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 56 Сельское хозяйство
BISAC TEC003000 Agriculture / General
Практика орошения дождеванием в различных природно-климатических зо-нах страны показывает, что одной из основных проблем дождевания являет-ся образование поверхностного стока воды, который приводит к ирригаци-онной эрозии почвы, ухудшению мелиоративного состояния орошаемой территории. В статье исследуется вопрос оценки эрозионной опасности поч-вы при орошении широкозахватными дождевальными машинами в УНПО «Поволжье» Вавиловского университета. При обосновании эрозионно-допустимых норм полива в качестве критерия оценки впитывания воды в почву использовался показатель свободной (безнапорной) водопроницаемо-сти, который зависит от крупности капель дождя и его интенсивности. Уста-новлены эрозионно-допустимые поливные нормы и время полива до образо-вания стока для конкретных почвенно-рельефных и хозяйственных условий. Ключевые слова: ирригационная эрозия, эрозионно-допустимая полив-ная норма, впитывающая способность почвы.
ирригационная эрозия, эрозионно-допустимая поливная норма, впитываю-щая способность почвы.
Введение. Основной целью гидротехнических мелиораций является получение требуемого объема продукции соответствующего качества, путем регулирования водного режима почв. В засушливых районах необходимо орошение, причем, увлажнить почву можно разными способами, в частности и таким, как дождевание, которое в большой мере приближено к природным процессам внесения влаги в почвенные структуры [5]. Однако дождь не только увлажняет почву, но и при определенных условиях вызывает эрозионные явления, которые, в общем-то, известны давно, и к настоящему времени физическая суть процесса исследованиями, проводимыми уже более 100 лет, установлена весьма детально.
Суть процессов эрозии заключается в отделении и переносе почвенных частиц под воздействием дождя и поверхностно стекающих вод. При взаимодействии дождя и почвы одним из самых нежелательных последствий процесса является разрушение последней, формирование стока и наносов и изменение ландшафта. Водная эрозия является главной причиной деградации почв и целых природных комплексов. Природные, хозяйственные и ландшафтные факторы считаются основными, влияющими на характер протекания эрозионных процессов. Одним из главных последствий эрозии является падение продуктивности подвергшихся ее воздействию земель. Уже на слабосмытых почвах по обобщенным данным урожайность сельскохозяйственных культур снижается на 10-30%, а на среднесмытых до 50% [1].
Внедрение в практику сельскохозяйственного производства искусственного орошения вызвало, так называемую, ирригационную эрозию почв, которую можно рассматривать как разновидность водной или в научных целях, абстрагируясь, можно рассматривать ее самостоятельно, что в основном и делается. Согласно нормативным документам, полив дождеванием следует применять со средней интенсивностью искусственного дождя не превышающей впитывающей способности почв в конце полива.
Это ограничение как раз и связано с ирригационной эрозией при дождевании, которая в первом приближении возникает вследствие подачи воды с интенсивностью, превышающей скорость впитывания воды в почву. Соблюдение равенства этих параметров является основным условием полива без образования поверхностного стока и смыва почвы [3]. Интенсивность дождя равную скорости впитывания воды в почву называют допустимой. Инфильтрационная же способность почв изменяется от ее свойств, состояния поверхности, качественных и количественных характеристик дождя, времени полива. А.Н. Костяков допустимую интенсивность определял исходя из механического состава почвогрунтов: для тяжелых 0,1- 0,2 мм/мин; средних 0,2-0,3 мм/мин; легких 0,3-0,8 мм/мин. Согласно рекомендациям М.И. Багрова и И.Г. Кружилина, уже с учетом уклонов, на склонах с i = 0,01-0,12 допустимая интенсивность для легких почв изменяется от 0,5 до 0,85 мм/мин; средних 0,4-0,2 мм/мин; тяжелых 0,2-0,1 мм/мин [4]. Разумеется, все эти значения следует рассматривать как приближенные и нуждающиеся в корректировке в зависимости от конкретных условий. Ведь порог перехода от безэрозионного к эрозионно-опасному поливу, равно как и протекание эрозионных процессов определяются и размерами капель дождя, и его структурой, а так же влажностью и характером обработки почвы, видом и стадией развития растений и другими факторами [2].
