Повышение эффективности использования оросительной воды природно-техническими системами в сельскохозяйственном производстве

Размещено на http://www.allbest.ru/

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 3(19), 2015 г., [171-186]

Повышение эффективности использования оросительной воды природно-техническими системами в сельскохозяйственном производстве

В.Л. Бондаренко, Н.А. Иванова, А.В. Кувалкин

Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А. К. Кортунова Донского государственного аграрного университета, Новочеркасск, Российская Федерация

Г.Л. Лобанов

Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации, Новочеркасск, Российская Федерация

На современном этапе развития водохозяйственного комплекса в составе АПК стоит весьма амбициозная задача по созданию принципиально новых технологий использования водных ресурсов в различных технологических системах сельскохозяйственного производства. Исходя из единства естественных процессов преобразований в природных средах (атмосфере, гидросфере, верхних слоях литосферы), направленных на формирование водных ресурсов (поверхностного, подземного стока) в пространственных пределах бассейновых геосистем, с технологическими процессами водопользования и водопотребления в структурных элементах АПК, рассмотрены концептуальные основы создания природоподобных технических систем «природная среда - объект(ы) деятельности - человек», сосредоточенных на использовании водных ресурсов в производстве сельскохозяйственной продукции, в частности при создании комплексов оросительных систем, с учетом закона убывающей производительности. Водный режим в корнеобитаемом слое почвы может быть управляем и создавать возможность манипулирования процессами взаимосвязи и взаимодействия между потреблением необходимого количества воды растениями и технологией подачи воды в активный слой почвы. Главным условием повышения эффективности использования оросительной воды в системном понимании является согласование водного режима с основными факторами жизнедеятельности растений, что обуславливается известным законом равнозначности действующих факторов и незаменимости одного другим. Тенденция к оптимизации водного режима в активном слое почвы в качестве конечного водопотребителя достигается путем научного обоснования режимов орошения с учетом условия увлажнения слоя почвы на глубину расположения основной массы корневой системы рассматриваемой сельскохозяйственной культуры. Следует отметить, что водный режим растений системно взаимосвязан с содержанием влаги в окружающих природных средах: приземных слоях атмосферы, почвенном покрове. Изменение содержания воды в природных средах обуславливает процесс регулирования водного режима растений на орошаемом участке земли.

Ключевые слова: технология, система, принцип, природно-техническая система, влагообеспеченность, закон убывающей производительности, оросительная норма.

Increasing the efficacy of irrigation water use by nature-technical systems in agricultural production. V. Bondarenko, N. Ivanova, A. Kuvalkin, G. Lobanov

Present stage of the development of water-economic complex as a part of agricultural sector has rather ambitious objective on creating fundamentally new technologies for utilizing water resources in different technological schemes of agricultural production. Proceeding from the unity of natural transforming processes in the environments (atmosphere, hydrosphere, upper layers of lithosphere) forming water resources (surface and subsurface runoff) in the spatial limits of watershed geo-systems and technological processes of water use and consumption in structural elements of agricultural sector, the conceptual bases for creating nature-looking technical systems “environment - object(s) of activity - human” focused on using water resources in agricultural production, especially for creating complexes of irrigation systems, taking into account the law of diminishing returns, were considered. Water regime in root-inhabited soil layer can be managed and create the opportunity for handling the processes of interrelation and interaction between the consumption of required quantity of water by plants and the technology of conveying water to the active soil layer. The main condition for increasing the efficacy of irrigation water use in systemic understanding is concordance of water regime with the basic factors of vital functions of plants, what is conditioned by the known law of operating factors equivalence and irreplaceability of one by another. The tendency for optimizing water regime in active soil layer as a final water consumer is reached by scientific substantiation of irrigation regimes taking into account the condition of moisturizing soil layer to the depth where the main mass of root system of the given crop is situated. It should be noted that water regime of plants was interrelated systemically with the content of moisture in ambient natural environments: surface layers of atmosphere and soil cover. Changes of water content in natural environments determine the regulating process for water regime of plants at irrigated site.

Keywords: technology, system, principle, nature-technical system, moisture availability, law of diminishing returns, irrigation requirement.

