Поливные устройства для капельного орошения плодоносящих яблонь, культивируемых на черноземах Ростовской области

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

В условиях дефицита водных ресурсов ведение интенсивного садоводства в аридных зонах страны осуществляется с использованием технологий капельного орошения [1, 2]. Все большее распространение этот способ искусственного увлажнения многолетних плодовых древесных культур получает в Ростовской области. В составе плодовых культур, выращиваемых на черноземных почвах региона, широко представлены различные сорта яблони, возделываемой в садовых насаждениях с использованием капельного орошения. Становлению и развитию технологий капельного полива яблоневых растений, культивируемых в природно-климатических условиях Ростовской области, способствовали исследования О.Е. Ясониди, А.М. Олейника, Ю.С. Уржумовой и других специалистов [3-6].

С учетом высокой степени локальности увлажнения почвенного пространства при капельных поливах особое значение придается вопросу определения количества и выбора расположения точек водоподачи (капельных микроводовыпусков) в пределах зоны питания яблоневых растений. Для решения указанной задачи необходимы соответствующие данные и знания в области корневедения, и в частности данные о характере распространения корневых систем растений. Известная информация о параметрах корневых систем яблони приведена в публикациях В. А. Колесникова, В.Н. Шкуры, А.Н. Рыжакова, А.Д. Ахмедова и др. [7-10].

Локальность зон увлажнения, формирующихся в почвогрунтовом пространстве при капельном поливе, актуализировала необходимость проведения исследований и разработки методик определения геометрических и влажностных параметров контуров увлажнения почвы. Обстоятельная информация о прогнозировании размеров контуров и внутриконтурном распределении влажности почвы приведена в публикациях С.М. Васильева, А.С. Овчинникова и др. [11-13].

Размещение яблоневых растений в садовых насаждениях осуществляется по определенным схемам их посадки, определяемым внутрирядовым и межрядовым расстоянием и выделенной растению площадью питания. В сложившейся практике схемы посадки растений принимаются без учета возможности размещения капельной поливной сети. При таком подходе капельная поливная сеть и поливные устройства вписываются в принятую схему размещения растений в садовом насаждении. В реальной практике такой подход приводит к недостаточной степени учета потребностей и особенностей растений, а поливная сеть проектируется преимущественно из соблюдения требований к обеспечению удобства проведения уходных агротехнических работ. В большинстве известных авторам существующих садово-яблоневых насаждений количество и размещение капельных микроводовыпусков не оптимизировано.

Известны предложения по количеству и расположению капельных микроводовыпусков в пределах зон питания многолетних древесных и лианных плодовых культур (рисунок 1) [14].

Несмотря на определенную условность, приведенные на рисунке 1 схемы соответствуют современным представлениям о влиянии на потребное для капельного орошения растений количество капельниц почвенных условий и вида многолетних культур, но не дают ответа на вопрос обеспечения подвода воды к принятым вариациям размещения капельниц.

Рисунок 1 - Схемы размещения капельниц при поливе фруктовых деревьев: I - на средних и тяжелых по механическому составу почвах; II - на легких по механическому составу почвах; а - фруктовый сад; б - пальметтный сад; в - виноградник; 1 - растения; 2 - зона увлажнения; 3 - зона распространения основной корневой системы растений (размеры в см)

Имеющаяся информация позволяет сформулировать основные условия и требования к устройству капельной поливной сети для полива многолетних насаждений, суть которых состоит в нижеследующем.

1 Поливная сеть и поливные устройства должны удовлетворить потребность культивируемых древесных растений в оросительной воде. При этом должны быть учтены биологические особенности возделываемых культур в части формирования и параметров их корневых систем.

2 Требуемое для качественного полива древесных растений количество и местоположение капельных микроводовыпусков необходимо устанавливать: с учетом обеспечения искусственного увлажнения определенной части зоны питания (по глубине и в плане); расположения основной (активной) части (массы) корней растения; параметров единичных контуров увлажнения почвогрунтового пространства, формируемых в подкапельном пространстве при поливе одним капельным микроводовыпуском.

3 Устройства для капельного полива не должны препятствовать проведению агротехнических мероприятий (уходных работ), а их конструктивные решения должны отвечать требованиям экономичности, минимальной трудоемкости при эксплуатации и экологичности.

