Теоретическое обоснование и расчет биоклиматических коэффициентов на примере возделывания картофеля летнего срока посадки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Теоретическое обоснование и расчет биоклиматических коэффициентов на примере возделывания картофеля летнего срока посадки

С.М. Васильев, В.Иг. Ольгаренко, Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации; И.В. Ольгаренко, Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А.К. Кортунова Донского государственного аграрного университета

Аннотация

Целью исследований являлось определение биоклиматических коэффициентов, а также характеристик их составляющих на основании проведения научно-аналитических исследований и статистического анализа многолетних опытных данных по возделыванию картофеля летнего срока посадки в условиях поймы Нижнего Дона, которые направлены на создание новых расчетных моделей, обеспечивающих рациональное использование водных и энергетических ресурсов, высокую продуктивность возделывания картофеля, сохранение и повышение плодородия почвы, создание благоприятной экологической обстановки в орошаемом агроландшафте. При расчете биоклиматических коэффициентов использовалась модель С.М. Алпатьева и А.М. Алпатьева. На основании проведенных исследований установлено, что величина эвапотранспирации, сумма активных температур и сумма дефицитов влажности воздуха составили соответственно 376,2 мм, 1800,2 градусов Цельсия и 1335,6 мбар в среднем за вегетационный период 2012-2016 гг. Биоклиматические коэффициенты, представляющие собой отношение величины эвапотранспирации к сумме накопленных активных температур воздуха и сумме дефицитов влажности воздуха, составили соответственно 0,209 и 0,282. Динамика данных биоклиматических коэффициентов за вегетационный период описывается эмпирическими уравнениями полиноминального вида второй степени. Многофакторным корреляционным анализом установлено, что вариация эвапотранспирации на 79 % связана с суммой активных температур и суммой дефицитов влажности воздуха, а это свидетельствует о тесной взаимосвязи между рассматриваемыми элементами.

Ключевые слова: эвапотранспирация, сумма активных температур воздуха, сумма дефицитов влажности воздуха, биоклиматические коэффициенты, статистический анализ, коэффициент корреляции, многофакторный корреляционный анализ, картофель, пойма Нижнего Дона.

Abstract

The aim of research was to determine the bioclimatic coefficients as well as the characteristics of their constituents on the basis of scientific and analytical studies and statistical analysis of long-term experimental data on summer planting potato cultivation under the conditions of the Lower Don floodplain, which are aimed at creating new computational models ensuring the rational use of water and energy resources, high productivity of potato cultivation, soil fertility preservation and increase, creation of favorable ecological situation of irrigated cultivated lands.

When calculating bioclimatic coefficients, the S.M. Alpatyev and A.M. Alpatyev model was used. In the result of conducted studies it was found out that the amount of evapotranspiration, the sum of active temperatures and the sum of air humidity deficits were about 376.2 mm, 1800.2 degrees Celsius and 1335.6 mbar on average respectively for the growing season 2012-2016. Bioclimatic coefficients, which are the ratio of the evapotranspiration value to the sum of the accumulated active air temperatures and the sum of air humidity deficiencies were 0.209 and 0.282 respectively. The dynamics of these bioclimatic coefficients over the vegetation period is described by empirical equations of the polynomial form of the second degree. Multiple correlation analysis found out that evapotranspiration variation is related to the sum of active temperatures and the sum of air humidity deficiencies by 79 %, and it indicates a close relationship between the elements under consideration.

Key words: evapotranspiration, sum of active air temperatures, sum of air moisture deficiencies, bioclimatic coefficients, statistical analysis, correlation coefficient, multiple correlation analysis, potatoes, flood plain of the Lower Don.

картофель влажность температура эвапотранспирация

По осредненным оценкам, площадь пойменных земель Нижнего Дона составляет 280 тыс. га, под сельскохозяйственные нужды отведено 60 тыс. га, из которых 10 тыс. га на орошении. Большое значение в дальнейшем развитии агропромышленного комплекса Ростовской области имеет повышение эффективности использования пойменных земель, и прежде всего при орошении [1-4]. В этих условиях производство картофеля летнего срока посадки является одним из приоритетных направлений развития сельского хозяйства [5-8]. Возделывание картофеля в условиях дефицита водных ресурсов должно базироваться на обосновании и реализации процессов управления орошением, которые обеспечивают повышение точности и надежности параметров расчета модели эвапотранспирации, увеличивают урожайность при экономном использовании водных и других ресурсов, улучшают экологическое состояние мелиорируемого фонда [9, 10].