Среди множества проблем, стоящих перед человечеством на современном этапе развития, к наиболее актуальным относятся экологическая, энергетическая, социальная, продовольственная и водная, где первые четыре не могут быть решены без решения последней - водной.

Решение водной проблемы носит системный характер и связанно с рациональным и эффективным использованием водных ресурсов, в том числе и в структурных элементах современного агропромышленного комплекса (АПК). На базе имеющихся знаний и используемых технологий следует признать, что решение данной проблемы вызывает определенные сомнения. Исходя из единства природных процессов преобразований в природных средах, направленных на формирование водных ресурсов как на глобальном уровне, так и на уровне бассейновых геосистем, с хозяйственной деятельностью по их использованию в различных отраслях экономики, сформировалась проблема рационального и эффективного использования пресных вод, которые составляют порядка 0,0002 % от общего запаса водных ресурсов на планете Земля (1380 млн км3). «Пресная вода как бы предназначена для жизни, и с жизнью связана одна из всех химических элементов», - так писал в своей работе «История природных вод» (1933 г.) В. И. Вернадский. оросительный водный природный сельскохозяйственный

В многообразных видах хозяйственной деятельности, как правило, используется речной сток (поверхностный, подземный), который формируется в пространственных пределах бассейновых геосистем. Так, среднее многолетнее значение речного стока на территории Российской Федерации составляет порядка 4270 км3/год (10 % от мирового речного стока). Следует отметить, что, располагая достаточными объемами водных ресурсов, из которых ежегодно используется 3 % речного стока, ряд регионов страны испытывает определенный дефицит пресных вод, обуславливаемый неравномерностью распределения по территории России [1]. Одним из основных водопотребителей является сельскохозяйственное производство продукции на орошаемых землях.

На современном этапе развития водохозяйственного комплекса АПК стоит сложная и амбициозная задача - создание принципиально новых технологий и систем использования водных ресурсов в различных технологических системах сельскохозяйственного производства. Исходя из бассейнового принципа управления процессами формирования и использования водных ресурсов [2], создание принципиально новых технологий и систем водопользования и водопотребления становится возможным, если рассматривать естественные процессы преобразований в природных средах, направленных на формирование водных ресурсов, в единстве с технологическими процессами использования водных ресурсов [3]. Технологические процессы водопотребления включают в себя этап организации водоотбора из источника, этап транспортировки воды до конкретного водопотребителя и этап использования конкретным водопотребителем. Такова технологическая схема производства сельскохозяйственной продукции на орошаемых участках земли и в других структурных элементах АПК.

Единство естественных процессов преобразований в природных средах, направленных на формирование водных ресурсов (поверхностного, подземного стока), с технологическими процессами водопользования и водопотребления в структурных элементах АПК базируется на принципе системной целостности, принципе отражения объективной реальности, принципе востребованности и принципе экологической приемлемости действий техногенных компонентов в виде комплекса оросительной сети (КОС) [3], систем водоснабжения и т. п.

Экологическая приемлемость техногенных компонентов, например КОС, в рассматриваемых природно-технических системах (ПТС) «природная среда - объект деятельности (техногенный компонент) - человек» определяется востребованностью окружающей природной средой, в пределах которой формируются водные ресурсы, и населением, проживающим в зонах влияния объекта деятельности; рациональностью и целенаправленностью проводимой хозяйственной деятельности; обеспеченностью совместной самоорганизацией структурных взаимодействий и взаимосвязей между природными и техногенными компонентами в рассматриваемой системе [3].

На основе мониторинговых исследований действующих оросительных систем Ростовской области и Северного Кавказа установлено, что экологическая приемлемость объектов деятельности в виде сети в рассматриваемых ПТС «природная среда - объект деятельности - человек» достигается, когда функциональные действия объектов деятельности отражают действия естественных процессов преобразований в природных средах (атмосфере, гидросфере, верхних слоях литосферы, педосфере), т. е. субъективные решения взаимодействуют с объективной реальностью на основе самоуправления и восприятия механизмов преобразований в природных средах. Следует отметить, что взаимодействие субъективного с объективной реальностью обуславливает определенные экологические проблемы в проводимой хозяйственной деятельности по производству сельскохозяйственной продукции на орошаемых землях.