Резюмируя приведенное выше, отметим, что, несмотря на имеющиеся данные исследований, посвященных капельному поливу различных видов многолетних плодовых древесных культур, возделываемых в различных почвенно-климатических условиях, общепринятая методика проектирования капельных поливных сетей и капельных поливных устройств отсутствует. В реальной практике плодоводства сформулированные выше условия и требования к прокладке капельных сетей и устройствам для капельного полива древесных садовых растений в должной мере не выполняются. В подавляющем количестве известных примеров приоритет отдается выполнению третьей позиции вышесформулированных требований к устройству капельных сетей. Чаще всего применяются капельные линии, трассируемые вдоль рядов растений, в непосредственной близости к штамбу деревьев. Капельницы располагаются в капельных трубках (реже в лентах), и их количество составляет от двух до трех на растение [15]. При таком подходе увлажняется почвенное пространство только в рядовом направлении, а большая часть межрядового пространства остается неувлажненной.

Указанные обстоятельства актуализируют необходимость проведения исследований, посвященных накоплению необходимого для создания рекомендаций по разработке устройств для капельного полива древесных плодовых культур материала, что и определено задачей настоящей работы.

Материалы и методы. В основу материала для публикации и приведенных обобщений положены: данные авторских и известных исследований, посвященных изучению корневых систем яблоневых растений, произрастающих на черноземных почвах Ростовской области; результаты исследований и авторские рекомендации по определению геометрических параметров единичных контуров увлажнения, формирующихся в подкапельном почвенном пространстве при капельном поливе; конструкции капельных поливных устройств. При получении опытных данных по корневым системам использовались общепринятые методики проведения раскопок, измерений и анализа. При разработке устройств для капельного полива древесных культур использовались методы поискового конструирования.

Результаты и обсуждение. Определяющим условием и требованием рационального устройства поливной сети для капельного полива многолетних растений является учет параметров их корневых систем. Исследования корневых систем яблони проводились с целью получения необходимых данных для определения расположения основной массы корней растения. В процессе исследований выполнены раскопки 12 корневых систем яблоневых растений, произрастающих в садах Аксайского, Октябрьского, Азовского и Семикаракорского районов Ростовской области.

Обобщение опытных данных позволило получить систему приведенных ниже расчетных экспериментальных зависимостей для определения геометрических размеров основной части (массы) корней корневой системы яблони (глубины и удаленности от штамба растений).

Значение радиуса удаленности наиболее крупных корневых ветвей корневой системы яблоневого растения от штамба (, м) в возрасте (, лет), превышающем возраст вступления его в плодоношение (, лет), может быть определено по экспериментальной зависимости:

, (1)

где - среднее значение радиуса кроны яблони, м;

- заглубленность основной части корневой системы растения, м;

- высота растения (высота наземной части), м;

- параметр рослости сорта корнесобственных растений, вида его привоя и подвоя. Для среднерослых растений = 0,95…1,05, для карликовых сортов = 0,7…0,9 и для сильнорослых = 1,15…1,25.

Для растений позднего вступления в период плодоношения (при > 5 лет) величина , м, может быть определена по зависимости вида:

. (2)

При соблюдении повозрастных ограничений вступления растений в плодоношение более точное значение может быть определено как среднее между значениями, установленными по зависимостям (1) и (2).

Средний радиус удаленности корней растения по всем корневым ветвям («ответвлениям») (, м) определяется по зависимости вида:

.

Средний радиус расположения (средняя удаленность от штамба) основной части (массы) корней (, м) определяется по зависимости вида:

.(3)

Величина определяет внешнюю границу удаленности зоны расположения 80 % корневой системы яблони от ее штамба, в пределах которой располагается и активная (питающая и водопотребляющая) часть (отрастающих и волосяных) корней. Внутренняя граница расположения основной части «активных» корней, очерчиваемая по среднему радиусу (, м) и определяющая удаленность этой зоны от штамба, может быть установлена по экспериментальной зависимости вида:

.(4)

По установленным значениям и определяется область интенсивного потребления почвенного раствора корневой системой растений, в пределах которой рекомендуется размещать капельницы.

