УДК 631 Общие вопросы сельского хозяйства
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 6 ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ. МАТЕМАТИКА
BISAC TEC003050 Agriculture / Irrigation
В Республике Казахстан, как и во многих странах, расположенных в аридной зоне, сельское хозяйство является основополагающим в развитии экономики. Увеличивающийся дефицит воды диктует необходимость сокращения затрат воды в орошаемом земледе-лии за счет внедрения технологий, обеспечивающих оптимальные условия для роста и развития сельскохозяйственных культур. Перспективными технологиями оптимизации условий развития растений являются капельное орошение и дождевание. Технология капельно-дождевального орошения направлена на повышение эффек-тивности использования оросительной воды при основном капельном способе полива и во время высоких температур воздуха (более 25оС) улучшить параметры микро- и фито-климата в период проведения дополнительного орошения дождеванием. Импульсное дождевание улучшает микроклимат в среде развития яблонь, показатели водного режима растений в дневные часы суток в сравнении с периодическим обычным дождеванием и повышает продуктивность яблоневых деревьев
плодовый сад, капельно-дождевальное орошение, импульсное дождевание, исследования, результаты
Введение. Быстрый темп роста населения и увеличивающийся дефицит водных ресурсов приводит к тому, что все больше стран мира сталкиваются с серьезными проблемами, связанными с водными ресурсами [1]. Сельское хозяйство во всех странах мира является крупнейшим потребителем воды и на него приходится более 70% мирового водозабора, что является одной из основных причин нагрузки на водопользование [2].
Возрастающий дефицит оросительной воды во многих странах мира требует более эффективного и оптимального использования поливной воды с применением водосберегающих технологий капельного орошения, мелкодисперсного и импульсного дождевания [3]. Такие технологии направлены на непрерывное снабжение растений водой в соответствии с их водопотреблением. Оптимальные условия для развития сельскохозяйственных культур в районах засушливого климата создаются мероприятиями, направленными на поддержание водного режима почвы и растений. Такие условия для растений можно создать лишь при достаточной влажности почвы и окружающей среды (воздуха) с применением дождевания.
В оазисных агроэкосистемах на северо-западе Китая широкое применение водосберегающей технологии капельного орошения под пластиковой мульчей привело к положительному воздействию на климат и ускорению местного гидрологического цикла [4]. В Турции угроза сокращения водных ресурсов и усиления засухи была решена путем орошения всей посевной площади, благодаря чему повысилась урожайность сельскохозяйственных культур. Распределение орошаемых площадей с применением различных способов орошения происходило следующим образом: поверхностное орошение использовалось на площади 1 020 441 га; дождевание на 356 484 га и капельное орошение на 280 709 га, что соответствовало 61%, 22% и 17% по площадям соответственно по состоянию на 2019 год [5]. В Центральной части Чили, характеризуемой отрицательным балансом между годовым испарением и суммой осадков, в двух орошаемых долинах была проведена оценка влияния капельного и дождевального орошения в сравнении с традиционными методами поверхностного орошения, на ряд показателей, таких как чистая годовая прибыль, общий годовой доход, годовое использование ресурсов, общая площадь орошаемых земель и процент орошаемых земель. Данные исследования показали эффективность применения водосберегающих технологий в этих хозяйствах с точки зрения годовой прибыли и землепользования [6]. В США отметили целесообразность применения дождевания при ирригации деревьев и виноградников [7]. В отличие от капельного орошения с помощью технологии дождевания возможно проведение противозаморозковых поливов.
Основным достоинством капельного орошения является создание оптимального водного и питательного режимов непосредственно в корневой зоне растений, что ведет к сокращению расхода воды и удобрений. Несмотря на данное преимущество, данный способ полива не оказывает благоприятное влияние на воздушную среду растений в условиях высоких температур воздуха (более 25-35оС) и низкой его влажности, что приводит к приостановлению роста и развития растений, а также прекращению процесса фотосинтеза, что негативно сказывается на их урожайности [8, 9, 10].
При обычном дождевании внесение оросительной нормы осуществляется периодически с учетом значений дефицитов водопотребления растений между поливами. Такой режим орошения оказывает кратковременное влияние на микроклимат в прилегающей к растениям воздушной среде и не всегда достаточен для обеспечения высокой продуктивности растений.