Впитывание воды в почву процесс весьма сложный и изучение его имеет свою историю. Сейчас это явление рассматривается как состоящее из процессов инфлюкции, инфильтрации и фильтрации. При поливе дождеванием процесс перехода поливной воды в почвенную влагу может происходить в трех вариантах:
- безнапорное впитывание;
- безнапорное в комбинации с напорным (при наличии слоя воды);
- напорное впитывание.
Первый может реализоваться непосредственно в течение всего времени прохождения облака дождя или как первая фаза процесса впитывания. Характерная черта – отсутствие на поверхности почвы даже небольших лужиц. Второй – является переходным, а третий реализуется при существенном нарушении баланса между подаваемой и впитывающейся водой в сторону прихода.
Наличие поверхностных вод при дождевании чревато не только эрозионными процессами, происходит также – с одной стороны подъем УГВ, а с другой – неравномерное увлажнение активного слоя почвы. Появление поверхностного стока и сопутствующего смыва уже давно поставил вопрос о допустимой его величине. Таким образом, по сути, система земледелия на эрозионно-опасных площадях должна быть, прежде всего, противоэрозионной, т.е. защита почв должна обеспечиваться всеми ее звеньями. Применительно к орошаемым площадям следует дополнительно выделять и чисто мелиоративные аспекты, касающиеся применения способов и технических средств полива.
Несомненно, что разработка и освоение противоэрозионных технологий эксплуатации орошаемых земель является одним из главных направлений рационального использования земли и воды и обеспечения охраны окружающей среды, поэтому одной из важнейших задач следует считать постоянный поиск мер и приемов, направленных на защиту почв от эрозии с наименьшими затратами материальных и трудовых ресурсов. [6].
Цель исследования - оценка эрозионной опасности почвы при орошении широкозахватными дождевальными машинами в УНПО «Поволжье» Вавиловского университета.
Методика исследований. Исследования по оценке эрозионной опасности почвы при орошении широкозахватными дождевальными машинами проводили в 2022 г. на орошаемых землях УНПО «Поволжье» Вавиловского университета. Объект исследований – орошаемый массив площадью 240 га, оснащенный широкозахватными дождевальными машинами импортного и отечественного производства. На орошаемых полях возделывается монокультура – соя на зерно. Почвы опытного участка представлены темно-каштановыми среднесуглинистыми по гранулометрическому составу. Постановка эксперимента проводилась согласно общепринятым методикам. Полив осуществлялся дождевальными машинами кругового действия «Zimmatic» и «Каскад-Мелиомаш», а также фронтальной системой орошения «Zimmatic».
Высокая эффективность орошения обеспечивается, если дождь, создаваемый дождевальными машинами, отвечает определенным агротехническим требованиям, так как растениям важно не только дать необходимое количество воды, но и обеспечить при этом определенные качественные показатели технологии [2]. Одним из таких критериев, который определяет степень влияния дождевания на почвенное плодородие, является интенсивность впитывания воды в почву, которая зависит от влажности и гранулометрического состава почвы, растительного покрова, состояния поверхности почвы и ее уклона, а также структуры искусственного дождя и физико-механических характеристик поливной воды [3]. Изучением вопросов впитывания воды в почву занимались многие, как российские, так и зарубежные, ученые. Предложено много зависимостей, описывающих процесс инфильтрации, однако достаточно обоснованные параметры чаще всего устанавливают экспериментальным путем при помощи опытного дождевания. Общую закономерность безнапорного впитывания воды в почву, в какой либо момент времени (t) установил Костяков А.Н.:
, (1)
где Кt - скорость поглощения воды почвой в момент времени t, мм/ч; КV – коэффициент водопроницаемости данной почвы в первую единицу времени 1 час, мм/ч; 
- показатель степени, зависящий от свойств почвы и ее начальной влажности.
При дождевании одним из самых главных агротехнических требований является соблюдение условия, что допустимая интенсивность дождевальной машины должна быть больше или равна средней интенсивности.
Среднюю интенсивность дождевальной машины принято определять по формуле:
, (2)
где h – слой выпавших осадков, мм; t – продолжительность полива, мин.
