УДК 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ОКСО 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
ББК 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
ТБК 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003000 Agriculture / General
На основе системного анализа и балансового метода исследовано совместное управление мелиоративным режимом торфяной почвы с программированием урожайности капусты, включающее расчеты прогнозируемой урожайности, режима увлажнения дренажными водами и норм внесения минеральных удобрений с учетом экологических и ресурсных ограничений. Предложено фактические нормы минеральных удобрений для внесения под программируемый урожай на рециклинговых мелиоративных системах увеличивать на количество выноса с инфильтрационными водами и уменьшать на количество поступающих с капиллярными и поливными (дренажными) водами в корнеобитаемый слой элементами питания. Апробация технологии в производственных условиях на двух участка по 50 га каждый показала, что при фактической урожайности капусты 30-33 т/га водопотребление составило 305-335 мм, из которых 50 % покрывалось за счет атмосферных осадков и продуктивных влагозапасов почвы, 43 % за счет увлажнения дренажными водами и 7% за счет капиллярного притока влаги от грунтовых вод. Ресурсоемкость по расходу оросительной воды снижалась от 43,3 м3/т на первом участке до 34,8 м3/т на втором участке. Ресурсоемкость по затратам агрохимикатов была меньше на первом участке - 13,2 кг/т, чем на втором - 15,1 кг/т. Для получения урожая капусты белокочанной на торфяной почве более 30 т/га в условиях умеренно жаркого и средне засушливого вегетационного периода рекомендуется максимальная оросительная норма 115 мм и максимальная доза минеральных удобрений до 400 кг/га.
мелиоративный режим, программирование урожая капусты, торфяные почвы, ресурсоемкость, экологические ограничения.
Введение. Продуктивность мелиорируемых земель зависит от многих факторов, среди которых водный и пищевой режимы наиболее доступны для непосредственного управления. Научные основы программирования урожая безотносительно условий мелиоративного режима заложены в работах Шатилова И.С., Каюмова М.К., Добрачева Ю.П., Образцова А.С. и др. [5,6,7,8,9,13.14]. Применительно к мелиорируемым землям они нуждаются в определенной корректировке, чем определяется актуальность и задачи настоящих исследований. Программирование урожая на мелиорируемых землях имеет определенные преимущества в связи с возможностью управления мелиоративным режимом, включающим факторы почвообразования, роста растений и воздействия на окружающую природную среду (ОПС). Одновременно возникают и дополнительные сложности, связанные, например, для торфяных почв с противоречием между ростом урожайности и потерями органического вещества торфа, а также загрязнением атмосферы диоксидом углерода. Мелиоративный режим при этом рассматривается как совокупность требований к управляемым факторам почвообразования, роста растений и воздействия на окружающую среду, которые должна обеспечить система мелиоративных мероприятий для достижения поставленной цели [2,4,11].
Роль мелиоративного режима возрастает в связи с проблемой управления отходами мелиоративной отрасли, к которым в первую очередь относятся дренажный сток и потоки продуктов минерализации органического вещества торфа в водные объекты и атмосферу. Загрязнение дренажного стока зависит не только от интенсивности мелиоративного воздействия, но в значительной мере еще от агротехнологий, их интенсивности и норм внесения агрохимикатов. Вопрос апробации совместного взаимодействия технологий управления мелиоративным режимом и программирования урожая изучен недостаточно.
Материалы и методы. Методической основой работы являются натурные исследования, системный анализ, балансовый метод, отражающий закон сохранения вещества и энергии, законы земледелия и агроэкологии [1,4,10,12].