Данные опытов различных авторов [11, 12, 13, 14] показывают, что на микроклимат, водный режим и урожайность сельскохозяйственных растений положительное влияние оказывают частые поливы малыми поливными нормами. К такому способу орошения относится импульсное дождевание, которое снабжает растения водой в соответствии с ходом их водопотребления; обеспечивает длительное направленное воздействие искусственного дождя на условия роста и развития растений и внешнюю среду; поддерживает влажность активного слоя почвы и приземного слоя воздуха на оптимальном уровне без резких колебаний, свойственных периодическим поливам [15, 16].
Таким образом, для поддержания оптимальных микроклиматических показателей и водного режима растений целесообразно дополнительно к капельному орошению применить технологию дождевания малыми нормами с импульсным принципом работы в зоне развития растений в определенные часы суток. Комбинирование капельного полива и дождевания позволяет объединить положительные качества, присущие каждой технологии в отдельности и устранить ряд недостатков, свойственных им при раздельном применении.
В Казахстане в условиях нарастающего дефицита водных ресурсов, особенно в районах засушливого климата, в настоящее время интенсивно внедряются технологии капельного орошения и дождевания, преимущества которых проверены в орошаемом земледелии.
Целью исследований являлось установление влияния технологий капельно-дождевального орошения и импульсного дождевания на рост и развитие яблонь в районах засушливого климата
Методы
Для проверки эффективности импульсного дождевания и комбинированного капельно-дождевального орошения были проведены исследования по установлению влияния данных технологий на рост и развитие яблоневого сада на опытно-производственном участке Товарищества с ограниченной ответственностью «Казахский научно-исследовательский институт водного хозяйства» (далее ТОО «КазНИИВХ») (Республика Казахстан, г. Тараз).
Эксперименты проводились в 2016-2018 годах на деревьях яблонь 2007 года посадки сорта «Голден Делишес» на подвое ММ106. Схема посадки 3,0×2,5 м.
Климат района исследований имеет характерную для южного Казахстана резко выраженную континентальность, что обусловлено, с одной стороны, влиянием сухих пустынь, а с другой – высоких гор. Континентальность выражается в частых и резких сменах суточных и годовых температур воздуха, довольно суровой и сравнительно короткой зимой, продолжительным, знойным и крайне сухим летом. По данным метеостанции Джамбул в районе исследований в течение вегетационного периода развития растений наблюдались высокие температуры воздуха (до 430С) при средней относительной влажности воздуха до 30,7-49%. Такие условия приводят к снижению урожайности сельскохозяйственных культур [17] и проблема улучшения микроклимата здесь является одной из главных [18].
Почвы опытно-производственного участка по механическому составу представлены средними суглинками с содержанием 17,7% песка, 27,7% глины и 54,6% пыли. Содержание органического вещества 0,88%. Плотность почвы 1,36 г/см3 в слое 0-50 см и 1,46 г/см3 в слое 0-100 см. Наименьшая влагоемкость слоя почвы в слое 0-50 см составляет 19,6% от сухой массы, а слоя 0-100 см – 19,08%. Почвы не засоленные (сумма солей до 0,114 г/л). Почвенный разрез указывает на наличие галечника на глубине 60-70 см, следовательно, применение капельного и дождевального орошения яблоневого сада является необходимым.
На опытно-производственном участке изучались следующие технологические схемы полива яблонь (варианты опыта):
- капельно-дождевальное орошение;
- капельное орошение;
– импульсное дождевание;
– обычное периодическое дождевание.
Опыты закладывались в 4-х кратной повторности. Закладка опыта выполнялась с учетом специфики опытов с плодовыми деревьями [19]. На варианте капельно-дождевального полива у каждого дерева предусматривалась установка водовыпусков, обеспечивающих капельный полив капельницами с радиусом контура увлажнения 0,65 м. По результатам опытов установлено, что площадь увлажнения капельницами и дождевальными насадками на вариантах капельного и капельно-дождевального орошения составляла 1,33 м2 с радиусом контура увлажнения почвы 0,65 м при схеме их размещения 2,5х3,0 метра. Суточная водоподача на делянки опыта устанавливалась исходя из суточного водопотребления яблонь в соответствии с метеорологическими факторами по показаниям испарителя ГГИ 3000, учитывающего испарение с водной поверхности и атмосферные осадки. Объем водовыпуска составлял 100 мл за один цикл срабатывания водовыпуска. На варианте капельного орошения размещались две капельные трубки вдоль рядов деревьев с расходом капельниц по 1 литру в час.
Технология капельно-дождевального орошения на вариантах опыта осуществлялась техническими средствами оросительных систем [20, 21], имеющих водозаборные узлы с напорообразующими устройствами, генераторы командных импульсов, распределительные трубопроводы, поливные трубопроводы с водовыпусками и дополнительными напорообразующими устройствами с датчиками температуры воздуха (рис. 1 а).
