Прогнозные зависимости эффективности использования мелиорантов на орошаемых землях Волго-Донского междуречья

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Прогнозные зависимости эффективности использования мелиорантов на орошаемых землях Волго-Донского междуречья

А. А. Пахомов

Целью исследований являлось прогнозирование эффективности применения мелиоранта-почвоулучшителя на орошаемых землях Волго-Донского междуречья. Методы математической статистики и планирования эксперимента использовались для построения прогнозных зависимостей между показателями свойств почв, определяющих их плодородие после внесения мелиоранта-почвоулучшителя. Математическая реализация снижения деградационных процессов применялась в рамках задачи стохастического моделирования. В качестве показателя, объединяющего действия случайных факторов внешней среды, можно рассматривать величину риска потерь урожайности культуры от процессов деградации о, %. Снижение риска потерь урожайности достигается путем использования мелиоранта-почвоулучшителя в оптимальной дозе внесения в почву N, кг/га. Величина риска потерь урожайности от процессов деградации о и техническая возможность ее предупреждения в различные годы определяются при сопоставлении разных показателей отклонения. В результате проведенных исследований предложен показатель з, учитывающий вероятность процессов деградации. Для каштановой зоны орошаемых почв отмечено, что от содержания гумуса в прямой зависимости находятся водопрочность и объемная масса, а также элементы питания после внесения мелиоранта-почвоулучшителя. Наблюдается увеличение гумуса до 3,2 %. На исследуемых участках содержание водопрочных агрегатов повысилось до 51,35 % (при контроле - 43,21 %). Уменьшение объемной массы до 1,10 т/мі (контроль - 1,28 т/мі) способствовало разуплотнению пахотного горизонта. Природные мелиоранты на основе местного сырья целесообразно применять для восстановления деградированных земель в засушливых условиях, в том числе решения проблем влагосбережения и влагонакопления. мелиорант почвоулучшитель урожайность

Ключевые слова: деградация почвенного покрова, мелиорант-почвоулучшитель, дефицит водопотребления, глауконитовый песок, бентонитовая глина, гумус, водопрочность, влагосбережение.

A. A. Pakhomov

Volgograd State Agrarian University, Volgograd, Russian Federation

PREDICTED DEPENDENCES OF EFFICIENCY OF AMELIORANTS USE ON VOLGA-DON INTERFLUVE IRRIGATED LANDS

The purpose of research is to predict the efficiency of ameliorants on Volga-Don interfluve irrigated lands. Mathematical statistics methods and experiment planning are used to build predicted dependencies between indicators of soil properties determining their fertility after applying ameliorants. The mathematical implementation of degradation processes reduction was applied in the framework of stochastic modeling tasks. The risk value of crop yield losses from degradation processes о, % can be considered as an indicator that combines the action of random environmental factors. Reducing the risk of yield losses is achieved by using an ameliorant in an optimal dose of N, kg/ha soil application. The risk magnitude of yield losses from degradation processes о and technical possibility of its prevention in different years are determined by comparing different deviation indicators. Taking into account the possibility of degradation processes a criteria з, is provided as a result of studies. It is noted that water stability and bulk density as well as nutrient elements after ameliorant application depend on humus content in direct proportion for chestnut soils of irrigated areas. There is a 3.2 % humus increase. In the studied areas the content of water-stable aggregates increased to 51.35 % (by the control - 43.21 %). Decreasing the bulk density to 1.10 t/mі (control - 1.28 t/mі) contributed to arable horizon decompaction. Natural ameliorants based on local raw materials are advisable to use for degraded lands recovery in arid conditions, including the problems of moisture saving and moisture accumulation.

Keywords: soil degradation, ameliorant, water consumption deficit, glauconite sand, bentonite clay, humus, water stability, water-saving.

