Нормирование водопотребности сельскохозяйственных культур

Размещено на http://www.allbest.ru/

нормирование водопотребности сельскохозяйственных культур

Г. А. Сенчуков, И. В. Новикова (ФГБОУ ВПО «НГМА»)

В статье приводятся методики расчета оросительных норм сельскохозяйственных культур. Величина оросительной нормы определяется как сумма дефицитов водопотребления за вегетационный период сельскохозяйственной культуры, вневегетационных поливов и затрат поливной воды, обеспечивающей при необходимости соблюдение промывного режима. Дефицит водопотребления рассчитывается по уравнению водного баланса, составляющими которого являются суммарное водопотребление, эффективные атмосферные осадки, активные почвенные влагозапасы, подпитывание корнеобитаемого слоя почвы грунтовыми водами (при близком их залегании). Значения почвенных влагозапасов устанавливаются по результатам наблюдений на агрометеорологических станциях, а при отсутствии таких данных - определяются расчетными методами. Отмечено, что при решении водохозяйственных задач, оросительную норму необходимо прогнозировать на заданный процент обеспеченности. Для этого необходимо располагать результатами измерений климатических факторов (за непрерывный ряд лет) на ближайшей метеостанции. При отсутствии данных многолетних рядов наблюдений оросительную норму на заданный процент обеспеченности предложено определить как произведение оросительной нормы для среднемноголетних условий на модульный коэффициент. Приведены осредненные значения оросительных норм (м3/га) с различной вероятностью превышения (5; 25; 50; 75 и 95 %) для ряда сельскохозяйственных культур в разрезе зон увлажнения территорий Южного и Северо-Кавказского федеральных округов России. Представлены уравнения связи оросительных норм и урожайности сельскохозяйственных культур, полученные при обработке результатов многолетних полевых исследований.

Ключевые слова: оросительная норма, суммарное водопотребление, почвенные влагозапасы, подпитывание грунтовыми водами, модульный коэффициент, прибавка урожайности.

G. A. Senchukov, I. V. Novikova (FSBEE HPE “NSMA”)

RATE SETTING OF WATER REQUIREMENTS FOR AGRICULTURAL CROPS

The paper considers the procedures for calculating the irrigation rates of agricultural crops. The value of irrigation rate consists of water consumption deficits over vegetation period of an agricultural crop, off-season waterings and the amount of irrigation water for leaching regime, if necessary. The water consumption deficit is calculated using the hydrologic equation which consists of total water consumption, efficient atmospheric precipitation, active water storage in soil, and root-inhabited soil layer intake of ground water (at high levels). The values of water storage in soil are established according the results of agricultural meteorological stations and in the absence of these data by calculation methods. It is noted that solving hydroeconomic problems the irrigation rate is predicted for the given percent of probability. Thereto, the results of climatic factors measuring (for continuous series of years) at the nearest weather station are needed. In the absence of the observations for continuous series of years, the irrigation rate for the given percent of probability is proposed to determine as a product of irrigation rate for averaged perennial conditions and modular coefficient. The averaged values of irrigation rate for different exceedance probability (5, 25, 50, 75 and 95 %) for several agricultural crops by zones of humidification in the South and North-Caucasus federal districts of Russia is cited. The constraint equations of irrigation rates and crop yields obtained by processing the results of perennial field studies are shown.

Key words: irrigation rate, total water consumption, water storage in soil, intake by ground water, modular coefficient, crop yield increase.

При обосновании водопотребления сельскохозяйственных культур, прежде всего, следует установить оросительную норму.

Оросительная норма (нетто) сельскохозяйственной культуры определяется по зависимости:

,

оросительный норма сельскохозяйственный влагозапас

где - дефицит водопотребления за вегетационный период сельскохозяйственной культуры;

- суммарное значение вневегетационных поливов (влагозарядковые, предпосевные, приживочные, освежительные, противозаморозковые, удобрительные и др.);

- количество поливной воды, обеспечивающей при необходимости соблюдение промывного режима.

Для условий, когда отсутствует необходимость промывного режима и проведения вневегетационных поливов, оросительная норма определяется как суммарный дефицит водопотребления за вегетационный период:

.