Преимущества в случае программирования продуктивности мелиорируемых агроландшафтов достигаются благодаря возможности гарантировано поддерживать оптимальный водный режим корнеобитаемого слоя почвы путем осушения и увлажнения. При этом целесообразны определенные ограничения по расходу воды на увлажнение, например, на основе предельной экологически обоснованной оросительной нормы, которая определяется по формуле (1) с учетом гидротермического коэффициента (ГТК), или индекса сухости по Будыко М.И., и не должна превышать количество влаги, которое вместе с осадками может быть ассимилировано в процессе фотосинтеза [2,10,11]:
где М – оросительная норма, мм;
- гидротермический коэффициент; R – радиационный баланс поверхности почвы, кДж/см2; ε –доля увеличения R от мелиораций; L- скрытая теплота парообразования, кДж/см2 в год на 1 мм слоя воды; Р- атмосферные осадки, впитавшиеся в почву, мм; g- влагообмен корнеобитаемого слоя почвы с грунтовыми водами (положительное направление вверх), мм.
Ограничения максимальных значений оросительных норм для южной части Нечерноземной зоны были определены нами ранее для оптимального диапазона значений ГТК и приведены в табл.1 [10,11]. Ограничение размера прогнозного уровня урожайности может быть достигнуто с учетом требования оптимальной ресурсоемкости в отношении расхода оросительной воды, агрохимикатов и других потребляемых ресурсов, определяемой по формуле (2) [10]:
где Rре – ресурсоемкость или удельный расход природного ресурса на единицу валовой продукции; Bn –расход природного ресурса, ед. массы или объема; Vn - объем валовой продукции, ед. массы или объема.
Таблица 1 - Предельные значения оросительных норм (мм) для оптимального диапазона гидротермического режима (0,9 ≥ ≤ 1,1)
Такая оптимизация по фактору увлажнения позволяет получать более реальные размеры потенциальной продуктивности и избежать ошибок программирования завышенной урожайности. Для целей программирования урожайности на мелиорируемых землях кроме регулярного агрохимического обследования почв также необходимо осуществлять анализ химического состава дренажных вод, которые используются для увлажнения.
Сроки полива назначались расчетным способом с применением уравнения водного баланса корнеобитаемого слоя почвы [2,3,10,12] .
Дозы минеральных удобрений рассчитываются на величину программируемой урожайности балансовым методом по И.С.Шатилову и М.К. Каюмову по формуле (3) [6,14]:
где Дм – доза минерального удобрения, кг д.в./га; У – планируемая урожайность основной продукции, т/га; Ку – коэффициент выноса элемента питания с урожаем в расчете на тонну основной продукции, кг/т; Qn – содержание элемента питания в почве, мг/100 г почвы; h – мощность пахотного слоя, см; V – плотность почвы, г/см3; Kn – коэффициент выноса элемента питания из почвы, %; Дорг- доза органических удобрений, т/га; Qорг – содержание элемента питания в органическом удобрении, %; Корг – коэффициент использования элемента питания из органического удобрения, %; Км – коэффициент использования элемента питания из минерального удобрения, %.
Апробация управления мелиоративным режимом и программирования урожая выполнена в производственных условиях на мелиорируемой торфяно-болотной почве в Мещерской низменности с применением рециклинговой гидромелиоративной технологии. Торф осоковый и осоково-древесный, рН 4,8-5,5, степень разложения 33-40%, зольность 8%, плотность 0,14-0,17 г/см3, плотность твердой фазы 1,40-1,46 г/см3. Почвы хорошо обеспечены азотом, слабо фосфором и бедны калием.
Результаты и обсуждение. Дренажные воды торфяных почв, используемые для увлажнения, относятся в основном к карбонатно-щелочному классу, содержание ионов в них изменяется 130-250 мг/л. При этом наибольший вынос биогенных элементов происходит в виде иона НСО3. Суммарная концентрация нитратного и аммонийного азота в дренажных водах, используемых для увлажнения, изменяется в пределах 2,1-3,8 мг/л и основном не превышает ПДК, за исключением их всплесков в отдельные периоды. Особенности водного режима мелиорируемых земель Нечерноземной зоны России в целом, а торфяно-болотных в особенности, состоят в неглубоком залегании грунтовых вод и периодическом промывном характере водного режима. В этих условиях фактические нормы минеральных удобрений для внесения под программируемый урожай на осушительно-увлажнительных мелиоративных системах следует увеличивать на количество выноса с инфильтрационными водами и уменьшать на количество поступающих с поливными (дренажными водами) в корнеобитаемый слой элементов питания по формуле (4):
где Дв – доза внесения минерального удобрения, кг д.в./га; Дg– количество удобрений, вымываемых инфильтрационными водами (+) при осушении, или количество минерального удобрения, поступающего с капиллярным притоком грунтовых вод в корнеобитаемый слой почвы (-); До – количество минерального удобрения, возвращаемая с поливной водой, кг д.в./га.
