1	70,0
	70-80-70	240	4	71,0	80,8	79,9	70,1
	70-70-80	284	5	71,3	69,3	69,0	79,7	81,0
	80-80-80	302	6	80,6	80,2	80,0	79,7	80,8	79,0

2. Элементы водного баланса за годы исследований

Год иссле-дований	Предполивной порог влажнос-ти, % НВ	Осадки Х, мм	Ороси-тельная норма, mnt, мм	Использование почвенных влагозапасов ДW, мм	Инфильтрация, ѓ	Суммарное водопотребление ЕТ, мм
					мм	% от ЕТ
2006	70-70-70 70-80-70 70-70-80 80-80-80	109 109 109 109	280 310 340 370	84 81 68 65	34 39 47 52	7,7 8,5 10,0 10,6	439 461 470 492
2007	70-70-70 70-80-70 70-70-80 80-80-80	182 182 182 182	280 310 345 363	60 54 42 51	40 44 53 62	8,3 8,8 10,3 11,6	482 502 516 534
2008	70-70-70 70-80-70 70-70-80 80-80-80	197 197 197 197	210 240 284 302	43 50 26 35	38 45 54 63	9,2 10,2 11,9 13,3	412 442 453 471
среднее	70-70-70 70-80-70 70-70-80 80-80-80	163 163 163 163	257 287 323 345	62 62 45 50	37 43 51 59	8,3 9,2 10,6 11,8	444 468 480 499

Суммарное водопотребление на всех вариантах достигало самых высоких значений за годы исследований и составило 482, 502, 516 и 534 мм. Большее количество осадков вызвало увеличение инфильтрационных потерь на всех вариантах. Их величина варьировала от 40 мм до 62 мм.

Таким образом, в 2007 г. на первом варианте (70 - 70 - 70 % НВ) проведено 4 полива оросительной нормой 280 мм; на втором варианте (70 - 80 - 70 % НВ) - 5 поливов оросительной нормой 310 мм; на третьем варианте (70 - 70 - 80 % НВ) - 6 поливов нормой 345 мм; на четвертом варианте (80 - 80 - 80 % НВ) - 7 поливов оросительной нормой 363 мм.

В 2008 г. количество выпавших осадков сравнимо с осадками 2007 г., всего на 15 мм больше, но температуры и дефициты влажности воздуха были ниже, поэтому оросительные нормы на всех вариантах были уменьшены. Количество поливов по вариантам было также меньше и изменялось от 3 до 6. Величина суммар-ного водопотребления в этот год была наименьшая и изменялась от 412 до 471 мм. В этот год наблюдались наибольшие различия ЕТ по вариантам (табл.2).

Ежегодно по данным о влажности на всех вариантах строились хроноизоплеты влажности, наглядно иллюстрирующие динамику почвенной влаги как во времени, так и по глубине. На рисунке 1 представлены хроноизоплеты, полученные в 2006 г. на IV варианте (80 - 80 - 80 % НВ).

Рис.1. Хроноизоплеты влажности (в % от массы сухой почвы) на IV варианте (80-80-80 % НВ) в 2006 г.

На рисунке 2 представлено распределение влаги на IV и II вариантах после проведения последнего полива в августе 2008 г. На IV варианте полив проводили при влажности щ₀ = 80 % НВ и осадки, выпавшие сразу после полива, создали влажность выше НВ, следствием чего стали возросшие потери на инфильтрацию. На II варианте (70 - 80 - 70 % НВ) полив проводился при более низкой влажности и осадки величиной в 20 мм выпали через 9 дней после полива, что не создало такой высокой влажности, как на IV варианте (80 - 80 - 80 % НВ).

Рис.2. Распределение влаги на IV (80-80-80% НВ) ^____ и II вариантах (70-80-70% НВ) - ---- - после проведения последнего полива в августе 2008 г.