Дефицит водопотребления за какой-либо период вегетации устанавливается по уравнению водного баланса:

, (1)

где - суммарное водопотребление (эвапотранспирация) сельскохозяйственной культуры;

- эффективные атмосферные осадки;

- активные почвенные влагозапасы;

- подпитывание корнеобитаемого слоя грунтовыми водами (при близком их залегании).

Активные почвенные влагозапасы определяются по зависимости:

, (2)

где - почвенные влагозапасы в заданном слое, на начало расчетного периода;

- тоже на конец расчетного периода.

Почвенные влагозапасы на начало (возобновление) вегетации можно установить по результатам наблюдений на агрометеорологических станциях. При отсутствии наблюдений почвенные влагозапасы можно определить расчетным методом, в частности использовать метод гидроло-климатических расчетов профессора В. С. Мезенцева.

Результаты многолетних исследований показывают, что для территорий с коэффициентом увлажнения 0,3 и более, почвенные влагозапасы для культур весеннего сева (посадки) и многолетних насаждений на начало (возобновление) вегетации можно принять равным наименьшей влагоемкости. Для территорий с коэффициентом увлажнения 0,2-0,3 (0,85-0,90) .

В конце вегетации запасы влаги в расчетном слое почвы должны быть выше (не менее) минимально допустимых для растений:

,

где - запасы влаги, соответствующие влажности завядания, которые зависят в полной мере от гранулометрического состава почвы, могут быть определены по справочной литературе, в которой приводятся агрогидрологические свойства почв. При отсутствии данных можно принять ориентировочно: для песчаных почв - 0,20; для суглинистых - 0,40; для глинистых - 0,55.

Осадки за расчетный период измеряются по ближайшей (репрезентативной) метеорологической станции. Их значения умножают на коэффициент, который учитывает долю впитавшихся в почву осадков. Этот коэффициент варьирует в достаточно широких пределах и равен в среднем 0,8.

Подпитывание корнеобитаемого (расчетного) слоя почвы грунтовыми водами определяют по зависимости:

,

где - коэффициент капиллярного подпитывания в долях от величины эвапотранспирации.

Интенсивность и величина капиллярного подпитывания грунтовыми водами зависят от глубины их залегания, гранулометрического состава почв и состояния (вида) агрофона. Значение коэффициента капиллярного подпитывания можно определить по данным, приведенным в таблице 1.

Таблица 1 - Величины коэффициента

С. И. Харченко на основе теоретических исследований и обобщения лизиметрических исследований для расчета величины расхода грунтовых вод в зону аэрации (мм/сут.) предложил формулу:

, (3)

где - испаряемость;

- глубина залегания грунтовых вод, см;

- основание натуральных логарифмов;

- параметр, определяемый гранулометрическим составом почвы и состоянием агрофона.

Значения параметра приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Значение параметра m

Формула (3) может быть представлена в следующем виде:

,

где - радиационный баланс, кал/см2•сут.

При минерализованных грунтовых водах капиллярное подпитывание расчетного слоя допускать нельзя, так как это может вызвать засоление и осолонцевание почвы. В этих условиях увеличивают значение оросительной нормы, рассчитанной по дефициту водопотребления, для создания промывного режима, при котором нисходящие токи почвенных растворов преобладают над восходящими. При определении величины притока влаги из расчетного слоя вниз используют зависимость:

,

где - коэффициент притока влаги из расчетного слоя почвы вниз.

Согласно А. И. Голованову этот коэффициент зависит от средней влажности в расчетном слое почвы, которую определяют по формуле:

,

где и - предполивная и послеполивная влажность в долях от наименьшей влагоемкости.

Ориентировочно значение составляют: при = 0,7; = 0; при 0,75 - 0,05; при 0,80 - 0,13; при 0,85 - 0,25.

Указанные значения свидетельствуют о том, что в период орошения (при близко расположенных минерализованных грунтовых водах) влажность почвенных влагозапасов ( и ) должна быть выше ранее приведенных значений (при расчете дефицитов водопотребления).

Ориентировочно на соблюдение промывного режима для слабозасоленных почв оросительная норма увеличивается на 10 %, для среднезасоленных - на 15 % и более.

Количественные значения вневегетационных поливов зависят от целей, которые преследуются при их проведении.