Использование биоклиматического метода является обоснованным и общепринятым в нашей и зарубежных странах, однако он напрямую зависит от точных гидрометеорологических условий конкретного агроландшафта, так как потребление воды растениями в условиях оптимальной влагообеспеченности изменяется под влиянием биологических особенностей и климатических факторов [11-13]. В связи с этим большое внимание уделяется не только эмпирическим данным, но и теории определения величины эвапотранспирации. Она рассматривается как функция, зависящая от аргумента, который представлен условиями влияния внешней среды: температуры, дефицита влажности воздуха, скорости ветра и радиационного баланса [14]. Так что не менее важно определить, какой из аргументов имеет наибольшее влияние на величину эвапотранспирации.

Целью работы являлось определение биоклиматических коэффициентов, а также характеристик их составляющих на основании проведения научно-аналитических исследований и статистического анализа многолетних опытных данных по возделыванию картофеля летнего срока посадки в условиях поймы Нижнего Дона, которые направлены на создание новых расчетных моделей, обеспечивающих рациональное использование водных и энергетических ресурсов, высокую продуктивность возделывания картофеля, сохранение и повышение плодородия почвы, создание благоприятной экологической обстановки в орошаемом агроландшафте.

Материалы и методы. Исследования, на основании которых получены зависимости биоклиматических коэффициентов, проводились в течение пятилетнего периода в ООО «Агропредприятие «Бессергеневское» в станице Бессергеневской Октябрьского района Ростовской области. Почвенный покров изучаемого агроландшафта представлен лугово-черноземными почвами с содержанием гумуса в пахотном (0-25 см) и подпахотном (25-60 см) слоях соответственно 4,75 и 3,30 %. Количество нитратов, калия и фосфора для слоя 0-60 см составило соответственно 17,4; 268 и 16,4 мг/кг сухой почвы в среднем за рассматриваемые годы исследований. Влагообеспеченность орошаемого массива за вегетационный период характеризовалась гидротермическим коэффициентом Г.Т. Селянинова (за 2012-2016 гг.): 0,91; 0,66; 0,34; 0,24 и 0,69. За те же годы в период вегетации выпало 162,8; 122,1; 65,2; 42,5 и 121,7 мм осадков. Относительная влажность воздуха в среднем составила 51, 53, 50, 48 и 56 % соответственно за 2012-2016 гг. Вегетационные периоды по дефициту естественного увлажнения характеризовались как средневлажный (2012 г.), средний (2013 и 2016 гг.), среднесухой (2014 и 2015 гг.).

Расчет биоклиматических коэффициентов проводился на основании учета экспериментальных данных по величинам эвапотранспирации (ET, мм) для каждой фазы роста и развития картофеля летнего срока посадки, фактической суммы накопленной температуры воздуха (, °С) и суммы дефицитов влажности воздуха (, мбар) за рассматриваемый временной период:

, ,

где , - биоклиматические коэффициенты;

- эвапотранспирация, мм;

- сумма активных температур воздуха, °С;

- сумма дефицитов влажности воздуха, мбар.

Сумма активных температур воздуха определялась по фактическим данным метеостанции. Дефицит влажности воздуха определялся по зависимости:

,

где - дефицит влажности воздуха, мбар;

- максимальная упругость водяного пара, соответствующая температуре воздуха, определяемая по психометрическим таблицам метеостанции, мбар;

- относительная влажность воздуха, %.

Результаты и обсуждение. Величина эвапотранспирации определялась водобалансовым методом. Данные о накопленной активной температуре, суммах дефицитов влажности воздуха и величинах эвапотранспирации представлены в табл. 1 по основным фазам развития картофеля летнего срока посадки.

Таблица 1 - Температура, дефицит влажности воздуха и эвапотранспирация по основным фазам развития картофеля летнего срока посадки (в среднем за 2012-2016 гг.)

Анализ данных показывает, что сумма активных температур в среднем за годы исследований составила за вегетационный период 1800,2 °С, в фазу всходов - 254,6 °С, в фазу бутонизации - 448,6 °С, в фазу цветения - 178,6 °С, в фазу прекращения прироста ботвы - 357,6 °С, в фазу увядания ботвы - 347,0 °С, в фазу технической спелости - 213,8 °С. Сумма дефицитов влажности воздуха : за вегетационный период - 1335,6 мбар, в фазу всходов - 161,1 мбар, в фазу бутонизации - 330,6 мбар, в фазу цветения - 130,9 мбар, в фазу прекращения прироста ботвы - 267,0 мбар, в фазу увядания ботвы - 247,8 мбар, в фазу технической спелости - 164,6 мбар. Эвапотранспирация : за вегетационный период - 376,2 мм, в фазу всходов - 41,1 мм, в фазу бутонизации - 109,8 мм, в фазу цветения - 49,6 мм, в фазу прекращения прироста ботвы - 78,0 мм, в фазу увядания ботвы - 61,2 мм, в фазу технической спелости - 36,2 мм.