Наибольшее среднесуточное потребление влаги на всех вариантах было в критический период - от начала выметывания метелок до потемнения нитей початков. В среднем за три года оно составило 4,8 - 5,6 мм/сут (табл.3).

3. Суммарное водопотребление по фазам развития кукурузы на зерно в среднем за 2006 - 2008 гг

Период вегетации	Сумма среднесу-точных температур Уt,°С	Суммарное водопотребление УЕТ, мм	Среднесуточное водопотребление ЕТср, мм/сут	Биоклиматические коэффициенты К, мм/мб
Посев - всходы	201	16,9	1,8	0,24
Всходы - 5 листьев	268	35,8	2,4	0,23
5 - 7 листьев	234	34,5	3,2	0,29
7 - 13 листьев	399	68,2	3,9	0,38
13 листьев - выметывание метелок	163	34,7	5,0	0,39
Выметывание метелок - молочная спелость	474	117,2	5,3	0,41
Молочная спелость - молочно-восковая спелость	504	93,3	4,5	0,37
Молочно-восковая спелость - полная спелость зерна	509	67,8	2,3	0,27
Посев - полная спелость	2752	468,3	3,6

После прохождения критического периода суммарное водопотребление культуры значительно снижалось и изменялось до 4,5 и 2,3 мм/сут.

Биоклиматические коэффициенты кукурузы и коррективы к ним

По данным водно-балансовых исследований были рассчитаны биоклиматические коэффициенты за каждый год и средние за 18 лет с использованием данных автора за три года, а также данные Л.Н. Чумаковой, А.И. Хохлова (1990-2000), Ф.П. Терентьева (1971-1974). На рис.3 приведены зависимости биоклиматических коэффициентов кукурузы от температур воздуха для наиболее контрастных по метеорологическим условиям 2006 и 2007 гг. В расчетах биоклиматических коэффициентов К_фак из величины суммарного водопотребления вычитались инфильтрационные потери, определенные тензиометрическим методом.

Анализ биоклиматических коэффициентов, полученных в разные по увлажненности годы, подтверждает их временную изменчивость, о которой говорится в работах многих авторов на протяжении последних двух десятилетий.

Рис.3. Зависимость биоклиматических коэффициентов от суммы приведенных температур К_фак = f (Уtпр) для зерновой кукурузы.

Из рисунка видно, что кривая менее засушливого 2006 г расположилась выше кривой 2007 г. Максимальные значения К_фак в этот год достигали 0,57 мм/мб, тогда как в 2007 г. они снижались до 0,49 мм/мб. Это объясняется тем, что в засушливые годы по сравнению с влажными дефицит влажности воздуха возрастает гораздо интенсивнее, чем суммарное водопотребление.

Такую же закономерность наблюдали И.А. Кузник (1979), Л.Н. Чумакова (1998), С.С. Шилкина (2002), И.П. Колядина (2004).

В таблице 4 приведены рассчитанные нами поправки, учитывающие отклонение метеорологических условий расчетного периода от среднемноголетних, т.е. ц₂ =f (Уd_фак/Уd_ср). Результаты статистической обработки показали, что коэффициент вариации С_V изменялся от 11,2 до 13,1%.

4. Поправки ц₂ к средним биоклиматическим коэффициентам зерновой кукурузы

Уdфак/dср	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0	1,1	1,2	1,3	1,4	1,5	1,6
ц2	1,31	1,24	1,08	1,04	1,02	1,09	0,94	0,87	0,82	0,79	0,75	0,72

Интегральные кривые суммарного водопотребления

В нашей работе мы рассмотрели зависимость интегральных значений суммарного водопотребления зерновой кукурузы от сумм дефицитов влажности воздуха нарастающим итогом от всходов до конца вегетации.

В течение вегетационного периода кукурузы может происходить рост или снижение транспирации и испарения с поверхности почвы, но за возрастающие периоды наблюдений суммарное водопотребление обязательно нарастает при одновременном нарастании суммы дефицитов влажности воздуха.

