УДК 631.432 Водный режим почвы. Грунтовые воды
ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ОКСО 35.06.01 Сельское хозяйство
ББК 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
ТБК 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003000 Agriculture / General
Цель исследования – выявление закономерности изменения составляющих водного баланса зоны аэрации почвы и их взаимосвязи с влажностью дерново-подзолистых почв в условиях возделывания белокочанной капусты в Центральном районе Нечерноземной зоны РФ, с ориентацией на достижение максимально возможных урожаев культуры. В качестве объектов анализа рассматриваются: влажность дерново-подзолистой почвы, ключевые элементы водного баланса (осадки, испарение, фильтрация, транспирация и др.), а также сама культура – белокочанная капуста – как индикатор агроэкологических условий. Получена формула для расчета водопотребления капусты, учитывающая специфику агроклиматических условий Центрального района Нечерноземья. В ее структуру введены эмпирические коэффициенты. Определены оптимальные интервалы влажности для дерново-подзолистых почв, расположенных на повышенных элементах рельефа, что особенно важно для планирования режимов орошения в условиях неравномерного распределения осадков. Установлена устойчивая корреляционная зависимость между расчетными глубинами увлажнения и пентадами вегетационного периода
вода, влажность, водный баланс, капельное орошение, дерново-подзолистая почва, водопотребление, белокочанная капуста
Одним из ключевых направлений устойчивого развития сельского хозяйства в Центральной части Нечернозёмной зоны Российской Федерации является внедрение орошаемого земледелия, ориентированного на точное регулирование водного режима почв.
Анализ водного баланса позволяет не только оценить эффективность использования влаги растениями, но и выявить водорегулирующую роль различных культур, определить их физиологические потребности в воде, а также смоделировать влияние агроландшафтов на гидрологический режим территории. На основе таких расчётов разрабатываются оптимальные схемы поливов, учитывающие динамику влагозапасов в почве.
Цель исследования — выявить закономерности изменения компонентов водного баланса в зоне аэрации в зависимости от динамики влажности дерново-подзолистой почвы при выращивании белокочанной капусты в Центральном районе Нечернозёмной зоны Российской Федерации, с последующей разработкой научно обоснованных рекомендаций по оптимизации поливного режима.
2. Материалы и методы
Исследования проводились на территории южно-таёжной подзоны Нечернозёмной зоны России, охватывающей площадь 2,45 млн км² и включающей две природные провинции — Прибалтийскую и Среднерусскую. Экспериментальная работа выполнена в пределах Среднерусской провинции, где сосредоточено около 9 млн га пашни, 85% которой приходится на дерново-подзолистые почвы — основной объект данного исследования.
2.1. Климат и почвы
Климат Центрального района Нечерноземья характеризуется как умеренно континентальный, с мягкой зимой и умеренно тёплым летом. Равнинный рельеф Восточно-Европейской платформы обеспечивает относительную климатическую однородность территории без резких локальных контрастов.
По данным метеостанции г. Дмитрова (средние показатели за 44 года), сумма активных температур (>0 °C) составляет 1800–2100 °C.
Суммарный радиационный баланс за период июнь–октябрь — 1110 МДж/м².
Средняя продолжительность промерзания почвы— 165 суток, а безморозный период — 128 суток.
В годы проведения исследований (2022–2024 гг.) температурный и осадочный режимы вегетационного периода (июнь–октябрь) существенно варьировались:
2022 г.: средняя температура — +16,6 °C, осадки — 219 мм → тёплый, острозасушливый год
2023 г.: +19,3 °C, осадки — 298 мм → жаркий, нормальный по увлажнению
2024 г.: +17,1 °C, осадки — 257 мм → тёплый, засушливый год
Опытный участок расположен на повышенных элементах рельефа, близких к водораздельным поверхностям.
Уровень грунтовых вод: в период весеннего снеготаяния — 1,5–2,0 м от поверхности; в летне-зимнюю межень — 4,0–4,5 м.