Волго-Донское междуречье расположено в северо-западной части Волгоградской области. Восточно-Донская гряда представляет собой всхолмленную, пологоволнистую возвышенную равнину, сильно изрезанную балками и оврагами. Эрозионная расчлененность овражно-балочной сетью составляет 2,0-2,5 км на 1 км2 и достигает местами 3,0 км на 1 км2 (бассейн б. Сухой Голубой). Развитию сильно разветвленной сети балок и оврагов способствуют многие факторы - наличие близкого базиса эрозии Дона, быстрое весеннее снеготаяние, легкоразмываемость меловых пород, ступенчатый и волнистый рельеф местности с крутыми склонами и др. На лессовидных суглинках сформировались каштановые средне- и легкосуглинистые почвы, преимущественно маломощные. На пологих, покатых, сильнопокатых и крутых склонах межбалочных водоразделов получили распространение каштановые, темно-каштановые и каштановые неполноразвитые в различной степени смытые или размытые почвы. Ежегодный рост оврагов и промоин отнимает у района значительные орошаемые площади. В связи с этим остро стоит проблема восстановления орошаемого почвенного покрова с применением мелиорантов на основе местного сырья [1-3].

Цель исследований - прогнозирование эффективности использования мелиоранта-почвоулучшителя на орошаемых землях Волго-Донского междуречья.

Материалы и методы. Объектом наших исследований являлся разработанный мелиорант-почвоулучшитель, состоящий из глауконитового песка и бентонитовой глины в дозе до 20 т/га [2]. Для построения прогнозных зависимостей между показателями свойств почв, определяющих их плодородие после внесения мелиоранта-почвоулучшителя в соответствии с рекомендациями, использовались методы математической статистики и планирования эксперимента [4, 5]. Для осуществления прогноза были взяты наиболее распространенные на орошаемых участках каштановые почвы Волго-Донского междуречья. С учетом требований снижения деградационных процессов с помощью мелиоранта-почвоулучшителя алгоритмическая реализация применялась в рамках задачи стохастического моделирования. Корреляционно-регрессионные обоснования характеристик факторов, обусловливающих почвенное плодородие, осуществлялись при помощи общеизвестных лицензионных программ Microsoft Excel и Statistica [6-8].

Результаты и обсуждение. Каштановые почвы являются самыми распространенными в междуречье. Площадь темно-каштановых почв составляет 27105 га (15 %), каштановых - 111265 га (61 %), солонцов каштановых - 16215 га (9 %), других почв - 27511 га (15 %).

Содержание гумуса в исследуемых каштановых почвах до внесения мелиоранта-почвоулучшителя составляло 3,02 %, обеспеченность данных почв подвижным фосфором высокая (контроль - 183,11 мг/кг почвы), обменным калием также высокая (контроль - 442,20 мг/кг почвы). Реакция почвенного раствора изменяется от нейтральной в верхних слоях почвы до слабощелочной в нижних. Плотность сложения почвы в верхних слоях составляет 1,28 т/м3 (при контроле - 1,29 т/м3), с глубиной несколько возрастает (1,39 т/м3). Плотность твердой фазы слоя до 1 м равна 2,72 т/м3. Наименьшая влагоемкость - 19,8 %. Значительная плотность почвы пахотного и подпахотного слоев неблагоприятно отражается на ее воздухо- и водопроницаемости, а также формировании корневой системы, росте и развитии растений в целом. Водопрочность агрегатов находится в пределах 43,21 % (при контроле - 38,60 %). Каштановая почва опытного участка имеет невысокое содержание легкорастворимых солей, причем их количество увеличивается вниз по профилю. По содержанию легкорастворимых солей почву можно отнести к незасоленной. Для исключения негативных явлений в первую очередь необходимо проведение противоэрозионных мероприятий, а также внесение мелиорантов с последующим накоплением и сохранением влаги в почве, ее обогащением гумусовыми веществами [1, 9, 10].

В ряде работ [11-14] подчеркивается, что мелиоранты-почвоулучши-тели способствуют повышению засухоустойчивости зерновых культур, накоплению и сохранению почвенной влаги, структурообразованию почвенного покрова. При этом плодородие почвы возрастает за счет накопления основных питательных веществ, снижения токсичности тяжелых металлов, улучшения физических свойств почв и т. п.