Количественные значения биоклиматических коэффициентов картофеля по фазам его вегетации представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Биоклиматические коэффициенты по фазам развития картофеля, в среднем за 2012-2016 гг.

Анализ данных показывает, что значения биоклиматических коэффициентов и составили соответственно в фазу всходов 0,163 и 0,284, в фазу бутонизации - 0,245 и 0,361, в фазу цветения - 0,278 и 0,392, в фазу прекращения прироста ботвы - 0,218 и 0,291, в фазу увядания ботвы - 0,177 и 0,254, в фазу технической спелости - 0,169 и 0,227.

Эмпирические зависимости динамики биоклиматических коэффициентов и от суммы накопленных активных температур воздуха и суммы дефицитов влажности воздуха за вегетационный период представлены на рисунках 1 и 2, которые описываются уравнениями полиноминального вида второй степени:

, ,

, ,

где , - биоклиматические коэффициенты;

- сумма активных температур воздуха, °С;

- сумма дефицитов влажности воздуха, мбар.

Как отмечает А.М. Алпатьев, линейные биоклиматические закономерности в зависимости от радиационного баланса , суммы среднесуточных дефицитов влажности воздуха и температуры воздуха имеют точность 85-90 % [15]. В настоящее время используются криволинейные зависимости, что позволяет повысить точность определения исследуемых параметров, но для построения еще более точных зависимостей предлагается использовать несколько гидрометеорологических характеристик. Для оценки тесноты взаимосвязи между составляющими формулы биоклиматических коэффициентов - эвапотранспирацией (, мм), суммой активных температур (, °С) и суммой дефицитов влажности воздуха (, мбар) - был проведен однофакторный и многофакторный корреляционный анализ (таблица 3).

Рисунок 1 - Динамика биоклиматических коэффициентов в зависимости от суммы накопленных активных температур воздуха

Рисунок 2 - Динамика биоклиматических коэффициентов в зависимости от суммы дефицитов влажности воздуха

Таблица 3 - Корреляционный анализ

Анализ надежности тесноты связи рассматриваемых характеристик показал, что температура ( = 0,88) и дефицит влажности воздуха ( = 0,74) имеют соответственно весьма тесную и тесную связи с эвапотранспирацией. Необходимо отметить, что при проведении многофакторного корреляционного анализа вариация эвапотранспирации на 79 % (детерминация = (0,89)² = 0,79) связана с действием изучаемых факторов (суммой активных температур воздуха и суммой дефицитов влажности воздуха) и может быть математически объяснена влиянием этих данных [16].

Динамика величины эвапотранспирации (, мм) в связи с суммой активных температур (, °С) и суммой дефицитов влажности воздуха (, мбар) представлена на рис. 3 и отражена в следующей зависимости с условиями соответствия 1721 < < 1889 °С и 1036 < < 1756 мбар:

, (1)

где - эвапотранспирация, мм;

- сумма температур воздуха, °С;

- сумма дефицитов влажности воздуха, мбар.

Условия соответствия, определенные для зависимости (1), характеризуют рассматриваемые вегетационные периоды. Значения шкал , и на рисунке 3 определены по фазам вегетации картофеля летнего срока посадки аналогично рисункам 1 и 2.

Выводы. В результате многолетних исследований установлены количественные значения биоклиматических коэффициентов ( = 0,209 и = 0,282); динамика биоклиматических коэффициентов по основным фазам роста и развития картофеля летнего срока посадки, эмпирические зависимости которых описываются полиноминальными уравнениями второго порядка с соответствующими коэффициентами аппроксимации = 0,81.

Определены коэффициенты корреляции для температуры и дефицита влажности воздуха, которые составили соответственно 0,88 и 0,74, что позволяет охарактеризовать связь рассматриваемых элементов биоклиматической модели как весьма тесную и тесную соответственно. Проведенный многофакторный корреляционный анализ позволяет сделать вывод, что вариация величины эвапотранспирации на 79 % связана с действием изучаемых факторов, а общий коэффициент корреляции составляет 0,89.