Абсолютная высота опытного участка — 200 м. До начала исследований территория находилась в состоянии целины. Почвенный разрез типичен для данной местности. Реакция среды (pH) варьирует в пределах 6,5–7,3, что соответствует слабокислой — нейтральной среде.
Согласно классификации Н.А. Качинского, почвы участка отнесены к лёгким суглинкам с преобладанием мелкопесчаной и крупнопылеватой фракций, что определяет их водно-физические свойства и реакцию на орошение.
2.2. Характеристика условий проведения полевых исследований
Для оценки влияния влажностного режима корнеобитаемого слоя на продуктивность белокочанной капусты были заложены полевые опыты с капельным орошением на трёх вариантах увлажнения и одном контроле (без полива). Каждый вариант повторялся трижды, что обеспечило статистическую надёжность полученных результатов. Площадь одной опытной делянки составляла 50 м², общая площадь под культурой — 240 м².
Варианты опыта: высокий уровень влажности: 0,9–1,0 НВ (наименьшая влагоёмкость); средний уровень: 0,8–0,9 НВ; пониженный уровень: 0,7–0,8 НВ; контроль: без орошения.
Геометрические параметры: длина делянки — 20м; междурядья — 0,5м; расстояние между растениями в ряду — 0,5м; расстояние между делянками — 1,5м.
На все варианты, включая контроль, вносили одинаковые дозы минеральных удобрений: N₉₀P₁₀₀K₉₀, что исключало влияние питания на различия в урожайности и позволяло оценивать исключительно эффект водного режима.
Полив осуществляли с помощью капельной системы орошения на основе труб из ПНД (полиэтилена низкого давления), оснащённых капельницами с производительностью 3 л/ч. Диаметр зоны увлажнения вокруг каждой капельницы составлял 0,5 м, а площадь — 0,196 м², что обеспечивало локальное и равномерное увлажнение корневой зоны.
Глубина промачиваемого слоя корректировалась в соответствии с развитием корневой системы капусты.
Контроль влажности почвы проводили на глубине 0,5 м, разбитой на пять 10-сантиметровых слоёв. Измерения выполняли с помощью электронного влагомера.
Поливные нормы и частота поливов рассчитывались на основе водно-балансовых уравнений, учитывающих динамику влагозапасов в почве за конкретные интервалы времени.
3. Результаты и их обсуждения
3.1. Анализ водного баланса по данным лизиметрических измерений
Для количественного изучения взаимодействия между компонентами водного баланса в зоне аэрации, а также для оценки динамики УГВ и определения величины суммарного испарения белокочанной капусты были задействованы лизиметры.
Выбор типа лизиметра обусловлен спецификой решаемых задач: для реконструкции естественных гидрологических процессов в корнеобитаемом слое при сохранении структуры почвы и её физических свойств нами были применены водобалансовые лизиметры с монолитами ненарушенного почвенного сложения.
Глубину увлажненного слоя корректировали в соответствии с динамикой развития корневой системы белокочанной капусты: в первые шесть пентад после посадки она составляла 20 см, а в последующий период — до уборки урожая — увеличивалась до 40–50 см.
Количество атмосферных осадков фиксировали с использованием наземных осадкомеров типа ГГИ-3000 в соответствии с общепринятой методикой.
Определение инфильтрации влаги из корнеобитаемого слоя осуществляется методом измерения объема воды, откачиваемой из трубы инфильтрации лизиметра. Отбор осуществляли с помощью погружного насоса, после полученный объём пересчитывали в миллиметры водного слоя с учётом площади лизиметра.
Уравнение водного баланса зоны аэрации лизиметров и расчетного слоя делянок имеет следующий вид (в мм):
∆W = Ос + m ± q - E (1)
где ∆W = Wк – Wн – конечные и начальные влагозапасы почвы; Ос – осадки; m – поливная норма; ±q – водообмен корнеобитаемого слоя почвы с ниже расположенными слоями; -q – инфильтрация влаги в почве; +q – подпитывание зоны аэрации со стороны грунтовых вод; Е – суммарное водопотребление исследуемых культур.