В зависимости от того, насколько оптимальные дозы внесения мелиоранта-почвоулучшителя соответствуют лучшему накоплению влаги и повышению содержания гумуса, формируется эколого-мелиоративный результат функционирования системы «почвенное плодородие - мелиоранты».

В качестве показателя, объединяющего действия случайных факторов внешней среды, можно рассматривать величину риска потерь урожайности от процессов деградации , %. Снижение риска потерь урожайности от процессов деградации достигается путем применения мелиоранта-почвоулучшителя в оптимальной дозе внесения в почву , кг/га. Задав математические ожидания соответствующих параметров, можно добиться независимости основных свойств компонентов от случайных условий внешней среды. В противном случае задача усложняется и требует непростых дополнительных преобразований в приводимых ниже моделях.

Величина риска потерь урожайности от процессов деградации и техническая возможность ее предупреждения при сопоставлении в различные годы имеют разные показатели отклонения . При этом нарушается оптимальный режим удовлетворения растений водой, и максимальный дополнительный чистый доход от орошения уменьшается на величину ущерба от процессов деградации, так как в засушливые годы в хозяйства подаются завышенные объемы воды.

Вышесказанное можно выразить математически:

,(1)

где - удельный ущерб от деградационных процессов, руб./га.

В данном аспекте можно выделить два этапа постановки задачи: расчет нагрузки оптимальной дозы мелиоранта-почвоулучшителя на почвенный покров, однозначно определяющей снижение деградационных процессов и количественные показатели поверхностного стока с орошаемого массива, и установление оптимальных параметров показателей почвенного плодородия в течение оросительного сезона. Снижение почвенного плодородия в течение оросительного сезона зависит от случайных факторов, влияющих на составляющие величины на конкретном орошаемом участке, и определяется функцией распределения .

В ходе исследований можно выделить следующие варианты обеспеченности оросительного сезона: засушливые, умеренно сухие и влажные годы. В засушливые годы, когда риск потерь урожайности не может быть компенсирован использованием мелиоранта-почвоулучшителя в оптимальной дозе , появляется ущерб от деградации - , где .

В умеренно сухие годы, когда риск потерь урожайности может быть предотвращен внесением мелиоранта-почвоулучшителя в оптимальной дозе , величина ущерба от деградации будет равна разности между максимальным удельным дополнительным чистым доходом при снижении ущерба от деградации до допустимого уровня и величиной удельного ущерба от развития деградационных процессов .

При известном характере распределения случайной величины потерь урожая вследствие развития процессов деградации математическое ожидание показателя окупаемости от внесения мелиоранта-почвоулучшителя находится по выражению:

,(2)

где - деградационные процессы;

- коэффициент приведения капитальных затрат, зависящий от конструкционных параметров .

Объединяя оптимизацию выбора и оптимизацию внесения мелиоранта-почвоулучшителя , можно получить постановку двухэтапной задачи стохастического моделирования:

,(3)

где - величина оптимального показателя экологически безопасного использования мелиоранта-почвоулучшителя на площади ;

- математическое ожидание;

- функция удельного дополнительного чистого дохода без учета капитальных затрат на проведение почвовосстановительных мероприятий.

Получен показатель , который определяется соотношением приведенных капитальных затрат на внесение оптимальной дозы мелиоранта-почвоулучшителя к величине максимального ущерба от процессов деградации.

,(4)

где - число поливов, шт.;

- декадный ущерб от деградации, м3/га;

, - соответственно наибольшие и наименьшие эрозионные потери за одну декаду, т/га.

При вероятности наибольшей степени деградации, равной , риск принятия решения о величине затрат на внесение мелиоранта-почвоулучшителя оптимален. Отклонение в любую сторону ухудшает ситуацию.

Полученные данные свидетельствуют, что в условиях Волго-Донского междуречья базовым показателем, от которого зависят основные элементы почвенного плодородия, является гумус. От его содержания в прямой зависимости находятся водопрочность и плотность сложения почвы, определяющие ее структурное состояние, а также элементы питания (рисунок 1).