Одновременно с осуществлением раскопок корневых систем растений велось определение почвенных характеристик в месте их произрастания и исследование геометрических и влажностных параметров локальных контуров капельного увлажнения почвенного пространства. При определении почвенных характеристик погоризонтно или послойно устанавливались показатели гранулометрического состава почвы (содержание в почве физической глины , определяемое в процентах от массы сухой почвы (% МСП)), значения наименьшей влагоемкости почвы (, % МСП), плотности сложения почвенных слоев (, т/м3) и содержание гумуса (, %). Установленные значения почвенных характеристик использованы при получении зависимостей для определения геометрических и влажностных параметров контуров капельного увлажнения почвенной толщи.

Исследования локальных контуров увлажнения предусматривали определение их геометрических и влажностных характеристик [9, 10].

Обобщение опытных данных позволило получить экспериментальные зависимости для определения диаметра (, м) и площади горизонтального сечения (, м2) контура увлажнения, имеющие вид:

,(5)

где - влажность ограничивающей контур капельного увлажнения изоплеты, в долях наименьшей влагоемкости почвы;

- глубина контура определенного уровня влажности почвы, м;

- среднее по глубине увлажняемого почвенного слоя содержание физической глины, % МСП;

- средняя по глубине наименьшая влагоемкость почвы, % МСП;

.(6)

С учетом зависимости (6) количество капельниц (, шт.), необходимое для полива принятой площади увлажнения растения (, м2), составит:

.(7)

Полученное количество капельниц рекомендуется расположить в пределах области увлажнения, ограниченной радиусами окружностей и , определяемых по зависимостям (3) и (4) соответственно.

Использование вышеприведенных расчетных зависимостей по параметрам зон концентрации основной части (массы) корней растений и размерам локальных контуров увлажнения позволяет определить необходимое количество капельных микроводовыпусков и установить места их размещения в пределах области питания яблоневых растений.

Определение количества и мест размещения капельных микроводовыпусков предлагается осуществлять в нижеследующем порядке.

1 В соответствии с принятой схемой посадки древесных растений в саду определяется выделенная ему (возможная для использования) площадь зоны питания (, м2) как результат умножения межрядового расстояния (, м) на расстояние между растениями в ряду (, м).

2 С учетом природно-климатической зоны по рекомендациям В. Н. Щедрина и др. [1] или материалам экспериментальных исследований принимается доля увлажняемого при капельном орошении почвенного пространства ( в пределах от 0,1 до 0,3) от площади зоны питания () и определяется величина площади, подлежащей увлажнению (, м2):

.

3 По зависимости (3) определяется граница области (зоны) концентрации основной части корней корневой системы растения (, м).

4 По зависимости (4) определяется удаленность границы зоны неэффективного потребления влаги корнями (, м) от штамба растения.

5 Для установленных значений показателей почвенных условий (, ) и принятой (заданной) глубины увлажнения по зависимости (5) определяется диаметр контура увлажнения почвы (, м) при заданном уровне влажности . Используя полученное значение диаметра, по зависимости (6) определяют площадь контура увлажнения при определенном значении уровня влажности (, м2).

6 По принятому (заданному) значению и установленному значению определяется количество капельниц с использованием соотношения (7).

7 Принимается решение о расположении расчетного значения капельниц в пределах зоны почвенного пространства, ограниченной окружностями с радиусами и . Капельницы следует размещать равномерно как в межрядовом, так и во внутрирядовом пространстве с соблюдением условия формирования межконтурных неувлажняемых участков.

8 В соответствии с намеченными точками расположения капельных микроводовыпусков рассматриваются возможные варианты расположения капельной(ых) линии(й) и применяемых конструкций капельных устройств, обеспечивающих подачу поливной воды к располагаемым в зоне увлажнения капельницам (в ряду и межрядовом пространстве).

