Саратовская область, Россия
Саратовская область, Россия
Саратов, Саратовская область, Россия
УДК 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
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
В данной статье рассматривается проблема широкого развития орошения на территории Саратовского Заволжья, что привело к ухудшению мелиоративного состояния земель, которое возможно приостановить путем разработок совершенного нормирования орошения путем автоматизированных программ. Поэтому актуальным является вопрос повышение эффективности нормирования орошения путем определения общего водопотребления растений с учетом водного режима почвы, состояния деятельной поверхности, метеоусловий и биологических особенностей культуры. В статье приводятся математические зависимости, применяемые для разработки автоматизированной системы адаптивного нормирования орошения на примере культуры люцерна в условиях сухостепного Заволжья Саратовской области. При выборе метода определения испарения было проведено сравнение результатов расчета испарения по методам Н. Н. Иванова и метода Будыко–Зубенок. Приводятся известные зависимости динамики водного режима расчетного слоя почвы, водопотребления, коэффициентов, характеризующих биологические особенности культуры в процессе роста и развития, состояния активной поверхности, расчетной нормы полива, условие поддержания запасов влаги активного слоя почвы в оптимальном диапазоне, обеспечивая минимальную потерю воды и оптимальное влагообеспечение культуры, заложенные в основу автоматизированной расчетной программы адаптивного нормирования орошением. Адаптивное нормирование орошением заключается в определении суммарного водопотребления сельскохозяйственной культурой учитывая водный режим почвы, состояние деятельной поверхности, метеорологических сведений и биологических характеристик растения (культуры). Предложена программа адаптивного регулирования полива на примере культуры – люцерны, которая позволит повысить эффективность использования оросительной воды на территории Саратовского Заволжья, и как результат позволит улучшить экологическую ситуацию в данном регионе.
нормирование, орошение, культура, модель, адаптация, теория, зависимости, факторы, водопотребление, испарение, влажность
Главным ресурсом поддерживания эффективности мелиорируемых земель при выращивании сельскохозяйственных культур в степной и сухостепной зонах служит орошение, но масштабное развитие орошения влечет нередко к экологическим неблагоприятным ситуациям: повышение уровня грунтовых вод, понижение плодородия земель, засоление почвы, возникновении водной эрозии. Все перечисленные отрицательные процессы являются результатом того, что в структуре водопотребления при орошении происходит непроизводительная потеря воды (50–60 % от водозабора). Недостаток естественной влаги в степной и сухостепной зонах негативно сказывается на устойчивости сельскохозяйственного производства. Важным средством повышения продуктивности в зоне недостаточного увлажнения, наряду с использованием научно обоснованных систем сухого земледелия, является орошение, позволяющее оптимизировать водный режим почвы, уменьшить дефицит воды в агроценозах и нейтрализовать последствия засух. Это определило расширение площади орошаемых земель в мире. Сухостепное Заволжье находится в зоне рискованного земледелия где возделывать сельскохозяйственные культуры без орошения невозможно. В то же время широкое развитие ирригации в 1980–е годы привело к резкому ухудшению экологической ситуации в нашем регионе. Снижение мелиоративного состояния земель является результатом низкого качества управлением орошения. Как отмечает Кравчук А.В., Пронько Н.А., Корсак В.В., Фалькович А.С. [12–16] и другие ученые ошибка была допущена еще в начале широкой ирригации сельскохозяйственных земель области, известно также, что большое количество оросительных систем функционируют не в проектных режимах и нагрузки на мелиоративные земли превышают допустимые. Причиной такого неблагоприятного состояния орошаемых земель [19, 22–23] и низкой урожайности орошаемых культур может быть недостаточно совершенное регулирование орошения, при котором определение общего водопотребления осуществляется только лишь с учетом биологических свойств растения и погодных условий, учитываемых для конкретных условий среды. Использование такой модели для оценки влияния влагообеспеченности сельскохозяйственного поля на величину общего водопотребления направлено только на получение максимального урожая и приводит к перерасходу воды. Управление водным режимом орошаемых земель безусловно сопряжено с трудностями, но современный уровень средств вычислительной техники применяемых компьютерных технологий позволяет преодолеть немного эти трудности и позволяет применять методы математического моделирования для управления процессами при орошении сельскохозяйственных культур путем разработанных компьютерных программ. Решением данной проблемы может быть также достигнуто путем адаптивного нормирования орошением, основанного на определении общего водопотребления с учетом складывающегося водного режима почвы, состояния активной поверхности, погодных условий и биологических особенностей растений и направлено на получение заданного урожая культуры.