Количество питательных веществ, возвращаемое с поливной водой, определяется по формуле (5) умножением ожидаемой оросительной нормы на концентрацию элемента питания в дренажной или оросительной воде, включая и подкормку с поливной водой:
где mi – поливная норма, мм; Сmi - концентрация элемента питания в поливной воде, мг/л; k – число поливов за сезон.
Аналогично может быть определено и количество питательных веществ, поступающих с атмосферными осадками.
Количество питательных веществ, поступающих в корнеобитаемую зону с раствором поровых вод при подпитывании, и вымываемых из нее при инфильтрации, определяется соответственно по зависимостям (6) и (7), которые запишем раздельно.
где - Дg, g, и C со стрелкой вверх (↑) соответственно количество питательных веществ, приток влаги от грунтовых вод в корнеобитаемый слой почвы (мм) и концентрации в них питательных веществ (мг/л), а со стрелкой вниз (↓) те же показатели для случая инфильтрации почвенной влаги в грунтовые воды.
Вегетационный период по гидротермическим условиям характеризовался как умеренно жаркий и средне засушливый. Орошение осуществлялось дождевальной машиной ДКШ-64 «Волжанка», водозабор дренажных вод из проводящей сети производился насосной станцией СНП 75-100. Полив назначался при достижении влажности в расчетном слое почвы предполивного порога, равного 60% полной влагоемкости. Расчетный слой увлажнения изменялся от 0,2 м в первый месяц вегетации капусты до 0,4 м в последующие месяцы.
Предварительно были произведены расчеты выноса питательных веществ с урожаем по методике, изложенной в литературе [3]. Результаты расчета для основных культур севооборота, включающих зерновые культуры, картофель и овощные культуры, в среднемноголетнем разрезе представлены в табл. 2.
Дальнейший расчет норм удобрений проводился с учетом выноса элементов питания с планируемым урожаем капусты, а так же с учетом содержания в корнеобитаемом слое мелиорируемой торфяной почвы доступных форм азота, фосфора и калия. Учитывая низкую обеспеченность торфяной почвы фосфором и калием, норма их внесения увеличивалась для компенсации выноса и урожаем и для повышения почвенного плодородия. Окончательное значение внесения минеральных удобрений корректировалось с учетом поступления питательных веществ с оросительной водой и капиллярным притоком влаги от грунтовых вод или их выноса инфильтрационными водами.
В результате для двух производственных участков по 50 га каждый были определены нормы минеральных удобрений, составившие для первого участка: азота - 70 фосфора - 200 и калия - 125 кг/га, а для второго участка, соответственно 105, 250 и 145 кг/га.
Внесение удобрений осуществлялось в три приема. Доза под основную обработку весной составляла 60 % расчетной нормы. Остальную часть нормы вносили в равных дозах в виде подкормок в начале и в конце июля.
Сроки полива назначались расчетным способом на основе водного баланса корнеобитаемого слоя почвы с прямым измерением на участке атмосферных осадков и глубины залегания грунтовых вод в скважинах на каждом из двух участков. Расчет водопотребления капусты производился биоклиматическим методом, а водообмен почвы с грунтовыми водами определялся расчетом в зависимости от глубины залегания вод и недостатка или избытка влаги в корнеобитаемом слое почвы относительно равновесного влагосодержания по разработанной ранее нами расчетной зависимости [10,11].