Наиболее простым конструктивным решением капельного поливного устройства для полива древесных растений с развитой корневой системой является устройство, в котором подвод воды к периметрически расположенным капельницам осуществляется отводами от капельной линии. Возможно устройство отвода в виде изогнутой (огибающей растение) капельной трубки с несколькими размещенными на ней (питающимися из нее) капельницами. Примеры таких решений приведены на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схемы компоновочно-конструктивных решений поливных устройств для капельного полива древесных насаждений: а - при использовании индивидуальных водоотводов от капельной линии; б - при устройстве криволинейного капельного отвода с капельницами; 1 - ствол дерева; 2 - ороситель; 3 - капельный трубопровод; 4 - капельницы; 5 - индивидуальные отводы от капельной линии к капельницам; 6 - границы зон капельного увлажнения почвы; 7 - криволинейный капельный отвод с закрепленными на нем капельницами; 8 - граница зоны питания одного растения; 9 - внутренняя граница расположения основной части «активных» корней (); 10 - внешняя граница расположения основной части «активных» корней ()

Указанные относительно простые решения поливных устройств для капельного полива не обеспечивают выполнение требования по ведению уходных агротехнических работ, а снятие или перемещение водоотводов на период их проведения требует значительных затрат ручного труда.

Данные недостатки нейтрализуются в конструкции поливного устройства для капельного полива деревьев, приведенного на рисунке 3.

Рисунок 3 - План (а) и вид сбоку (б) на участок сада, орошаемого разработанным поливным устройством с прямолинейным водоотводом

Предлагаемое устройство для капельного полива яблони включает следующие конструктивные элементы: тройник, упругую муфту, капельный водоотвод с расположенными на нем капельницами, формирующими в почвенной толще контуры капельного увлажнения. Тройник присоединяется к поливному трубопроводу, расположенному в створе ряда растений. Капельный водоотвод при подаче воды автоматически укладывается в рабочее положение, а по окончании водоподачи (в межполивной период) автоматически поднимается в нерабочее положение. На тройнике для обеспечения его устойчивости имеются костыльки, с помощью которых он фиксируется путем вдавливания их в почвенную толщу.

Работа устройства при поливе и в межполивной период осуществляется в нижеприведенной последовательности. В межполивной период капельные водоотводы не содержат оросительной воды и, благодаря способности упругой муфты, находятся в близком к вертикальному (нерабочему) положении. При этом обеспечивается доступ сельскохозяйственной техники в межрядовое пространство. При проведении полива оросительная вода подается по поливному трубопроводу и через тройник и упругую муфту заполняет капельный водоотвод. При этом масса водоотвода увеличивается и, преодолевая сопротивление упругой муфты, он принимает близкое к горизонтальному положение, в котором через установленные на консоли капельницы производится выпуск воды и увлажнение зоны питания растений. После окончания подачи воды в поливной трубопровод капельный водоотвод опорожняется, его масса уменьшается, и он занимает нерабочее положение. Таким образом, предложенная конструкция капельного поливного устройства обеспечивает автоматическое регулирование положения поливного водоотвода в режиме полива и в режиме проведения уходных работ (при отсутствии подачи воды в капельную поливную сеть).

Отметим, что использование прямолинейных капельных водоотводов не в полной мере отвечает оптимальному размещению капельниц в межрядовом пространстве зоны увлажнения. Для решения этой задачи предлагается использовать Т-образные и дугообразные водоотводы, компоновочно-конструктивные решения которых приведены на рисунке 4.

Из приведенных конструкций капельных устройств наиболее приемлемо конструктивное решение капельного водоотвода дугообразной формы как по соответствию ее очертания плановым размерам области увлажнения, так и по соображениям обеспечения ее жесткости и устойчивости.

Рисунок 4 - План участка сада, орошаемого разработанным поливным устройством с Т-образным (а) и дугообразным (б) водоотводами

Выводы

1 При разработке поливной сети и поливных устройств для капельного полива необходимо удовлетворить потребность культивируемых древесных растений в оросительной воде. При этом должны быть учтены биологические особенности возделываемых культур в части формирования и параметров их корневых систем. Требуемое для качественного полива древесных растений количество и местоположение капельниц необходимо устанавливать с учетом обеспечения искусственного увлажнения определенной части зоны питания (по глубине и в плане).