На рисунке 4 представлены такие интегральные кривые, построенные по данным водного баланса с учетом инфильтрации за 2006, 2007 и 2008 гг. Кривые расположились следующим образом.

Нижняя кривая характеризует засушливый 2007 г., когда сумма дефицитов влажности воздуха за период вегетации кукурузы составила 1673 мб, а суммарное испарение 502 мм. Выше расположились кривые 2006 и 2008 гг. Им соответствовали более низкие значения сумм дефицитов влажности 1375 мб и 1298 мб, соответственно, при более низком суммарном водопотреблении в 461 мм и 442 мм.

Рис.4. Интегральные кривые суммарного водопотребления кукурузы гибрида Поволжский 89МВ в зависимости от сумм дефицитов влажности воздуха.

Подобное положение кривых в разные по метеорологическим условиям годы является следствием опережающего роста Уd_фак над УЕТ_фак. В засушливые годы благодаря интенсивному росту Уd_фак по сравнению с УЕТ_фак, одно и тоже значение суммы дефицитов влажности воздуха от момента массовых всходов соответствует меньшим значениям суммарного водопотребления, наблюдаемым за более короткий период времени по сравнению с влажными годами, что обуславливает такое расположение кривых на рисунке 4. Однако, за всю вегетацию суммарное водопотребление в засушливые годы превышает водопотребление влажных лет. Интегральные кривые суммарного испарения могут быть использованы при прогнозировании водопотребления кукурузы на зерно за возрастающие отрезки времени (декаду, месяц, период вегетации).

Результаты термодинамических исследований передвижения почвенной влаги

Основная гидрофизическая характеристика почв и грунтов

Основную гидрофизическую характеристику почв и грунтов (ОГХ) мы определили экспериментально в поле при одновременном определении влажности термостатно-весовым методом и давления почвенной влаги с помощью тензиометров. Она представлена в диссертации для глубины 0-0,30; 0,30-0,60; 0,60-0,90; 1, 20-1,50 и 1,50-2,00 м. Был изучен вопрос влияния гистерезиса на ОГХ, но в условиях Заволжья при проведении полевых исследований происходит постепенное более или менее длительное иссушение почв, сменяющееся кратковременными периодами быстрого увлажнения в результате выпадения осадков, поливов, снеготаяния. Поэтому для изучения влагообеспеченности растений важнее знать десорбционную ветвь гистерезисной петли (Судницин И.И., 1964).

Полученные зависимости давления почвенной влаги от влажности почв и грунтов использовались нами в расчетах инфильтрационных потерь в двухслойной толще глин и легких суглинков и при установлении сроков поливов для почвенного слоя. На вариантах полив назначали при давлении Р = 12-16 кПа в почвенном слое при выдерживании предполивной влажности 80 % НВ, а при снижении влажности до 70 % НВ - при Р = 18 - 22 кПа.

Коэффициенты фильтрации и влагопроводности

Для расчета величины инфильтрационных потерь использовались значения коэффициентов фильтрации К_ф и влагопроводности К_И, полученные в полевых опытах на больших монолитах. После насыщения монолита процесс фильтрации влаги в нем поддерживался в течение десяти суток, после чего был определен коэффициент фильтрации, составивший для шоколадной глины 2,2 мм/сут. Определив коэффициент фильтрации, мы при разных влажностях определяли коэффициенты влагопроводности.

На рисунке 5 представлены полученные зависимости коэффициентов влагопроводности от влажности для глин и легких суглинков. Статистическая обработка установила для глин С_v = 15,3%, для суглинков С_v = 19,2%.

Известно, что зависимости К_И=f (И) подвержены гистерезису незначительно.

Поэтому кривые, представленные на рисунке 5, справедливы для этих грунтов и при процессе адсорбции влаги.

Рис.5. Зависимость коэффициента влагопроводности К_И от влажности.