Исходя из экологической приемлемости, формируемые объективные тенденции в естественных процессах преобразования природных сред должны доминировать над субъективными тенденциями, формируемыми объектом деятельности в локальных зонах влияния орошаемого участка и пространственных пределах бассейновой геосистемы в целом.

Востребованность объектов деятельности в рассматриваемых пространственных пределах бассейновой геосистемы, как системы более высокого иерархического уровня по отношению к ПТС «природная среда - объект деятельности - человек», обуславливается отклонением вектора экологического состояния системы более низкого уровня от вектора состояния более высокого уровня. При чрезмерном отклонении экологического состояния ПТС «природная среда - объект деятельности - человек» с ее зонами влияния, т. е. при выходе из природно сформированного экологического состояния (полосы коэволюций), в природных средах бассейновой геосистемы, как окружающей среды, могут начаться необратимые процессы потери взаимосвязи с внешней средой с последующей деструктуризацией или ростом энтропии в природных средах зон влияния объекта деятельности, например деградация плодородного слоя почвенного покрова, подъем уровня грунтовых вод и т. п. [3].

Отражение объективной реальности в рассматриваемом виде хозяйственной деятельности по использованию водных ресурсов в орошаемом земледелии определяется способностью объектов деятельности отражать сложившееся экологическое состояние природных сред окружающей природной среды (приспосабливаться к нему) как в локальных зонах влияния орошаемого участка, так и в пространственных пределах бассейновой геосистемы в целом.

Принцип системной целостности ПТС «природная среда - объект деятельности - человек», функционирующих в пространственных пределах бассейновых геосистем, обуславливается целостностью, имеющей свою внутреннюю системную структуру, которая состоит из взаимодействующих и взаимосвязанных частей (сооружений, закрытой сети, дождевальных установок и др.). Эти части необходимы для выполнения целенаправленных функций по использованию водных ресурсов. ПТС «природная среда - объект деятельности - человек» в пространственных пределах бассейновой геосистемы является элементом, имеющим своим структурные взаимосвязи с окружающей природной средой в пределах бассейновой геосистемы.

Исходя из рассмотренных базовых принципов, единство действий объектов деятельности с действиями естественных процессов преобразований, направленных на формирование водных ресурсов, в природных средах в системном понимании может рассматриваться как «природоподобная» техническая система (ППТС) «природная среда - объект(ы) деятельности - человек», которая функционально связана с использованием водных ресурсов для производства сельскохозяйственной продукции на орошаемых землях и в других структурных элементах АПК [4].

ППТС «природная среда - объект деятельности - человек» как новые технологии использования водных ресурсов в структурных элементах АПК, и в частности на орошаемых землях, основываются на возможности манипулирования процессами взаимосвязи и взаимодействия между природными и техногенными (объектами деятельности) компонентами в рассматриваемых пространственных пределах бассейновых геосистем с целью формирования устойчивой тенденции к единству функциональных действий техногенных компонентов (КОС) с действиями естественных преобразований в природных средах, в частности в активном почвенном слое, и устойчивого обеспечения конечного водопотребителя (растения) физиологически необходимым количеством оросительной воды.

Под манипулированием процессами взаимосвязи и взаимодействия между природным активным слоем почвы как сложной системой и технологией подачи оросительной воды в виде КОС, представляющего собой техногенный компонент, следует понимать процесс формирования тенденции к устойчивому и оптимальному режиму подачи оросительной воды в активный слой почвы.

Единство действий рассматриваемого КОС с действиями естественных процессов преобразований в активном слое почвы обуславливается сбалансированным отражением объективных процессов поглощения активным слоем почвы оптимальной нормы оросительной воды. Чем большей степенью отражения объективных действий естественных процессов преобразований, связанных с водопотреблением в активном слое почвы, будет обладать КОС, тем больше будет спрос на проводимую хозяйственную деятельность по использованию водных ресурсов в орошаемом земледелии.