Влагозарядковые поливы проводят при условии недостаточного увлажнения с целью создания требуемого запаса воды в почве к началу вегетации сельскохозяйственных культур. Запас влаги создают в слое почвы 1,0 м и более. Нормы влагозарядковых поливов колеблются в пределах 700-1200 м3/га. Иногда влагозарядковые поливы проводят в 2-3 такта.

Предпосевные поливы проводят в условиях сухой весны, а также при возделывании культур повторного сева. Нормы этих поливов составляют 400-500 м3/га.

Послепосадочные поливы нормами 200-300 м3/га проводят для приживания рассады.

Противозаморозковые поливы нормами 100-200 м3/га проводят (в период вегетации) в садах и виноградниках при отрицательных температурах воздуха в ночные и утренние часы.

Оросительная норма сельскохозяйственной культуры существенно изменяется по годам в зависимости (в основном) от условий тепло- и влагообеспеченности территории. Отсюда при решении водохозяйственных задач, в том числе проектировании оросительной системы, необходимо прогнозировать оросительную норму на заданный процент обеспеченности, показывающий вероятность превышения расчетной величины в ряду одноименных переменных.

Наиболее просто было бы решить задачу, имея непрерывный ряд измеренных оросительных норм конкретной сельскохозяйственной культуры за период не менее 25 лет, построив кривую обеспеченности и руководствуясь заданной величиной превышения, определить искомое значение. Однако такие ряды практически отсутствуют, а имеющиеся весьма неоднородны в силу изменения технологии возделывания сельскохозяйственной культуры (сорта, сроки сева, способ, густота посева, почвенные условия, режим питания растений и др.). В связи с этим следует использовать расчетные методы.

Первый метод - реального расчетного года.

Для вычисления дефицита водопотребления необходимо иметь многолетние результаты измерений климатических факторов на ближайшей
(репрезентативной) метеостанции, позволяющих рассчитать величину эвапотранспирации и эффективных осадков за вегетационный период. По формуле (2) устанавливаются активные почвенные влагозапасы. По формуле (1) (при глубоко залегающих грунтовых водах ) рассчитываются дефициты водопотребления за вегетационный период каждого года. Ряд из таких дефицитов ранжируется в убывающем порядке и по зависимости (где - обеспеченность дефицита водопотребления в долях; - число элементов ряда), определяют место года в ряду переменных.

Величина обеспеченности устанавливается в результате эколого-экономического обоснования. При расчете оросительной нормы (дефицита водопотребления) на условия среднесухого года (повторяемость превышения 1 раз в четыре года) обеспеченность составляет 25 % (или в относительных единицах 0,25).

Выделяют реальный год с заданной обеспеченностью дефицита водопотребления (оросительной нормы), для которого устанавливают
(рассчитывают) дефициты водопотребления за внутривегетационные периоды (обычно подекадно).

При отсутствии упомянутых многолетних наблюдений (измерений) из агроклиматических справочников для среднемноголетних условий выписывают показатели для расчета эвапотранспирации, эффективных осадков и активных почвенных влагозапасов за внутривегетационные периоды (обычно подекадно или помесячно), сумма которых позволит определить оросительную норму. Изменчивость оросительной нормы по годам характеризуется коэффициентом вариации и коэффициентом асимметрии . Коэффициент асимметрии рядов переменных, составленных из дефицитов водопотребления, может быть принят равным нулю. Значения коэффициентов вариации существенно различаются в зависимости от условий тепло- и влагообеспеченности территории, а также вида сельскохозяйственных культур, устанавливаются по результатам проведенных исследований. Ориентировочные значения дефицитов водопотребления за вегетационные периоды сельскохозяйственных культур приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Значения коэффициентов вариации () для расчета вероятностных значений оросительных норм (дефицитов водопотребления)

При известном значении оросительной нормы для среднемноголетних условий, оросительная норма на заданный процент обеспеченности определяется уравнением:

,

где - модульный коэффициент заданной обеспеченности.

При известных и = 0 значение можно определить по эмпирической зависимости Г. А. Сенчукова:

, (4)

где - процент обеспеченности оросительной нормы в долях от единицы;

- поправочный коэффициент, обусловленный несоответствием линейного характера изменения по формуле (4) и криволинейным характером изменения теоретической кривой обеспеченности. Этот коэффициент равен: при обеспеченности = 5 % - = 1,80; при = 25 % -
= 1,40; при = 75 % - = - 1,35; при = 95 % - = - 2,0.