При поливе дождеванием предельная поливная норма зависит не только от водоудерживающей способности почвы в диапазоне от предполивной до наименьшей влагоемкости, но главным образом от ее впитывающей способности с учетом рельефа и уклонов поверхности орошаемого поля, агрофона, интенсивности и структуры дождя. При этом реализуемая поливная норма не должна превышать предельную (эрозионно-допустимую) норму, которая может быть установлена по зависимости:
(3)
где: mд - достоковая поливная норма, мм; Kv - показатель свободного безнапорного впитывания воды в почву, мм; ro - средняя интенсивность дождя, свойственная данной дождевальной машине (установке), мм/мин; dk - средний диаметр капель дождевого облака, мм;e - основание натурального логарифма, равное 2,75.
Согласно Н.С. Ерхову для легкосуглинистых и супесчаных почв показатель Kv составляет 61...90 мм, для среднесуглинистых 31...60, а для тяжелосуглинистых 21...30 мм [4].
Знаменатель в формуле представляет собой энергетическую характеристику дождя S = Öro·e0,5·dк, отображающую технико-эксплуатационные параметры конкретной дождевальной машины или установки (интенсивность и структуру дождя).
Расчитанные по формуле 3 достоковые поливные нормы являются сугубо ориентировочными, осредненными. Применительно к конкретным почвенно-рельефным условиям они должны корректироваться с учетом уклона поверхности орошаемого поля, фазы развития орошаемой культуры и состояния агрофона. Стандартный показатель свободного впитывания воды в почву Кv представляет собой слой осадков, который может впитывать данная почва в естественном состоянии (открытая, безуклонная, без растительного покрова, после весеннего сева) без поверхностного стока при интенсивности дождя r = 1 мм/мин и крупности капель меньше 1 мм ( 1 >dk > 0).
Особое практическое значение размера поливной нормы состоит в том, что именно она обуславливает экономическую эффективность и экологическую безопасность орошения. При реализации режима и технологий полива необходимо, чтобы фактические поливные нормы были близкими к mд . Выполнение этого требования обеспечит защиту орошаемых почв от эрозии и сохранение их плодородия.
Методика исследований обусловливает определение параметров, входящих в уравнение (3) экспериментальным путем. Дождемеры были расставлены по квадратной сетке с шагом 2 м, чтобы охватить зоны с различными энергетическими характеристиками дождя. Образование слоя воды вблизи каждого дождемера фиксировалось визуально; время, прошедшее от начала полива, регистрировалось секундомером. Крупность капель дождя определяли по известным методикам.
Результаты и их обсуждение.
Проведенные нами исследования процессов впитывания дождя на темнокаштановых среднесуглинистых почвах с использованием широкозахватных дождевальных машин кругового действия «Zimmatic» и «Каскад-Мелиомаш», а также фронтальной системой орошения «Zimmatic» при возделывании сои позволили установить показатели безнапорной водопроницаемости и эрозионно-допустимые поливные нормы в зависимости от энергетических параметров дождя и уровня предполивной влажности почвы. Диапазон изменений уровня предполивной влажности почвы колебался от 60%НВ до 90%НВ.
Убывание показателя безнапорной водопроницаемости почвы от уровня предполивной влажности получено в виде экспоненциальной зависимости (Рисунок 1):
(4),
Результаты исследований показывают, что с увеличением предполивной влажности почвы показатель безнапорной водопроницаемости почвы уменьшается, и соответственно уменьшается величина эрозионно-допустимой поливной нормы.
Рисунок 1 – Зависимость безнапорной водопроницаемости от уровня предполивной влажности почвы.
На основании проведенных опытов нами были определены эрозионно-допустимые значения поливных норм и время дождевания, обеспечивающие полив без образования луж и поверхностного стока.
Результаты исследований и основные показатели режимов орошения представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Эрозионно-допустимые поливные нормы при предполивном пороге влажности почвы 70 % НВ.