Водовыпуски в оросительных системах имеют выходные отверстия для капельного полива при работе основного напорообразующего устройства и насадки для дождевания, работающие при подключении дополнительного напорообразующего устройства (рис. 1).
1 – водозаборный узел; 2 - напорообразующее устройство; 3 - дополнительное напорообразующее устройство; 4 - датчик температуры воздуха; 5 - генератор командных импульсов; 6 - распределительный трубопровод; 7 - поливные трубопроводы; 8 – водовыпуски; 9 - корпус; 10 – крышка; 11 - манжета одностороннего действия; 12 – переходник; 13 - гидроаккумулятор; 14 – крышка; 15 - водонепроницаемый эластичный шар; 16 – капельница; 17 – насадка дождевальная подпружиненная
Рис. 1 – Устройство оросительной системы капельно-дождевального полива (а – схема оросительной системы; б - водовыпуск)
Оросительная система, представленная на рис. 1 а, работает следующим образом. При подаче воды от водозаборного узла напорообразующим устройством через генератор командных импульсов происходит заполнение водой распределительного, поливных трубопроводов и водовыпусков. Через входное отверстие крышки происходит заполнение корпуса водовыпуска. Вода, путем сжатия водонепроницаемого эластичного шара, поступает в корпус. Выход воды в атмосферу перекрывается с помощью переходника, происходит заполнение корпуса до заданных параметров. При заполнении корпуса водовыпуска в сеть трубопроводов подается импульс понижения давления генератором командных импульсов, манжета перемещается в сторону крышки и вода из корпуса поступает в переходник и далее через капельницу в атмосферу. Осуществляется капельный полив.
Орошение дождеванием осуществляется, как уже говорилось выше, при температуре воздуха более 25оС и происходит следующим образом. Датчик температуры воздуха (рис.1 а) подключает дополнительное напорообразующее устройство и вода с давлением подается в сеть, тем самым создав повышенное давление в корпусе водовыпуска. После того, как корпус водовыпуска (рис. 1 б) заполнится, в трубопроводную сеть поступает импульс пониженного давления. Манжета возвращается в исходное состояние и вода из корпуса водовыпуска поступает в переходник и после отжатия пружины дождевальной насадки в атмосферу. При дальнейшем снижении давления дождевальная насадка возвращается в исходное положение, а остаток воды через капельницу поступает к растениям.
Импульсное дождевание обеспечивало подачу 10 литров за 1 цикл на площадь, обслуживаемую дождевателем. Технология импульсного дождевания осуществлялась с помощью комплектов с площадью обслуживания 1 га.
Основные узлы комплекта (рис. 2): насос 1 с пультом управления 2; генератор импульсов давления 4; сеть распределительных 6 и поливных 7 трубопроводов; импульсные дождеватели 9 и контрольный импульсный дождеватель 10 с обратной связью 8. Для регулирования расхода в трубопроводной сети и времени срабатывания импульсных дождевателей предусмотрена запорно-регулирующая арматура 3, 5.
Рис. 2 - Принципиальная схема комплекта импульсного дождевания
Устанавливались изменения показателей температуры и влажности воздуха, оказывающих влияние на условия роста и развития растений в термически напряженный период, показателей водного режима растений, урожайности яблонь.
Наблюдения за температурой и влажностью воздуха проводились с помощью аспирационных психрометров, гигрографов, термографов на высоте 0,5 м от поверхности почвы. Для характеристики водного режима яблонь определялись содержание воды в листьях яблонь, интенсивность транспирации, водопоглощение и дефицит относительной тургесцентности листьев растений по общепринятой методике [22]. Прирост однолетних побегов яблонь, окружности штамба и высоты деревьев определялся на всех учетных деревьях. Урожайность яблонь определялась методом сплошного учета путем взвешивания плодов со всех учетных деревьев. Объем поданной на варианты опыта воды контролировался водомерами. Забор воды напорообразующими устройствами осуществлялся из трубопроводной сети, соединенной с накопительной емкостью.
Статистический анализ опытов проводился с применением дисперсионного анализа данных по методике Б. А. Доспехова [19].
Технология капельно-дождевального орошения: исследования, результаты и обсуждение. Изучение влияния дополнительного дождевания в напряженный период вегетации на формирование микроклимата, рост и развитие яблоневого сада осуществлялось в сравнении с технологией капельного орошения. Суточные изменения температуры и относительной влажности воздуха по месяцам показаны на рис. 3, 4, 5.