Расчетные значения влагопереноса

По показаниям тензиометров, установленных на вариантах опыта в 2006-2008 г., нами были построены эквипотенциали, характеризующие процесс влагопереноса, как во времени, так и по глубине, и позволяющие определить направление потока в любой момент времени и градиент потенциала. В соответствии с режимом почвенной влаги, различном на указанных вариантах, эквипотенциали очерчены неодинаково. На рисунке 6 представлены эквипотенциали на II варианте (70-80-70 % НВ) в 2007 г., на котором инфильтрационные потери были меньше по сравнению с вариантами III (70-70-80 % НВ) и IV (80-80-80 % НВ).

Рис.6. Эквипотенциали на II варианте (70-80-70 % НВ) в 2007 г (потенциалы даны в кПа).

Характерным для всех рисунков является возрастание потенциалов после поливов и обильных осадков и преимущественное передвижение влаги по направлению вниз по профилю.

Так как значения потенциалов резко возрастают после поливов и осадков, изолинии здесь прерываются.

При этом влияние обильного увлажнения проявляется в основном до глубины 1,00 - 1,50 м. Перед поливом потенциалы почвенной влаги снижаются до 10 - 25 кПа в расчетном (0,70м) слое.

Таким образом, наблюдения за изменениями потенциалов до глубины 2,5 м показали, что хотя расчетный слой увлажнения принят глубиной 0,70 м, фактическое передвижение влаги при поливах происходит глубже, до 2-х метров и более, следовательно, часть поливной нормы не потребляется растениями и представляет дополнительные потери на инфильтрацию (табл.5).

5. Инфильтрационные потери на вариантах опыта за годы исследований 2006 - 2008.

Варианты опыта, % НВ	Годы исследований
	2006	2007	2008	среднее
	f, мм	% от ЕТ	f, мм	% от ЕТ	f, мм	% от ЕТ	f, мм	% от ЕТ
70-70-70	34,0	7,7	40,0	8,3	38,0	9,2	37,3	8,4
70-80-70	39,0	8,5	44,0	8,8	45,0	10,2	42,7	9,2
70-70-80	47,0	10,0	53,0	10,3	54,0	11,9	51,3	10,7
80-80-80	52,0	10,6	62,0	11,6	63,0	13,3	59,0	11,8

Как показали результаты исследований, инфильтрация зависит от метеорологических условий, величины оросительной нормы и осадков, сроков проведения поливов и выпадения осадков. В таблице 5 представлено значение инфильтрации по вариантам в разные по увлажненности годы и в среднем за три года исследований. На интенсивном варианте (80-80-80 % НВ) инфильтрация распределилась более или менее равномерно по межполивным периодам. При поливах большими поливными нормами эта равномерность нарушается. Инфильтрация возрастает после поливов, становясь меньше в межполивные периоды и в целом за вегетацию. В годы с большим количеством осадков и инфильтрация оказывается больше, чем в годы с меньшим количеством осадков. Так в 2008 г. инфильтрация изменялась от 9,2 до 13,3 % от ЕТ, в то время как в 2006 г. от 7,7 до 10,6 % от ЕТ. Таким образом, в годы с незначительными осадками, когда режим увлажнения в основном определяется поливами, проведенными в строго расчетные сроки, инфильтрация будет меньше, чем в годы с большим количеством осадков, когда увлажнение определяется как поливами, так и осадками, иногда выпадающими после поливов. Наименьшей была инфильтрация на вариантах 70-70-70 % НВ и 70-80-70 % НВ.

Урожайность и энерго-экономическая эффективность

Различные режимы орошения по вариантам опыта, обусловившие разные оросительные и поливные нормы, их число и сроки проведения, повлияли не только на динамику почвенной влаги, но и на урожайность зерна кукурузы (табл.6).