Проведение поливов с нормами, не превышающими полученных значений, служит основным критерием предупреждения стока и сброса воды за пределы орошаемого участка. Значения допустимой поливной нормы и время дождевания заметно отличаются по вариантам опыта и дождевальной техники. Так, допустимая поливная норма при дождевании круговой дожде-вальной машиной МДЭК-416-68-52 «Каскад-Мелиомаш» будет составлять 317 м3/га, круговая дождевальной машиной «ZIMMATIC» – 241 м3/га, а фронтальной системой орошения «ZIMMATIC» – 206 м3/га соответственно.
Время полива до образования стока составит от 22 до 45 мин. Следовательно, при дождевании сои прежде всего необходимо подбирать такую дождевальную технику, энергетическая характеристика дождя которой не превышала бы эрозионно-допустимые поливные нормы для конкретных почвенно-рельефных и хозяйственных условий. В случае невозможности подбора соответствующей машины можно предусматривать различные агротехнические и агромелиоративные мероприятия по увеличению впитывающей способности почв. К таким мероприятиям можно отнести внесение в почву соответствующих полимеров, повышающих впитывающую способность почв, применение системы обработки почвы и возделывание сельскохозяйственных культур, сохраняющих и повышающих структурность почвы. Для существующих условий орошаемого земледелия в УНПО «Поволжье» Вавиловского университета возникает необходимость разработки мероприятий по увеличению величины впитывающей способности почвы.
Заключение.
- В результате проведенных опытов были найдены значения показателя безнапорной водопроницаемости темно-каштановой среднесуглинистой почвы при проведении поливов широкозахватной дождевальной техникой. Была получена зависимость показателя безнапорной водопроницаемости почвы от уровня предполивной влажности
- Также были определены значения допустимых поливных норм и время дождевания для широкозахватной дождевальной техники «Каскад-Мелиомаш» и «ZIMMATIC», при которых не образуется поверх- ностный сток. Эрозионно-допустимая поливная норма составила при дождевании круговой дождевальной машиной МДЭК-416-68-52 «Каскад-Мелиомаш» 317 м3/га, круговой дождевальной машиной «ZIMMATIC» – 241 м3/га, а фронтальной системой орошения «ZIMMATIC» – 206 м3/га соответственно. Время полива до образования стока составило от 22 до 45 мин.
- Проведенная оценка эрозионной опасности почвы при орошении широкозахватными дождевальными машинами в УНПО «Поволжье» Вавиловского университета выявила необходимость разработки мероприятий по увеличению впитывающей способности почв для конкретных почвенно-рельефных и хозяйственных условий, а также дальнейшего изучения достоковых поливных норм на основе цифрового моделирования технологий орошения широкозахватными дождевальными машинами.
1. Бондаренко Ю.В., Фисенко Б.В., Овчинников А.Б. Обоснование расчетных характеристик дождевого стока и эрозии в зоне южных чернозе-мов Приволжской возвышенности // Научная жизнь. 2019. № 1. С. 66-73.
2. Голованов, А. И., Сорокин Р. А. Определение достоковых полив-ных норм при дождевании // Мелиорация и водное хозяйство. 2007. № 6. С. 24-27.
3. Григоров, М.С. Снижение потерь поливной воды при орошении / Григоров М.С., Кравчук А.В., Прокопец Р.В., Шаврин Д.И. / Доклады Рос-сийской академии сельскохозяйственных наук. 2003. № 6. С. 55-56.
4. Ерхов, Н.С. Мероприятия по предупреждению ирригационной эрозии почв при дождевании // Гидротехника и мелиорация. 1981. № 6. С. 54-57.
5. Корсак В.В., Прокопец Р.В., Курмангалиева Д.А., Афонин В.В. Проблемы орошения сельскохозяйственных угодий и их засоления в XXI ве-ке // Аграрный научный журнал, 2016, №8, С. 19-24.
6. Прокопец Р.В., Сергеева Е.А. Оросительные мелиорации в сухо-степной зоне Нижнего Поволжья в аспекте «зеленой экономики» России // Научная жизнь. 2014. № 5. С. 56-61.
7. Prokopets R.V., Sergeeva E.A. Irrigation reclamation in the dry-steppe zone of the Lower Volga region in the aspect of the "green economy" of Russia // Scientific Life. 2014. No. 5. pp. 56-61.