Рис. 3 - Динамика температуры и влажности воздуха в июне
 |
Рис. 4 - Динамика температуры и влажности воздуха в июле
Рис. 5 - Динамика температуры и влажности воздуха в августе
Анализ опытных данных показывает, что при капельно-дождевальном орошении в сравнении с капельным поливом разность температур воздуха достигала 2,7оС в приземном слое воздуха. Разность между значениями влажности воздуха достигала 23%.
Наблюдения за суточной амплитудой колебания температуры почвы, являющейся одним из показателей микроклимата орошаемого поля, показали, что основные ее изменения происходят в слое почвы 0-20 см. Таким образом, дополнительное дождевание, осуществляемое в жаркий период времени на исследуемом участке капельно-дождевального орошения, позволяет значительно улучшить микроклиматические показатели в зоне расположения яблонь.
Водный режим растений закономерно изменяется в течение дня, следуя за напряженностью погодных условий, и достигает максимальных отметок в период с 13.00 до 14.00 часов. Данные, приведенные на рис. 6, показали, что влагосодержание в листьях яблонь в 13 часов при капельно-дождевальном орошении было выше на 5,8 -15% показателей, полученных на участке капельного орошения.
Рис. 6 - Влагосодержание в листьях яблонь в 13 часов
Интенсивность транспирации показывает количество воды, которое испаряется с единицы листовой поверхности в единицу времени. Применение дополнительного дождевания на участке капельно-дождевального орошения оказало положительное действие и на интенсивность транспирации. Согласно исследованиям наибольшее значение транспирации установлено на варианте капельно-дождевального орошения и достигало 44,0-47,2 г/м2 за 1 час благодаря поддержанию стабильной влажности корневой зоны растений, увеличению относительной влажности и снижению температуры воздуха в течение всей вегетации, в то время как на участке капельного полива ее показатели снижались до 36,0-42,2 г/м2 за 1 час. Исследованиями были установлены водопоглощающая способность листьями яблонь и дефицит относительной тургесцентности, которые показали, что наименьшая водопоглощающая способность отмечалась в период применения дополнительного дождевания и не превышала 0,3 г/г сухого веса, а дефицит относительной тургесцентности листьев снижался на 2,0-3,3% по сравнению капельным поливом.
Улучшенные показатели микроклимата и водного режима растений обеспечили дополнительный прирост однолетних побегов на 9,0-12,8%, окружности штамба яблонь на 9,6-10,8% и высоты деревьев на 6,8-9,8%.
Таким образом, создание благоприятных условий, а именно улучшение микроклимата и показателей водного режима яблонь за счет применения дополнительного дождевания в жаркие часы суток, позволило стимулировать ростовые процессы яблонь, что благотворно повлияло на урожайность.
Исследования технологии импульсного дождевания, результаты и обсуждение.
Исследования технологии импульсного дождевания проводились в сравнении с технологией обычного периодического дождевания. Проводилась оценка влияния импульсного дождевания на формирование микроклимата, рост и развитие яблоневого сада в условиях высоких температур и низкой влажности воздуха.
Режим подачи воды импульсным дождеванием обеспечивал принцип непрерывного водоснабжения растений водой в соответствии с суточными дефицитами водопотребления и принятым уровнем влажности в назначенных слоях почвы, тогда как при обычном дождевании внесение оросительной нормы осуществлялось периодически с учетом значений дефицитов водопотребления растений между поливами. Такой режим обеспечивал подачу воды к сельскохозяйственным культурам в течение заданного времени внесения поливной нормы и оказывал кратковременное влияние на микроклимат в прилегающей к растениям воздушной среде. При этом изменение влажности почвы происходило скачкообразно, обеспечивая его оптимум ориентировочно в середине межполивного периода.
Наблюдениями за температурой и относительной влажностью воздуха в приземном слое воздуха в разрезе суток установлено, что наибольшие их изменения, как при импульсном, так и при обычном дождевании наблюдаются с 13 до 17 часов. Наибольшая разность температуры и влажности воздуха отмечается на высоте 1,0 м от поверхности земли. Установлено, что в дневные часы разность температур воздуха между вариантами импульсного дождевания и обычного ежедекадного дождевания составляла 3,8°С, а разность между значениями относительной влажности воздуха достигала 20-25%. Наибольшая разность этих показателей имеет место перед проведением полива обычным дождеванием.
Суточная амплитуда колебания температуры почвы хорошо выражена в верхних её горизонтах [23]. Наблюдениями установлено, что наибольшая разность температур почвы на глубине 5 см была отмечена между контрольным вариантом и импульсным дождеванием в термически напряженный период с 15 до 18 часов.