Осредненные значения оросительных норм для сельскохозяйственных культур, возделываемых на территории Южного и Северо-Кавказского федеральных округов, приведены в таблице 4.

Оросительные нормы, приведенные в таблице 4, призваны обеспечить поддержание почвенных влагозапасов в пределах, позволяющих сельскохозяйственным культурам формировать максимальный урожай.

Однако в ряде случаев существуют хозяйственно-экономические и экологические ограничения, с учетом которых проектные (достигнутые) урожайности существенно ниже. В этих условиях требуется экономическое обоснование показателей снижения оросительных норм, установленных по дефициту водопотребления.

Решить эту задачу можно на основе существующих связей между прибавкой урожайности и нормами орошения сельскохозяйственной культуры. Такие связи устанавливаются на основе проведения полевых
(экспериментальных) исследований.

Таблица 4 - Осредненные значения оросительных норм (м3/га) с различной (характерной) вероятностью превышения (5; 25; 50; 75; 95 %) для ряда сельскохозяйственных культур в разрезе зон увлажнения территорий Южного и Северо-Кавказского федеральных округов России

Уравнения связи оросительных норм и урожайности сельскохозяйственных культур, полученные при обработке (использовании) результатов многолетних полевых исследований Г. Т. Балакая, Н. А. Ивановой, И. Н. Ильинской, В. А. Кулыгина, А. Я. Олейник, Л. Д. Осипенко, А. Д. Свиридовой, Г. А. Сенчукова, представляют следующие выражения:

,

,

где - урожайность сельскохозяйственной культуры, которая может быть получена при оросительной норме , рассчитанной по дефициту водопотребления, т. е. когда водопотребность сельскохозяйственного угодья не ограничивается экологическими или хозяйственно-экономическими условиями;

- урожайность сельскохозяйственной культуры, которая соответствует ограниченным условиям водообеспечения, т. е. ;

- коэффициент, зависящий от биологических особенностей сельскохозяйственных культур.

Уравнения связи позволяют прогнозировать урожайность сельскохозяйственной культуры при заданном отношении , а также прогнозировать значение при заданном отношении .

Количественные значения и результаты решения уравнений относительно и приведены в таблицах 5 и 6.

Рекомендуется принять средние значения : для зерновых культур - 0,50; для овощей - 0,75; для кормовых - 0,45; для технических - 0,65.

Используя вышеприведенные связи, на основе технико-экономического расчета можно обосновать рациональные (экономически целесообразные) оросительные нормы.

Таблица 5 - Снижение урожайности сельскохозяйственных культур (в процентах) при ограничении (снижении) норм орошения

Таблица 6 - Снижение оросительной нормы (в процентах) при ограничении ресурсов (возможности) получения максимальной (оптимальной) урожайности сельскохозяйственных культур

Для определения норм водопотребности при орошении сельскохозяйственных угодий устанавливаются оросительные нормы брутто, т. е. учитываются потери воды на поле (просачивание воды за пределы расчетного слоя, испарение и унос ветром в период дождевания), кроме того часть воды теряется в структурах внутрихозяйственной сети (потери из открытой временной сети и из трубопроводов). Имея количественную оценку этих потерь, можно определить:

,

где - коэффициент полезного использования оросительной воды, его значение зависит от способа полива (поверхностный, дождевание) и технологии полива, может находиться (в среднем) в пределах 0,8-0,9.

Значения оросительных норм сельскохозяйственных культур при локальных способах полива (капельное, внутрипочвенное, подпочвенное) будут существенно отличаться от одноименных показателей при сплошном увлажнении (поверхностный полив, дождевание, затопление). При определении оросительных норм для условий локального полива следует учитывать долю увлажняемой поверхности от площади питания растений.

Таким образом, предложенные методики расчета позволяют при использовании климатических данных, активных почвенных влагозапасов, расхода грунтовых вод (при близком их залегании) прогнозировать нормы водопотребности сельскохозяйственных культур в зависимости от изменения погодных, почвенных, гидрогеологических, экологических и хозяйственно-экономических условий.

Размещено на Allbest.ru