Рисунок 3 - Динамика эвапотранспирации в зависимости от температуры и дефицитов влажности воздуха

Установлена эмпирическая зависимость динамики эвапотранспирации картофеля летнего срока посадки от суммы активных температур и дефицита влажности воздуха для условий поймы Нижнего Дона за пятилетний период и описана нелинейным уравнением с соответствующими условиями соответствия.

Список использованных источников

1. Итоги полевых исследований режимов орошения в условиях Воронежской области в 2012 году / А.Ю. Черемисинов, Е.В. Куликова, А.А. Черемисинов, А.С. Котолевский, С.А. Плотников, Е.К. Блажина // Мелиорация, водоснабжение и геодезия: материалы межвуз. науч.-практ. конф., посвящ. столетию ВГАУ и каф. мелиорации, водоснабжения и геодезии / МСХ РФ, ФГБОУ ВПО «ВГАУ им. имп. Петра I». - Воронеж: Изд-во ВГАУ им. имп. Петра I, 2013. - С. 15-25.

2. Ольгаренко Г.В. Планирование экологически безопасных режимов орошения агробиоценозов с учетом изменчивости гидрометеорологических условий / Г.В. Ольгаренко, Ф.К. Цикоева // Природообустройство. - 2012. - № 5. - С. 7-11.

3. Юрченко И.Ф. Совершенные системы водопользования как фактор сохранения почвенного плодородия и устойчивости сельскохозяйственного производства в орошаемых агроландшафтах / И.Ф. Юрченко, В.В. Трунин // Агрохимический вестник. - 2013. - № 1. - С. 25-27.

4. Щедрин В.Н. Современное состояние и пути дальнейшего развития мелиорации в России / В.Н. Щедрин // Проблемы рационального использования природохозяйственных комплексов засушливых территорий: сб. науч. тр. междунар. науч.-практ. конф. / ФГБНУ «ПНИИАЗ». - Волгоград: Волгогр. ГАУ, 2015. - С. 340-351.

5. Бабичев А.Н. Урожайность, водопотребление и коэффициент водопотребления овощных культур на орошаемых землях Предгорной зоны Ставропольского края / А.Н. Бабичев // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия. - 2010. - Вып. 43. - С. 178-181.

6. Монастырский В.А. Возможность использования сидератов на орошаемых землях Ростовской области / В.А. Монастырский // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия. - 2011. - Вып. 45. - С. 66-69.

7. Басаргин А.Е. Влияние изменчивости климата на производство сельскохозяйственных культур / А.Е. Басаргин, Т.Г. Крюкова, Г.А. Радцевич // Молодежный вектор в развитии аграрной науки: материалы 66-й студенч. науч. конф., г. Воронеж, 16 марта - 1 июня 2015 г. - Воронеж: ВГАУ им. имп. Петра I, 2015. - С. 129-134.

8. Щедрин В.Н. Состояние и перспективы развития мелиорации земель на Юге России / В.Н. Щедрин, Г.Т. Балакай // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. - 2014. - № 3(15). - С. 1-15.

9. Щедрин В.Н. Влияние регулярного и циклического видов орошения на почвенное плодородие и продуктивность чернозема обыкновенного Азовской оросительной системы / В.Н. Щедрин // Почвоведение. - 2016. - № 2. - С. 249-256.

10. Щедрин В.Н. Оптимизация состава приборного обеспечения контроля агрометеопараметров как этап разработки технологии прецизионного орошения / В.Н. Щедрин, С.М. Васильев, А.А. Чураев // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. - 2016. - № 3(23). - С. 1-18.

11. Кулыгин В.А. Биоклиматические коэффициенты картофеля и овощных культур в Ростовской области / В. А. Кулыгин // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации - 2013. - № 4(12). - С. 81-92.

12. Bioclimatology and Vegetation Series in Sicily: A Geostatistical Approach / G. Bazan [et al.].

13. Very high resolution bioclimatic zoning of Portuguese wine regions: present and future scenarios / H. Fraga [et al.]

14. Григоров С.М. Биоклиматические коэффициенты водопотребления сладкого перца при капельном орошении / С.М. Григоров, Д.Ю. Богомолов, С.В. Федотова // Теоретическое и практическое развитие науки в современных социально-экономических условиях: материалы II Междунар. науч.-практ. конф. молодых ученых, с. Соленое Займище Астрах. обл., 15-16 мая 2013 г. - М.: Вестник РАСХН, 2013. - С. 110-113.

15. Алпатьев А.М. Влагообороты в природе и их преобразования / А.М. Алпатьев. - Л.: Гидрометеоиздат, 1969. - 324 с.

16. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта / Б.А. Доспехов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Колос, 1979. - 416 с.

Размещено на Allbest.ru