Как известно, истинность отражения реальных, объективных естественных процессов преобразований в природных средах определяется глубиной познания и умением по аналогии воспроизводить действия природных процессов в конструктивных и технологических схемах использования водных ресурсов в орошаемом земледелии и других структурных элементах АПК. Следует отметить, что если в познании на современном этапе развития технологий использования водных ресурсов, например в орошаемом земледелии или системах питьевого водоснабжения, имеются определенные достижения, то в формировании умения отражать реальные, объективные естественные процессы преобразований в природных средах в используемых технологиях и системах использования водных ресурсов в структурных элементах АПК имеются определенные проблемы. Анализ показывает, что эти проблемы обуславливаются противоречиями между применяемыми технологиями, системами использования водных ресурсов и естественными процессами преобразований в природных средах. Эти противоречия связаны с формированием в гидрографической речной сети количественных и качественных показателей водных ресурсов как в пространственных пределах бассейновых геосистем, так и на локальном уровне в пределах влияния орошаемых участков.

Противоречия между применяемыми в настоящее время на практике технологиями использования водных ресурсов в орошаемом земледелии и естественными процессами преобразований в природных средах, связанных с формированием количественных и качественных показателей водных ресурсов в пространственных пределах бассейновых геосистем, возникают в результате несовершенства используемых конструктивных решений в сооружениях, устройствах и технологий на конечном этапе водопользования и водопотребления, а также методологических подходов к экологическому обоснованию необходимости создания орошаемых массивов на конкретных хозяйственных объектах.

Несовершенство конструктивных решений в сооружениях, устройствах технологических схем в системах АПК (орошения, водоснабжения, обводнения) в значительной степени обуславливается большими потерями воды при транспортировании от источника к конкретному водопотребителю (до 40 %), недостаточным уровнем водоучета, использованием неэффективных способов полива, учета влагообеспеченности и др.

Несовершенство используемых технологий повышения водообеспечения растений на орошаемых землях обуславливается завышенными оросительными нормами [4].

Несовершенство методологических подходов к экологическому обоснованию объектов деятельности по использованию водных ресурсов в значительной степени объясняется отсутствием системного подхода к оценке естественных процессов формирования водных ресурсов в пределах бассейновых геосистем, к оценке воздействия объектов деятельности на природные среды и к обоснованию необходимости удовлетворения жизненно необходимых количественных и качественных потребностей конечного водопотребителя в водных ресурсах (например, к обоснованию расхода оросительной воды на единицу площади орошаемого участка) [5].

Таким образом, в формировании умения отражать реальные, объективные естественные процессы преобразований в природных средах, связанных с формированием и использованием водных ресурсов, в различных технологических схемах, структурных элементах АПК необходимым становится изучение возможностей искусственного манипулирования взаимосвязями и взаимодействиями, которые устанавливаются между природными компонентами (водным объектом, почвенным покровом, геологической средой и др.), объектом деятельности и технологиями использования на уровне конечного водопотребителя, например на уровне орошаемого участка с конкретными сельскохозяйственными культурами: кукурузой, овощами, люцерной и др. [6].

Исследованиями установлено, что при использовании водных ресурсов в орошаемом земледелии большое значение имеет учет влагообеспеченности вегетационного периода возделываемой сельскохозяйственной культуры. Без воды не обходится ни один физиологический процесс, среди которых наиболее существенными являются фотосинтез, перенос элементов питания, обеспечение терморегуляции растительного организма, что в конечном итоге определяет продуктивность сельскохозяйственных культур. Следовательно, повышение влагообеспеченности растений является важным элементом технологии использования водных ресурсов в орошаемом земледелии. Повышение влагообеспеченности растений, как конечного водопотребителя, является весьма сложным технологическим процессом питания растений водой, так как помимо физиологических, физических, климатических и других процессов необходимо учитывать особенности почвенного покрова, который представляет собой сложнейшую физико-биологическую систему.

Известно, что движение воды в системе «почва - растение» осуществляется за счет притока влаги из почвы через корни в растение и расхода ими влаги на испарение в атмосферу.

Скорость движения определяется интенсивностью транспирации, которая, в свою очередь, зависит от напряженности атмосферных условий.