Современный уровень развития компьютерных технологий, методов математического моделирования и вычислительной техники позволяет применять для оперативного управления орошением математические модели на основе расчетных зависимостей воднобалансового метода. Эффективность управление при их использовании зависит от того, насколько реально они отражают фактическую динамику водного режима посевов, достоверно оценивают величины суммарного испарения и другие элементы водного баланса.
Цель исследования – повышение эффективности использования оросительной воды путем адаптивного нормирования полива люцерны для условий сухостепного Заволжья.
Методика исследований. Проведя анализ работ российских и зарубежных ученых было установлено, что результатом увеличения технического уровня систем гидромелиорации, может быть решено от 30 до 40 % актуальных экологических проблем, другая же часть может быть устранена только лишь за счет повышения эффективности управления водными ресурсами. Однако, всем известно, что управление водным режимом орошаемых земель связано с большим количеством трудностей, в связи с тем, что динамика влагообеспеченности посевов напрямую зависит от большого количества случайных и непредсказуемых факторов. Однако новый этап развития возможностей цифровой вычислительной техники и компьютерных технологий позволяет нам преодолевать сложившиеся трудности и применять методы математического моделирования для управления технологическими процессами при орошении. Серьезные проблемы, вызванные неправильным подходом в орошении, не позволяют отказаться от ирригации, так как альтернативой орошения на территории нашей области ничего не может быть. Можно только лишь приостановить дальнейшее снижение плодородия почвы, попытаться обеспечить и повысить сельскохозяйственное производство, снизить себестоимость сельскохозяйственной продукции путем рационального использования воды, адаптивного размещения сельскохозяйственных культур, а именно выращивать такие культуры, которые будут расходовать большее количество влаги, что будет приводить к понижению уровня грунтовых вод и снижению содержания солей, тем самым приводя к уменьшению площади засоления поливных земель, прогнозированием водно–солевого режима занимались Пронько Н.А., Фалькович А.С. [18], Корсак В.В. [4] на территории Саратовского Заволжья такой культурой является люцерна. Именно на примере этой культуры будет адаптирована модель Затинацкого С.В. [9˗11], разработанная для условий сухостепного Заволжья.
Растение–культура в процессе своего роста и развития напрямую зависит от водопотребления [3], которое в свою очередь зависит от водного режима почвы, воздушного режима почвы, температурного режима и режима питания. Известна зависимость общего водопотребления сельскохозяйственной культуры, показывающая, что общий расхода воды является функцией от климатических факторов, запасов влаги в почве и биологических характеристик растения–культуры [20 ˗ 21].
Прежде всего, потребление воды растением напрямую зависит от испарения с орошаемого поля, подстилающая поверхность которого существенном изменяется в вегетационный период роста и развития культуры. Для выбора точной методики определения испарения было проанализировано два метода: метод Н.Н. Иванова и метод Будыко–Зубенок.
Метод, предложенный Н. Н. Ивановым, показывает, испарение зависит от температуры воздуха и относительной влажности:
где: t – температура воздуха, °С; φ – относительная влажность, %.
Метод определения испарения по Будыко–Зубенок, представляет собой графический метод, выражающийся в криволинейных зависимостях (рис.1) испарения и недостаточной влажности воздуха, рассчитанного по месяцам. Криволинейные зависимости описываются уравнением:
где: E – испарение, мм; dф – недостаточная влажность воздуха, мБ; эмпирические коэффициенты a, b, c, k.
Сравнение результатов расчета испаряемости по методу Будыко–Зубенок и методу Н.Н. Иванова показывает, что более точные коэффициенты для условий сухостепного Заволжья получены по методу Будыко–Зубенок (рис.2).