Оросительная норма для первого участка составила 130 мм, было проведено 4 вегетационных полива нормой 30 м и один приживочный нормой 10 мм. На втором участке оросительная норма составила 115 мм, было проведено 3 вегетационных полива нормой 35 мм и один приживочный послепосадочный полив. При этом размер фактических оросительных норм не превысил предельного экологического значения, определяемого по табл. 1 (90 мм ≤ Мф ≤ 155 мм). Наибольшее водопотребление капусты 5 мм/сут отмечалось в период формирования кочана, в целом сезонное водопотребление капусты составило 305-335 мм. В засушливые периоды приток капиллярной влаги от грунтовых вод, залегающих в среднем за вегетацию на глубине 0,9-1,4 м от поверхности, достигал 15-18 %.
Водопотребление капусты на 50 % покрывалось за счет атмосферных осадков и продуктивных влагозапасов почвы, на 43 % за счет увлажнения дренажными водами и на 7% за счет капиллярного притока влаги от грунтовых вод. Структура источников водопотребления в мм слоя воды показана на рис. 1.
Фактическая производственная урожайность капусты составила 30-33 т/га, что превышало среднюю урожайность по хозяйству в предшествующие годы более чем на 30 %. Ресурсоемкость по водопотреблению на обоих участка была близка и составила около 102 м3/т. Ресурсоемкость по расходу оросительной воды была больше 43,3 м3/т на первом участке, чем на втором - 34,8 м3/т. Ресурсоемкость по затратам агрохимикатов (NPK) на первом участке составила 13,2 кг/т, а на втором 15,1 кг/т (табл. 3).
Таблица 3 – Основные показатели эффективности программирования урожая на мелиорируемой торфяной почве
|
Показатели |
Участок 1 |
Участок 2 |
|
Урожайность, т/га |
30 |
33 |
|
Водопотребление, мм |
305 |
335 |
|
Оросительная норма, мм |
130 |
115 |
|
Норма удобрений, кг/га |
395 |
500 |
|
Ресурсоемкость по оросительной воде, м3/т |
43,3 |
34,8 |
|
Ресурсоемкость по водопотреблению, м3/т |
101,7 |
101,5 |
|
Ресурсоемкость по NPK, кг/т |
13,2 |
15,1 |
Таким образом, управление мелиоративным режимом с учетом экологических и ресурсных ограничений и применением программирования урожая для регулирования пищевого режима показало, что первый вариант технологии был более ресурсосберегающим по удобрениям, а второй вариант технологии был более ресурсосберегающим по оросительной воде. Применение технология программирования урожая позволяет более рационально использовать оросительную воду и минеральные удобрения на мелиорируемых торфяно-болотных почвах.
Заключение
В полевых натурных исследованиях с применением системного анализа, балансового метода и законов агроэкологии определена оценка совместного управления мелиоративным режимом и программированием урожая на мелиорируемой торфяной почве с целью снижения отходов агромелиоративного производства и снижения ресурсоемкости за счет применения для увлажнения дренажных вод и внесение минеральных удобрений под программируемый урожай.
Установлено, что программирование урожая на торфяных почвах имеет свои особенности, связанные с необходимостью учета выноса питательных веществ инфильтрационными водами и их дополнительного поступления с капиллярным потоком влаги от грунтовых вод, а также и с дренажными водами, используемыми для увлажнения осушаемых земель.
Наибольшее водопотребление капусты 5 мм/сут отмечалось в период формирования кочана, в целом сезонное водопотребление капусты составило 305-335 мм. Водопотребление капусты на 50 % покрывалось за счет атмосферных осадков и продуктивных влагозапасов почвы, на 43 % за счет увлажнения дренажными водами и на 7% за счет капиллярного притока влаги от грунтовых вод.
Фактическая урожайность капусты изменялась в диапазоне 30-33 т/га, что превышало среднюю урожайность по хозяйству в предшествующие годы более чем на 30 %. Ресурсоемкость по водопотреблению на обоих участка была близка и составила около 102 м3/т. Ресурсоемкость по расходу оросительной воды была больше на первом участке (43,3 м3/т), чем на втором участке (34,8 м3/т). Ресурсоемкость по затратам агрохимикатов (NPK) на первом участке составила 13,2 кг/т, а на втором 15,1 кг/т.