2 В результате проведенного исследования и обобщения получена система расчетных экспериментальных зависимостей для прогнозирования параметров зоны расположения основной части (массы) корней корневой системы яблоневых растений и контуров капельного увлажнения почвы, на основе которых предложена методика определения количества и расположения капельниц, обеспечивающих соответствующий агротехническим требованиям капельный полив яблоневых растений.

3 Для реализации капельного полива многолетних древесных насаждений предложено капельное поливное устройство, конструкция которого позволяет производить увлажнение как внутрирядового, так и межрядового пространства области питания растения и автоматически освобождает межрядовое пространство по окончании полива, чем обеспечивает беспрепятственное проведение уходных и других видов работ в межрядовом пространстве в межполивной период.

Литература

поливной капельный древесный

1. Оросительные системы России: от поколения к поколению: монография: в 2 ч. / В.Н. Щедрин, А.В. Колганов, С.М. Васильев, А.А. Чураев. - Новочеркасск: Геликон, 2013. - 590 с.

2. Ольгаренко, Г.В. Развитие капельного орошения в Российской Федерации / Г.В. Ольгаренко // Состояние и перспективы применения капельного орошения для интенсификации садоводства, виноградарства и овощеводства: материалы междунар. науч.-практ. конф. - Киев, 2012. - С. 10-11.

3. Ясониди, О.Е. Капельное орошение / О.Е. Ясониди. - Новочеркасск: Лик, 2011. - 322 с.

4. Олейник, A.M. Временные рекомендации по технологии полива молодого яблоневого сада капельным способом / A.M. Олейник, Е.В. Букин. - Новочеркасск: ЮжНИИГиМ, 1983. - 12 с.

5. Уржумова, Ю.С. Технологические и конструктивные элементы локального низконапорного орошения садов для условий южных черноземов Ростовской области: автореф. дис. … канд. техн. наук: 06.01.02 / Уржумова Юлия Сергеевна. - Новочеркасск, 2004. - 24 с.

6. Шкура, В.Н. Капельное орошение яблони: монография / В.Н. Шкура, Д.Л. Обумахов, А.Н. Рыжаков; под ред. В.Н. Шкуры. - Новочеркасск: Лик, 2014. - 310 с.

7. Колесников, В.А. Корневая система плодовых и ягодных растений / В.А. Колесников. - М.: Колос, 1974. - 509 с.

8. Шкура, В.Н. Геометрия корневых систем яблони: монография / В.Н. Шкура, Д.Л. Обумахов, Е.Н. Лунева; под ред. В.Н. Шкуры; Новочеркас. гос. мелиоратив. акад. - Новочеркасск: Лик, 2013. - 124 с.

9. Рыжаков, А.Н. Исследование основной массы корней яблоневых растений / А.Н. Рыжаков, В.Н. Шкура // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации [Электронный ресурс]. - 2015. - № 4(20). - С. 85-95. - Режим доступа: http:rosniipm-sm.ru/archive?n=366&id=372.

10. Ахмедов, А.Д. Характер распределения корневой системы яблони при внутрипочвенном орошении / А.Д. Ахмедов // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2008. - № 3(11). - С. 23-26.

11. Васильев, С.М. Определение влажностных параметров внутриконтурного капельно увлажняемого почвенного пространства / С.М. Васильев, В.Н. Шкура, А.С. Штанько // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса. - 2018. - № 4(52). - С. 316-323.

12. Васильев, С.М. Очертание локальных зон увлажнения подкапельного почвенного пространства / С.М. Васильев, В.Н. Шкура, А.С. Штанько // Аграрный научный журнал. - 2019. - № 3. - С. 65-71.

13. Ovchinnikov, A.S. Methodology of calculation and justification of the wetting parameters in the open field and greenhouse / A.S. Ovchinnikov, V.S. Bocharnikov, M.P. Meshcheryakov // Environmental Engineering. - 2012. - № 4. - P. 29.

14. Шумаков, Б.Б. Мелиорация и водное хозяйство. Орошение: справочник / Б. Б. Шумаков. - М.: Колос, 1999. - 492 с.

15. Овчинников, А.С. Модернизация элементов систем капельного орошения / А.С. Овчинников, В.С. Бочарников, М.П. Мещеряков // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2012. - № 3(27). - С. 171-174.

Размещено на Allbest.ru