Рисунок 1 - Графоаналитическая зависимость

прогнозного содержания гумуса от водопрочности и

плотности сложения почвы (объемная масса)

При осуществлении мероприятий по накоплению гумуса и улучшению структурного состояния почвы (внесение мелиоранта-почвоулучши-теля) прогноз динамики плодородия каштановых орошаемых участков может быть положительным. Это доказывают полученные зависимости, в которых коэффициент детерминации более 0,9 (рисунок 2).

а

б

в

а - зависимость содержания гумуса от подвижного фосфора и обменного калия;

б - зависимость подвижного фосфора от гумуса и обменного калия;

в - зависимость обменного калия от подвижного фосфора и гумуса

Рисунок 2 - Прогнозные зависимости динамики содержания

гумуса и элементов питания

Результаты представленных прогнозных зависимостей показывают, что при использовании мелиоранта-почвоулучшителя наблюдается пролонгированная форма основных элементов питания, а также повышение общего содержания гумуса.

В свою очередь, разрушение микроагрегатов почвы при циклах высыхание - намокание обусловлено расклинивающим воздействием оросительной воды, попадающей в поры, осмотическим давлением и разрушающим действием защемленного воздуха. Отсюда следует, что чем выше содержание водопрочных агрегатов, которые зависят от активной и гравитационной пористости почвы, тем больше она устойчива на второй стадии разрушения к воздействию цикла высыхание - намокание.

На основании изложенного можно констатировать, что до внесения нового мелиоранта-почвоулучшителя качество структуры почвы на орошаемых полях было низкое. После внесения мелиоранта-почвоулучшителя структурно-агрегатное состояние почвы значительно улучшилось.

За время проведения исследований количество гумуса увеличилось до 3,2 %. На опытных участках содержание водопрочных агрегатов повысилось до 51,35 % (при контроле - 43,21 %). Уменьшение плотности сложения почвы до 1,10 т/м3 (контроль - 1,28 т/м3) способствовало разуплотнению пахотного горизонта. Таким образом, в результате использования предлагаемого мелиоранта-почвоулучшителя можно создать условия для накопления гумуса, снизить переуплотнение почв и повысить обеспеченность элементами питания.

Преимущества разработанного мелиоранта-почвоулучшителя заключаются в простоте его приготовления и применения, при котором происходит улучшение структурно-агрегатных свойств почвы и повышение содержания в ней полезных микроэлементов, а также наблюдается высокая катионная способность, коагуляция почвенных частиц. Кроме того, предлагаемый мелиорант обладает пролонгирующим действием за счет глауконитового песка, который способен увеличивать время своего благоприятного влияния на почву в течение ряда лет.

В полевых условиях с помощью разбрасывателя удобрений мелиоранты вносят в почву, затем бороной запахивают в мелиорируемый слой на 10-15 см. Действие мелиоранта сохраняется на протяжении трех лет при условии, что за это время не будет производиться обработка почвы с оборотом пласта.

Выводы

1 Полученный показатель позволяет определить, что верхняя граница риска для природно-климатической зоны неустойчивого увлажнения -  < 0,5, для сухой зоны - < 1. Следовательно, для зоны неустойчивого увлажнения имеет границу, которая определяет допустимые затраты на внесение мелиоранта-почвоулучшителя, равные половине полного ущерба от процессов деградации. В сухой зоне оправдывает затраты на мероприятия по внесению мелиоранта-почвоулучшителя, сравнимые с потерями урожая вследствие интенсивных процессов деградации.

2 Прогнозные зависимости, составленные после внесения мелиорантов, показывают, что улучшение почвенного покрова способствует положительной динамике, то есть серьезные причины для ухудшения его плодородия в ближайшие годы отсутствуют.

3 Природные мелиоранты на основе местного сырья целесообразно применять для восстановления деградированных земель в засушливых условиях, в том числе решения проблем снижения переуплотнения почв, активизации процессов гумификации и накопления питательных элементов при орошении.