6. Урожайность зерна кукурузы гибрида Поволжский 89 МВ по вариантам опыта за годы исследований, т/га

Годы исследований	Варианты по предполивным порогам, % НВ	НСР05, т/га
	70-70-70	70-80-70	70-70-80	80-80-80
2006	4,55	4,97	5,10	5,22	0,12
2007	4,95	5,31	5,45	5,60	0,11
2008	4,34	4,80	5,01	5,12	0,09
В среднем за 3 года	4,61	5,03	5, 19	5,31	0,10

За все годы исследований наиболее высокая урожайность зерна кукурузы получена на варианте с интенсивным увлажнением 80-80-80 % НВ, составившая в среднем по годам 5,31 т/га.

На этом же варианте были самые высокие затраты энергии на 1 т зерна составившие 7,48 ГДж, самые большие инфильтрационные потери и самый низкий коэффициент энергетической эффективности 2,02.

На вариантах с дифференцированным увлажнением средняя урожайность за три года была несколько ниже и составила 5,04 т/га - на II варианте (70-80-70 % НВ) и 5,19 т/га - на III варианте (70-70-80 % НВ). При снижении предполивного порога влажности до 70 % НВ на I варианте урожайность зерна снижалась до 4,79 - 4,58 т/га (табл.3). Однако, при этом уменьшались инфильтрационные потери на вариантах I, II и III по сравнению с вариантом IV. Режим орошения на II варианте (70-80-70 % НВ) оказался наиболее энергетически выгодным. В этом случае коэффициент энергетической эффективности в среднем за три года составил 2,12.

Расчет экономической эффективности показал, что наиболее экономически выгодным оказался II вариант (70-80-70 % НВ), так как за три года исследований на этом варианте была самая низкая себестоимость (5,01 тыс. руб/т) основной продукции, самый высокий условный чистый доход (17,58 тыс. руб. с 1 га) и уровень рентабельности (69,6%).

Основные выводы

1. Суммарное водопотребление зерновой кукурузой было наибольшим на IV варианте (80-80-80 % НВ) за все три года исследований. На этом же варианте была самая высокая урожайность, в среднем составившая 5,31 т/га, оросительная норма, и инфильтрационные потери. Применение дифференцированного режима орошения (70-80-70 % НВ) позволяет снизить на 20 % оросительную норму и инфильтрационные потери. При этом снижение урожайности не превышает 5-6 %.

2. Метод водного баланса, используемый в наших исследованиях, завышает суммарное водопотребление на величину инфильтрационных потерь, определяемых термодинамическим методом, которые за годы исследований изменялись от 34 до 63 мм. С уменьшением величины осадков инфильтрация также уменьшается до 34 мм на варианте 70-70-70 % НВ, а на варианте 80-80-80 % НВ - до 52 мм в 2006 г.

3. Величина среднесуточного водопотребления кукурузы на зерно изменялась в зависимости от метеорологических условий, фазы развития и влаж-ности почвы. Наибольшее среднесуточное потребление влаги кукурузой на зерно на всех вариантах наблюдалось в критический период - от нача-ла выметывания до потемнения нитей початков. В среднем за три года оно составило 4,8 - 5,6 мм/сут. После прохождения критического периода водопотребление значительно снижалось и изменялось до 4,5 и 2,3 мм/сут.

4. Результаты исследований позволили установить биоклиматические коэффициенты в разные по увлажненности годы, изменяющиеся от 0,28 до 0,57 мм/мб в 2006 г. и от 0,20 до 0,49 мм/мб в более засушливом 2007 г. и дополнить имеющийся 15 летний ряд данных, что позволило пересчитать средние региональные биоклиматические коэффициенты кукурузы на зерно.

5. Определены коэффициенты фильтрации, составившие 2,2 мм/сут для шоколадной глины и 200 мм/сут для легких суглинков, а также зависимости коэффициентов влагопроводности от влажности и основные гидрофизические характеристики почв и грунтов, позволившие более точно рассчитать величину влагопереноса и уточнять сроки поливов по давлению почвенной влаги.