Составляющие водного баланса в монолите почвы лизиметра в период вегетации белокочанной капусты при оптимальной влажности дерново-подзолистой почвы за 2022...2024 гг. даны в таблице 1.
Таблица 1
Водные балансы зоны аэрации в лизиметрах
|
Варианты |
ΔW, мм |
Ос, мм |
М, мм |
-𝑞, мм |
Eф, мм |
|
2022 год |
|||||
|
Лизиметр 2 м2 |
-7 |
198 |
172 |
121 |
256 |
|
Лизиметр 1,8 м2 |
-8 |
198 |
172 |
121 |
257 |
|
2023 год |
|||||
|
Лизиметр 2 м2 |
10 |
261 |
135 |
157 |
229 |
|
Лизиметр 1,8 м2 |
10 |
261 |
135 |
156 |
230 |
|
2024 год |
|||||
|
Лизиметр 2 м2 |
-14 |
238 |
155 |
170 |
237 |
|
Лизиметр 1,8 м2 |
-15 |
238 |
153 |
162 |
240 |
Сумма осадков за вегетацию белокочанной капусты в 2022…2024 гг. равнялась соответственно годам 198, 261, 238 мм. Количество осадков повлияло на нормы орошения, которые за рассматриваемый срок составили соответственно 172, 135, 153 мм. Исходя из этого водоподача в сумме (Ос+М) соответственно по годам составила: 370, 396, 391 мм.
3.2. Анализ водных балансов по данным исследований на опытных делянках
Водобалансовые расчеты за период вегетации белокочанной капусты на опытных делянках за 2022...2024 гг. даны в таблице 2.
Таблица 2
Водные балансы (мм) на опытных делянках в 2022…2024 гг.
|
Варианты |
ΔW, мм |
Ос, мм |
М, мм |
-𝑞, мм |
Eф, мм |
|
2022 год |
|||||
|
Делянка 1 |
-8 |
198 |
258 |
221 |
243 |
|
Делянка 2 |
-8 |
198 |
172 |
121 |
257 |
|
Делянка 3 |
-9 |
198 |
118 |
113 |
212 |
|
Контроль |
-9 |
198 |
0 |
59 |
151 |
|
2023 год |
|||||
|
Делянка 1 |
9 |
247 |
213 |
245 |
220 |
|
Делянка 2 |
10 |
247 |
137 |
156 |
232 |
|
Делянка 3 |
11 |
247 |
77 |
125 |
202 |
|
Контроль |
9 |
247 |
0 |
78 |
177 |
|
2024 год |
|||||
|
Делянка 1 |
-11 |
238 |
183 |
200 |
232 |
|
Делянка 2 |
-15 |
238 |
155 |
168 |
240 |
|
Делянка 3 |
-28 |
238 |
83 |
138 |
211 |
|
Контроль |
-47 |
238 |
0 |
122 |
166 |
Суммарное испарение в годы 2022…2024 гг. равно 256, 229, 237 мм. Просачивание влаги через зону аэрации в лизиметрах составило в 2022 г. 𝑞 =-121 мм, 2023 г. 𝑞 = -156 мм, а в 2024 г. 𝑞 = -168 мм.
Проведенные исследования на делянке № 1 в 2022-2024 гг. показали следующие результаты по средней влажности почвы 0,91НВ, 0,92НВ, 0,93НВ, при этом количество воды, пошедшее на орошение, составило по годам 258, 213, 183 мм, а водопотребление 243, 220 и 232 мм. На делянке № 2 влажность почвы при ее средних значениях получилась равной 0,82 НВ, 0,83 НВ, 0,83НВ, а количество воды, пошедшее на полив - 172, 137, 155 мм, суммарное испарение 257, 232 и 240 мм. На делянке № 3 - 0,72 НВ; 0,76 НВ; 0,74 НВ, количество воды, пошедшее на орошение, составило 118, 77, 83 мм, водопотребление 212, 202, 211 мм.