Список использованных источников

1 Перекрестов, Н. В. Почвенно-климатические условия ландшафтов Волгоградской области / Н. В. Перекрестов. - Волгоград: Нива ВолГАУ, 2012. - 260 с.

2 Гаврилов, А. М. Научные основы сохранения воспроизводства плодородия почв в агроландшафтах Нижнего Поволжья / А. М. Гаврилов. - Волгоград: ВГСХА, 1997. - 183 с.

3 Проблемы деградации и восстановления продуктивности земель сельскохозяйственного назначения в России / под ред. А. В. Гордеева, Г. А. Романенко. - М.: Росинформагротех, 2008. - 67 с.

4 Вознесенский, В. А. Статистические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях / В. А. Вознесенский. - М.: Финансы и статистика, 1981. - 263 с.

5 Образцов, А. С. Системный метод: применение в земледелии / А. С. Образцов. - М.: Агропромиздат, 1990. - 303 с.

6 Щедрин, В. Н. Математические методы прогнозирования в мелиорации / В. Н. Щедрин, С. М. Васильев, В. М. Игнатьев // Современное состояние и приоритетные направления развития аграрной экономики в условиях импортозамещения: материалы междунар. науч.-практ. конф., пос. Персиановский, 17 февраля 2016 г. - Персиановский: Донской ГАУ, 2016. - С. 151-158.

7 Васильев, С. М. Повышение устойчивости и эффективности использования агроландшафтов аридной зоны в условиях постоянного и циклического орошения: монография / С. М. Васильев. - Ростов н/Д.: Изд-во журн. «Изв. вузов. Сев.-Кав. регион», 2006. - 364 с.

8 Васильев, С. М. Оценка возможности возникновения кавитационной эрозии при осуществлении прогнозов местных размывов на сопрягающих сооружениях / С. М. Васильев, Ю. Е. Домашенко, Н. А. Антонова // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия / ФГБНУ «РосНИИПМ». - Новочеркасск: РосНИИПМ, 2014. - Вып. 54. - С. 84-87.

9 Михно, В. Б. Ландшафтно-экологические основы мелиорации / В. Б. Михно. - Воронеж: Изд-во ВГУ, 1995. - 208 с.

10 Васильев, С. М. Регулирование управленческих процессов в структурированных проблемных ситуациях АПК / С. М. Васильев, Ю. Е. Домашенко // Вестник Российской сельскохозяйственной науки. - 2016. - № 4. - С. 12-13.

11 Мещеряков, М. П. Применение передовых технологий орошения с использованием влагоудерживающих мелиорантов / М. П. Мещеряков, Н. В. Тютюма // Теоретичекие и прикладные проблемы агропромышленного комплекса. - 2013. - № 1(14). - С. 29-30.

12 Антонова, Н. А. Влияние орошения на микробиологические показатели почв Ростовской области / Н. А. Антонова, Ю. Е. Домашенко, С. М. Васильев // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия / ФГБНУ «РосНИИПМ». - Новочеркасск: РосНИИПМ, 2015. - Вып. № 1(57). - С. 49-53.

13 Методы повышения урожайности овощных культур на мелиорируемых землях юга России / А. С. Овчинников, В. С. Бочарников, М. П. Мещеряков, О. В. Бочарникова, А. А. Пахомов // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и выше профессиональное образование. - 2014. - № 1(33). - С. 5-8.

14 Васильев, С. М. Результаты математической обработки факторов, определяющих биопродуктивность растений на эрозионно опасных территориях агроландшафтов при биогенном загрязнении среды / С. М. Васильев, Н. М. Макарова, Ю. Е. Домашенко // Инновации в технологиях возделывания сельскохозяйственных культур: материалы междунар. науч.-практ. конф., пос. Персиановский, 17 февраля 2016 г. - Персиановский: Донской ГАУ, 2016. - С. 16-20.

Размещено на Allbest.ru