6. Наиболее энергетически эффективным оказался II вариант (70-80-70 % НВ), где коэффициент энергетической эффективности составил 2,12, в то время как на вариантах I (70-70-70 % НВ), III (70-70-80 % НВ), и IV (80-80-80 % НВ) его величина соответственно была 2,04; 2,09 и 2,02.

7. Расчет экономической эффективности показал, что наиболее экономически выгодным представляется II вариант (70-80-70 % НВ), так как за три года исследований на этом варианте была самая низкая себестоимость (5,01 тыс. руб/т) основной продукции, самый высокий условный чистый доход (17,58 тыс. руб. с 1 га) и уровень рентабельности (69,6%).

Рекомендации производству

1. Для получения устойчивых урожаев зерна кукурузы гибрида Поволжский 89 МВ на уровне 5 т/га, снижения инфильтрационных потерь и уменьшения оросительной нормы на 20% в засушливых условиях Заволжья на темно-каштановых почвах необходимо применять дифференцированный режим орошения 70-80-70 % НВ с проведением интенсивных поливов в критический период культуры (от выметывания метелки до потемнения нитей початков).

2. Полученные в результате исследований биоклиматические коэффициенты и поправки к ним рекомендуются для расчета эксплуатационных ре-жимов орошения кукурузы на зерно, а интегральные кривые суммарного водопотребления для лет разной влагообеспеченности по дефициту вод-ного баланса - для водобалансовых расчетов при проектировании режимов орошения.

Список работ опубликованных по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

Чумакова, Л.Н. Впитывание влаги в темно-каштановую почву Заволжья / Л.Н. Чумакова, С.А. Трондин // Вестник Саратовского госагроуниверситета им.Н.И. Вавилова. - 2007. - №2. - С.16-18.

Григоров, М. С.Н.И. Вавилов об ирригации в Заволжье и актуальность его учения сегодня / М.С. Григоров, Л.Н. Чумакова, Е.В. Аржанухина, С.А. Трондин // Мелиорация и водное хозяйство. - 2007. - № 5. - С.15-17.

Публикации в других изданиях

Чумакова, Л.Н. Фотосинтетический потенциал растений кормовой свеклы и кукурузы при разных режимах орошения / Л.Н. Чумакова, И.П. Колядина, С.А. Трондин, И.Л. Максаков / Материалы конф., посвящ.118-ой годовщине со дня рождения академика Николая Ивановича Вавилова / ФГОУ ВПО "Саратовский ГАУ". - Саратов, 2005. - С.66-69.

Чумакова, Л.Н. Ресурсосберегающие режимы орошения кормовых культур на темно-каштановых почвах Заволжья / Л.Н. Чумакова, С.А. Леонтьев, С.А. Трондин, И.Л. Максаков // Материалы конф., посвящ.119-ой годовщине со дня рождения академика Николая Ивановича Вавилова / ФГОУ ВПО "Саратовский ГАУ". - Саратов, 2006. - С.86-87.

Трондин, С.А. Определение инфильтрационных потерь при различных режимах орошения кукурузы / С.А. Трондин // Системные исследования природно-техногенных комплексов Нижнего Поволжья: сб. науч. работ. - Вып.2. - Саратов: ООО Изд. центр "Наука", 2007. - С.16-18.

Григоров, М.С. Суммарное водопотребление и влагоперенос на орошаемых посевах кукурузы в Заволжье / М.С. Григоров, Л.Н. Чумакова, С.А. Трондин // Кукуруза и сорго. - 2007. - № 4. - С.12-14.

Чумакова, Л.Н. Гистерезис основной гидрофизической характеристики темно-каштановых почв / Л.Н. Чумакова, И.П. Колядина, С.А. Трондин // Основы рационального природопользования: сб. науч. работ / ФГОУ ВПО "Саратовский ГАУ". - Саратов, 2007. - С.144-146.

Размещено на Allbest.ru

...