На варианте без полива влажность почвы в среднем составила по годам 0,48 НВ, 0,62 НВ, 0,58 НВ, а соответственно суммарное испарение оказалось равным 151, 177, 166 мм.
Выводы
Для обеспечения устойчивого и ресурсоэффективного производства белокочанной капусты на дерново-подзолистых почвах Центрального района Нечернозёмной зоны России необходима целенаправленная мелиорация, основанная на капельном орошении. Этот метод позволяет точно регулировать влажность корнеобитаемого слоя, минимизируя потери воды и адаптируя поливы к изменчивым климатическим условиям.
Результаты проведённых исследований выявили чёткие закономерности взаимодействия компонентов водного баланса зоны аэрации в зависимости от влажности почвы и метеорологических условий. Основные выводы:
- Установлено, что запасы влаги варьируются в зависимости от года, режима орошения и фазы развития культуры.
- Получены пентадные и суммарные значения атмосферных осадков за вегетационный период.
- Оросительные нормы за 2022–2024 гг. существенно различались. Эти различия напрямую обусловлены межгодовой изменчивостью осадков и температурного режима
- Определен объём инфильтрации (–q) из зоны аэрации в нижележащие горизонты.
- Суммарное водопотребление культуры было рассчитано с высокой точностью и составило в среднем 230–257 мм за вегетацию, в зависимости от года.
1. Алпатьев А.М., Остапчик В.П. К обоснованию формирования поливных норм с использованием биоклиматического метода расчета суммарного испарения // Мелиорация и водное хозяйство. – 1971. – Вып.19. – С.13–17.
2. Данильченко Н.В. Методические особенности расчета оросительных норм с.-х. культур в НЧЗ РСФСР. – В кн.: Техника и технология механизированного орошения. – М., 1982. – с.177…186.
3. Дубенок, Н.Н. Малоинтенсивное дождевание картофеля в Нижнем Поволжье.: монография / В.В. Бородычев, Р.А. Чечко; Н.Н. Дубенок. –Москва Проспект, 2017. – 176 с. ISBN 978-5-392-24871-1.
4. Пчелкин В.В., Попова Е.А., Владимиров С.О. Водопотребление белокочанной капусты при капельном поливе в Нечерноземной зоне России // Научная жизнь – т.20 - №1 (139) – 2025 – с. 10-20
5. Пчелкин В.В., Попова Е.А., Солошенков А.Д. Влияние водного режима дерново-подзолистых почв на урожайность белокочанной капусты при капельном поливе // Научная жизнь – т.19 - №3 (135) – 2024 - с. 380-387
6. Костяков А.Н. Основы мелиорации. – М.: Сельхозгиз, 1960, - с.62…66, 54…62.
7. Ольгаренко И.В. Суммарное водопотребление сельскохозяйственных культур в условиях дефицита водных ресурсов / И.В. Ольгаренко, М.С. Эфендиев // В сборнике: Мелиорация и водное хозяйство. - материалы научно-практической конференции. Издательство: ООО "Лик" (Новочеркасск). - 2016. С. 50-53.
8. Пчелкин В.В. Обоснование мелиоративного режима осушаемых пойменных земель. – М.: КолосС, 2003. – 253 с.
9. Сафин Х.М. Оптимизация режима орошения люцерны на сено в почвенно-климатических условиях башкортостана / Х.М. Сафин, А.Д. Лукманова, Н.А. Зотова // Вестник Ижевской государственной сельскохозяйственной академии. – 2016. – №1. – С. 3–7. – URL: https://rucont.ru/efd/391422 (дата обращения: 28.07.2021).
10. Харченко С.И. Управление водным режимом на мелиорируемых землях в Нечерноземной зоне. М., Гидрометеоиздат, 1987. – с. 206…208.