Для того чтобы обеспеченность тканей выращиваемых культур была достаточно высокой, необходимо, чтобы расход воды листьями полностью покрывался приходом ее через корневую систему из почвы. Поскольку доля воды, которая принимает участие в построении органического вещества, очень небольшая по сравнению с транспирацией, расход воды растениями определяется интенсивностью транспирации, которая и является показателем влагообеспеченности тканей растений.

Дефицит естественной влагообеспеченности покрывается за счет проведения вегетационных поливов. Однако при назначении режимов орошения сельскохозяйственных культур необходимо учитывать, что потребности в растениеводческой продукции возрастают, а водные и иные ресурсы объективно ограниченны.

Решить эту задачу на уровне производства сельскохозяйственных культур возможно с помощью закона убывающей производительности, который был изначально предложен для сельскохозяйственной отрасли. Используя основные принципы данного закона, рассмотрим возможность обоснования экономически и экологически целесообразных границ использования оросительной воды при возделывании кормовых культур в смешанных посевах на орошаемых землях.

В основу закона убывающей производительности, или убывающей доходности, положена оценка соотношения «фактор - продукт», которая выполнялась для кормовых культур в смешанных посевах на основании данных, полученных в результате полевых исследований. Переменным фактором являлась оросительная вода. В основу экспериментальных данных положены производственные взаимосвязи.

Процесс сокращения доходов характеризует производственную функцию, при которой увеличение объема производства в результате наращивания вложения определенного переменного фактора производства (при условии, что объемы применения остальных ресурсов остаются неизменными), в конце концов, начинает замедляться, а потом и сокращается. Иными словами, на определенном отрезке валового выпуска продукции объем производства начинает расти убывающими темпами. Значение переменного фактора производства в производственном процессе (при условии, что объемы применения других видов ресурсов не меняются), содержание самой производственной функции показывают, на какой стадии темп увеличения урожайности начинает замедляться. Процесс сокращения доходов является результатом неменяющихся объемов вложения других факторов производства.

Согласно вышеизложенному рассмотрим эффективность добавочных вложений оросительной воды в технологический процесс возделывания кормосмесей и кукурузы. Анализ полученных данных позволил установить, что на посевах кормосмеси кукуруза + подсолнечник + амарант эффективно расходуется оросительная вода при норме в пределах 1,5-2,0 тыс. м3/га, дальнейшее увеличение оросительной нормы приводит к снижению урожайности. Аналогичная ситуация складывается и при орошении кукурузы. Для этой культуры рациональным пределом использования оросительной воды является норма 1,5-2,0 тыс. м3/га, при которой происходит рост урожайности зеленой массы. На основании проведенных опытов, дальнейшее увеличение оросительной нормы ведет к нерациональному ее использованию.

Вышеизложенное позволяет считать, что добавочные вложения оросительной воды при возделывании кормовых культур следует делать до тех пор, пока стоимость величины предельной урожайности от оросительной воды будет покрывать стоимость последней единицы вкладываемой оросительной воды. Это позволяет нам считать оросительные нормы в пределах 1,5-2,0 тыс. м3/га экономически и экологически обоснованными для кормосмеси кукуруза + подсолнечник + амарант и кукурузы в чистом посеве.

Кроме этого, показатели оценки эффективности использования оросительной воды при возделывании кормовых культур на зеленую массу дают возможность сельхозпроизводителю выбрать экономически выгодные решения вопросов: 1) какой объем оросительной воды использовать; 2) под какие культуры использовать оросительную воду в условиях дефицита ресурсов; 3) каким образом сэкономленную оросительную воду использовать под другие культуры. Таким образом, в условиях дефицита энергетических и сырьевых ресурсов при возделывании кормосмесей целесообразно уменьшение оросительных норм на 20 %, обеспечивающее снижение продуктивности в среднем на 10-15 %. В процессе разработки проектов по кормопроизводству следует использовать экономически и экологически обоснованные оросительные нормы при возделывании кормосмесей. При разработке инвестиционных проектов и оценке эффективности орошения следует использовать зависимости «урожайность - водообеспеченность».