Рис. 1 График зависимости испарения от недостатка влажности воздуха для степной зоны по месяцам года
Рис.2 Сравнение коэффициентов, рассчитанных по методам
Н. Н. Иванова и Будыко – Зубенок
За время своего роста и развития культура люцерна потребляет различное количество влаги, например, в период посева до отрастания подстилающую поверхность характеризуют как открытую поверхность почвы, которая в процессе роста культуры изменяет свое состояние, и оказывает влияние на влажность почвы, которая должна находиться в определенных пределах в течении каждой фазы растения–культуры, что является основным параметром при нормировании орошения. Для поддержания оптимальной влажности почвы и получения необходимого урожая, необходимо стремиться к рациональному и экономному расходу поливной воды путем контроля нормирования орошения при снижении топливно–энергетических ресурсов на орошение. Как считают Сафронова Т.И. и Степанов В.И. [17], что основной технологический критерий контроля нормированием поливов является динамика содержания влаги в активном слое почвы, на изменчивость которой влияет структура корневой системы, плотность почвы, пористость почвы, величина увлажнения почвы в результате орошения и выпадения осадков, глубина залегания грунтовых вод и конечно же природно–климатические условия места возделывания культуры.
Действительное наличие влаги в определенном слое почвы определяется экспериментально, затем проводится интерполяция значения влажности почвы с учетом орошения и осадков и затем определяется среднее значение запасов влаги за необходимый временной интервал. Динамика водного режима расчетного слоя почвы описывается известным уравнением:
где: Wк – запасы влаги в почве на конец расчетного периода, мм; Wн – запасы влаги в почве на начало расчетного периода, мм; P – количество осадков, мм; Σm – сумма поливных норм, мм; q – влагообмен активного слоя почвы с подстилающими грунтами, мм.
Вместе с определением необходимых для растения запасов влаги в почве определяется водопотребление, по модели, предложенной Затинацким С.В. [1–2]. Данная модель разработана для условий сухостепного Заволжья, учитывает водный режим почвы, погодные условия, биологические особенности растения–культуры и состояние активной поверхности почвы:
где ET – общий расход воды, мм; E – испарение, мм; Wact – фактические запасы влаги, мм; WPWP – запасы влаги почвы, соответствующие влажности увядания, мм; WFC – запасы влаги почвы, соответствующие наименьшей влагоемкости, мм; An, γ и β – эмпирические коэффициенты, определяющие состояние активной поверхности и биологических особенностей культуры в процессе роста и развития, которые определяются по зависимостям:
Для определения коэффициента состояния активной поверхности, используется зависимость:
где: An, γ и β – эмпирические коэффициенты, определяющие состояние активной поверхности и биологические особенности культуры в течение вегетационного периода; kб – биоклиматический коэффициент, мм/мБ; Σdφ – сумма среднесуточных дефицитов влажности воздуха, мБ;
Используя экспериментальные данные по водопотреблению люцерны, было определено, как будет определяться зависимость суммарного водопотребления к испаряемости (ET/E) от относительных запасов продуктивной влаги в почве в течение вегетационного периода люцерны [1, 3]:
(8)
где: ET/E – отношение общего расхода воды к испарению, мм; An , γ и β – эмпирические коэффициенты, определяющие состояние активной поверхности и биологические особенности культуры в течение вегетационного периода.
Данная эмпирическая зависимость (8) уточняет положение о прямой пропорциональности между потреблением воды и запасами влаги в почве при поддержании влажности в расчетном слое почвы [8].
Верхним пределом оптимальной влажности для растений является максимальная влажность и запас влаги, который соответствует наименьшей влагоемкости почвы (полной полевой влагоемкости) WFC, при увлажнении почвы выше которой избыток влаги приводит к вымыванию питательных веществ растений, эрозии почвы, пополнению запасов подземных вод и снижению плодородия земли [5–7]. Поэтому максимальная норма полива, мм, не должна превышать значения влажности с наименьшей влагоемкостью:
где: mnt – расчетная норма полива, мм; hw – расчетная глубина пропитки почвы, м; p – плотность почвы, т/м3; wFC – влажность почвы, соответствующая наименьшей влагоемкости, % по массе; wcr – влажность, соответствующая допустимому уровню высыхания; b – принимается в зависимости от гранулометрического состава почвы.