Таким образом, использование ежедневного импульсного дождевания малыми поливными нормами на участке яблоневого сада формирует слой воздуха с повышенной влажностью и пониженной температурой в сравнении с обычным дождеванием, а также пониженной температурой верхнего горизонта почвы, что способствует лучшему росту и развитию растений.
Основными показателями, характеризующими водный режим растений, являлись: обводненность, транспирация, водоотдача, водопоглощение листьев и т.д. Известно, что между обводненностью листьев растений и влажностью среды почвы - воздух существует определенная зависимость. Водный дефицит листьев при длительном стоянии приводит к снижению интенсивности фотосинтеза и оттока ассимилянтов, в результате чего снижается продуктивность растений [24].
Интенсивность транспирации растений в определенной степени зависит от влагозапасов в почве, температуры и влажности окружающей среды. С увеличением влажности почвы увеличивается и интенсивность транспирации.
По результатам наблюдений было установлено, что наибольшие значения транспирации листьев яблонь были на варианте импульсного дождевания (до 84 г/м2 за 1 час), в то время как значение транспирации на варианте обычного дождевания не превышало 73 г/м2 за 1 час. Во время проведения полива на участке обычного дождевания транспирация здесь превышала значения транспирации листьев яблонь с участка импульсного дождевания (до 50%), а затем в течение 1-2 дней снижалась и находилась ниже до следующего полива.
В зависимости от условий выращивания растений интенсивность водоотдачи листьев яблонь различная. Таким образом, листья, собранные с варианта импульсного дождевания, обладают наибольшей интенсивностью водоотдачи (33-58%) по сравнению с участком обычного дождевания (22-44 %). Недостаток влаги в почве и воздухе приводит к дефициту её в тканях растений. Поэтому одним из показателей водообеспеченности растений является водопоглощающая способность их листьев. На основании анализа полученных данных установлено, что процесс поглощения воды листьями растений зависит от водоснабжения последних. По результатам наблюдений за водопоглощающей способностью листьев установлено, что в условиях импульсного дождевания показатели водопоглощения меньше, чем при орошении обычным дождеванием. Показатели дефицита относительной тургесцентности, показывающие, сколько воды не хватает для достижения листьями тургесцентного состояния, были ниже на 4% и более при импульсном орошении по сравнению с показателями на участке орошения обычным дождеванием.
Оптимальные условия, созданные за счет применения технологии импульсного дождевания, повлияли на рост и развитие яблонь. Были проведены наблюдения за ростом однолетних побегов в условиях импульсного и обычного дождевания, которые показали, что средняя длина побегов плодоносящей яблони сорта Голден Делишес при импульсном дождевании превышала на 8-13% длину побегов яблонь с варианта обычного дождевания.
Вывод. На основании проведенных опытов можно сделать вывод, что искусственно созданные микроклиматические условия, оптимальная влажность полуметрового слоя почвы на участках систем капельно-дождевального орошения и импульсного дождевания стимулировали ростовые процессы у плодовых деревьев, что позволило получить урожайность 8,74 и 9,56 т/га соответственно, тогда как на варианте обычного капельного орошения урожай яблок составил 7,73 т/га, а на варианте обычного дождевания - 7,3 т/га.
В условиях аридной зоны орошаемого земледелия рекомендуются исследования комбинированного способа орошения с применением капельного полива и дождевания, а также импульсного дождевания для изучения их влияния на другие сельскохозяйственные культуры.
Исследования проведены в соответствии с планом научно-исследовательских работ в области агропромышленного комплекса по научно-техническим программам «Научное обеспечение рационального использования водных ресурсов и разработка технологий мелиорации земель сельскохозяйственного назначения» (бюджетная программа 254 «Эффективное управление водными ресурсами», ИРН 49011/ПЦФ-МСХ-OT-17) и «Научно-технологическое обоснование по рациональному использованию водных ресурсов при увеличении площадей регулярного и лиманного орошения по всем водохозяйственным бассейнам Республики Казахстан до 2021 года» (бюджетная программа 267 «Повышение доступности знаний и научных исследований», ИРН BR06249255-OT-18), финансируемых Министерством сельского хозяйства Республики Казахстан.
1. Баданова К.А. Влияние суховея на растения в условиях оптимального водоснабжения // Водный режим растений и их продуктивность. М.: Наука, 1968. С. 256-268.
2. Скворцов А.А. Орошение сельскохозяйственных полей и микроклимат. Л.: Гидрометеоиздат, 1964. 276 с.