На основе практического опыта можно отметить, что достигнутый уровень производства сельскохозяйственной продукции на орошаемых землях не является предельно высоким. Исходя из единства внутрипочвенных процессов преобразований и технологии обеспечения оптимальной влагообеспеченности растений, можно значительно увеличить производство сельскохозяйственной продукции за счет более продуктивного использования оросительной воды на создание 1 т продукции. Доминирующее положение в технологии использования оросительной воды занимает режим водообеспеченности корнеобитаемого (активного) слоя почвы в согласовании с мероприятиями по формированию питательного, воздушного и солевого режимов почвенного покрова. Так, на основании полевых комплексных исследований установлено, что при оптимизации процессов водообеспеченности корнеобитаемого слоя почвы можно уменьшить оросительные нормы на 15-20 %. Это будет способствовать улучшению гидрогеологического состояния геологической среды путем снижения воздействия на естественный уровень и солевой режим грунтовых вод [5].

Известно, что оптимальная влажность в активном слое почвы может поддерживаться путем осуществления поливов в критические фазы роста и развития растений. Это требует проведения специальных исследований по обоснованию водного режима корнеобитаемого слоя почвы при возделывании тех или иных сельскохозяйственных культур.

Выводы. Водный режим корнеобитаемого слоя почвы может быть управляем и создавать возможность манипулирования процессами взаимосвязи и взаимодействия между потреблением необходимого количества воды растениями и технологией подачи воды в активный слой почвы. Главным условием повышения эффективности использования оросительной воды в системном понимании является согласование водного режима с основными факторами жизнедеятельности растений, что обуславливается известным законом равнозначности действующих факторов и незаменимости одного другим.

Оптимизация водного режима в активном слое почвы как конечном водопотребителе достигается путем научного обоснования режимов орошения с учетом условия увлажнения слоя почвы на глубину расположения основной массы корневой системы рассматриваемой сельскохозяйственной культуры. Следует отметить, что водный режим растений системно взаимосвязан с содержанием влаги в окружающих природных средах: приземных слоях атмосферы, почвенном покрове. Изменение содержания воды в природных средах обуславливает процесс регулирования водного режима растений на орошаемом участке земли.

Таким образом, можно отметить, что, исходя из единства действий естественных процессов преобразований в природных средах (почвенном покрове, атмосфере) с действиями КОС, в пределах зоны влияния формируется возможность манипулирования процессами взаимосвязи и взаимодействия между природными и техногенными компонентами с целью повышения эффективности и рационального использования оросительной воды на орошаемых землях.

Список литературы

1 Россия: водно-ресурсный потенциал / под ред. А. М. Черняева; РосНИИВХ. - Екатеринбург: Изд-во «Агрокосмоэкология», 1998. - 342 с.

2 Россия: экономико-правовое управление водопользованием / под ред. А. М. Черняева; РосНИИВХ. - Екатеринбург: Изд-во «Агрокосмоэкология», 1999. - 410 с.

3 Природообустройство: территория бассейновых геосистем: учеб. пособие / В. Л. Бондаренко, В. А. Волосухин, В. В. Гутенев [и др.]; под ред. И. С. Румянцева. - Ростов н/Д.: Издательский центр «Март», 2010. - 528 с. - (Учебный курс).

4 Проблемы и перспективы использования водных ресурсов в агропромышленном комплексе России: моногр. / В. Н. Щедрин, Ю. М. Косиченко, С. М. Васильев [и др.]; под ред. В. Н. Щедрина. - М.: ЦНТИ «Мелиоводинформ», 2009. - 342 с.

5 Щедрин, В. Н. О направлениях развития мелиорации и ее роли в обеспечении продовольственной безопасности России [Электронный ресурс] / В. Н. Щедрин, Г. А. Сенчуков, В. Д. Гостищев // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации: электрон. периодич. изд. / Рос. науч.-исслед. ин-т проблем мелиорации. - Электрон. журн. - Новочеркасск: РосНИИПМ, 2013. - № 4(12). - 14 с. - Режим доступа: http:rosniipm-sm.ru/archive?n=205&id=206.

6 Экологическая безопасность в природообустройстве, водопользовании и строительстве: экологическая инфраструктура бассейновых геосистем: моногр. / В. Л. Бондаренко, В. В. Приваленко, Г. М. Скибин, В. Н. Азаров. - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2012. - 308 с.

Размещено на Allbest.ru