Из уравнения (9) следует, что величина нормы полива зависит от слоя влажности (hw) и порога влажности перед поливом (wcr).
Поддержание запасов влаги активного слоя почвы в оптимальном диапазоне должно происходить за счет соблюдения условия:
WFC ≥Wact>Wcr (10)
При таком поддержании запасов влаги в соответствии с выражением (10) будет обеспечена минимизация потерь воды и оптимальное влагообеспечение растения–культуры.
Несоответствие между расчетной оценкой и фактической влагообеспеченностью растений приводит к потере всех преимуществ компьютерного управления, к развитию экологически неблагоприятных процессов на орошаемых землях, снижению эффективности орошения в целом и нерациональному использованию поливной воды.
Результаты исследований и их обсуждение. Управление орошением с использованием математических моделей требует предварительного теоретического обоснования и экспериментального определения норм водопотребления сельскохозяйственных культур, параметров модели, организации информационного обеспечения, позволяющего получать точные количественные характеристики влагообеспеченности сельскохозяйственных культур и регулировать водный режим почвы в соответствии с меняющимися стадиями органогенеза потребности в растения в воде. Вышеизложенное указывает на то, что для рационального использования оросительной воды с учетом экологических ограничений необходимо провести работу по совершенствованию информационного обеспечения компьютерных технологий управления орошением, уточнению методов расчета определения общего испарения, водопотребления на основе исследований агрометеорологического и водно–теплового баланса в различных почвенно–климатических и гидрогеологических условиях. На основе представленных зависимостей и моделей была разработана программа адаптивного регулирования полива люцерны. Алгоритм программы заключается в ежедневном определении всех показателей адаптивного нормирования полива люцерны на весь вегетационный период: запасы влаги в почве, испарение, общее водопотребление культуры, норма полива, количество поливов, норма полива и дни полива.
В программе присутствует 3 типа данных, которые вводятся вручную, вычисляются автоматически по заданному алгоритму и графическая часть программы (дата вегетационного периода и запасы влаги в почве) (рис.3, рис.4).
Рис. 4. Окно ввода дополнительных данных
В результате адаптивного нормирования полива люцерны норма полива и дни полива устанавливаются в соответствии с графической частью программы (рис.5), которая представляет собой график динамики запасов влаги в почве в течение всего вегетационного периода культуры.
Рис. 5. Графическая часть программы
Заключение. Реализованное качество управления зависит не только от уровня обеспеченности потребителей коммуникациями, вычислительной техникой, а также от того, насколько точно модели позволяют оценить динамику водного баланса сельскохозяйственных культур, точность и надежность информационного обеспечения. Для определения общей экономической эффективности использования программы адаптивного нормирования орошением проведено соотношение полученных результатов и затрат на возделывание культуры–люцерна, который показал, что возделывая культуру люцерна в условиях Саратовского Заволжья применяя предложенную методику и программу позволит повысить урожайность в среднем на 15 % и снизить затраты поливной воды на 11 % и затраты на формирование 1 т. зеленой массы на 19 %. Рациональное использование водных ресурсов обеспечит высокую экономическую эффективность и экологическую устойчивость. Компьютерные программы являются надежным инструментом для решения задач планирования и управления режимом орошения, но только при оперировании достоверной информацией отражающей состояние агроценоза и высокую точность расчета оптимального режима для конкретной культуры и конкретных условий.
Предложенная методика позволяет определять общее водопотребление культуры с учетом формирования водного режима расчетного слоя почвы, погодных условий внешней среды, состояния активной поверхности почвы и биологических характеристик культуры в различные фазы вегетационного периода.
Представленная методика и программа позволит оптимально управлять орошением и получать от него максимальный эффект, прежде всего направленный на решение экологических проблем сухостепного Заволжья. Программа предназначена для специалистов отдельных фермерских хозяйств и для разработки планов водопользования.