Сравнительный анализ двух вариантов, в первом из которых была больше норма орошения, а в другом норма удобрений, показал, что для получения урожая капусты белокочанной на торфяной почве более 30 т/га в условиях умеренно жаркого и средне засушливого вегетационного периода можно рекомендовать максимальную дозу удобрений до 400 кг/га и максимальную оросительную норму 115 мм.
1. Агроэкология / В. А. Черников, Р. М. Алексахин, А. В. Голубев [и др.]; под ред. В. А. Черникова, А. И. Чекереса. – М.: Колос, 2000. – 536 с.
2. Айдаров И. П. Оптимизация мелиоративных режимов орошаемых и осушаемых сельскохозяйственных земель / И. П. Айдаров, А. И. Голованов, Ю. Н. Никольский. – М.: Агропромиздат, 1990. – 60 с.
3. Агрохимия. Учебник / В. Г. Минеев, В. Г. Сычев, Г. П. Гамзиков и др.; под ред. В. Г. Минеева. — М.: Изд-во ВНИИА им. Д. Н. Прянишникова, 2017. — 854 с.
4. Голованов А. И. Мелиорация земель / А. И. Голованов, И. П. Айдаров, М. С. Григоров [и др.]; под ред. А. И. Голованова. — М.: КолосС, 2011. — 824 с. — ISBN 978-5-9532-0752-2.
5. Добрачев Ю. П. Результаты прогнозирования урожайности и сроков созревания озимой пшеницы в Краснодарском крае // Вестник сельскохозяйственной науки. 1985. № 8. С. 62.
6. Каюмов М. К. Программирование продуктивности полевых культур: Справочник / М. К. Каюмов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Росагропромиздат, 1989. – 368 с.
7. Маслов Б. С. Итоги внедрения программирования урожаев сельскохозяйственных культур на орошаемых землях / Б. С. Маслов, А. Г. Галушкин, Ю. П. Добрачев, Ю. С. Пунинский // В сборнике: Технология орошения и программирования урожая. Сборник научных трудов. Москва, 1986. С. 11-15.
8. Образцов А. С. О научных основах прогнозирования и программирования урожая (состояние и перспективы исследований) / А. С. Образцов, В. М. Ковалев, Ю. П. Добрачев, В. Г. Головатый, А. И. Живлов // Сельскохозяйственная биология. 1980. Т. 15. № 6. С. 820.
9. Осин А. А. Программирование урожайности полевых культур / А. А. Осин, В. С. Осина, В. В. Коломейченко // В сб.: Продукционные процессы и устойчивость растений. — Орел, 2017. С. 228-243.
10. Пыленок П. И. Агромелиоративное природопользование. Научно-технологические и экологические основы: монография. — М.: ВНИИГиМ, 2022. – 215 с. DOI:https://doi.org/10.37738/VNIIGIM.2022.94.88.001.
11. Пыленок П. И. Природоохранные мелиоративные режимы и технологии / П. И. Пыленок, И. В. Сидоров. – М.: Россельхозакадемия, 2004. – 323 с.
12. Пыленок П. И. Ресурсосберегающая технология увлажнения осушаемых торфяных почв дренажными водами / П. И. Пыленок, Р. О. Ефремов // Вестник мелиоративной науки. 2024. № 1. С. 37-4
13. Соловьев А. В. К вопросу теоретических основ программирования урожаев сельскохозяйственных культур // Вестник Российского государственного аграрного заочного университета. 2023. № 44 (49). С. 87-91.
14. Шатилов И. С. Научные основы программирования урожаев сельскохозяйствен¬ных культур / И. С. Шатилов, М. К. Каюмов. — М.: Колос, 1978. — 335 с.
15. Шахова О. А. Программирование урожаев сельскохозяйственных культур в условиях северного Зауралья // Мир Инноваций. 2020. № 4. С. 34-39.
