ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОСТРАНСТВЕННО-ДИФФЕРЕНЦИРОВАННОГО ДОЖДЕВАНИЯ ПОСЕВОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР

Зейлигер А.М.¹, Ермолаева О.С.²

¹ORCID: 0000-0002-9556-9966, Доктор биологических наук, Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева, ²Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева

ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОСТРАНСТВЕННО-ДИФФЕРЕНЦИРОВАННОГО ДОЖДЕВАНИЯ ПОСЕВОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР

Аннотация

В статье рассмотрены информационно-технологические основы создания технологии пространственно-дифференцированного дождевания посевов сельскохозяйственных культур, которая позволяет, во-первых, поднять эффективность использования земельных и водных ресурсов за счет повышения урожайности в результате оптимизации распределения поливной воды по пространству корнеобитаемого слоя в пределах орошаемого поля, а во-вторых, снизить негативную нагрузку на окружающую среду за счет сокращения непроизводительных потерь воды в результате формирования поверхностного и грунтового потока поливной воды в поверхностные объекты и грунтовые воды.

Ключевые слова: информационные технологии, водные ресурсы, дождевание, орошение посевов, нагрузка на окружающую среду.

Zeyliger А.М.¹, Ermolaeva О.S.²

¹ORCID: 0000-0002-9556-9966, PhD in Biology, Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy, ²Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy

INFORMATION AND TECHNOLOGICAL BASES OF THE SPATIALLY DIFFERENTIATED SPRINLER IRRIGATION OF AGRICULTURAL CROPS

Abstract

The article considers information & technological basics of the spatially differentiated technology for sprinkling irrigation of agricultural crops which allows to increase, first, efficiency of land and water resources use due to yield augment as a result of optimization of irrigation water distribution in space of root zone within the irrigated field, and secondly, to lower negative impact to environment due to reduction of unproductive losses of irrigation water provided by run-off and seepage fluxes formation into surface water object and groundwater.

Keywords: information technology, water resources, sprinkler irrigation, agricultural crop, environmental impact.

Пестрота почвенного покрова, а также пространственное варьирование многочисленных факторов и процессов (рис. 1) оказывают влияние на формирование пространственно неоднородного водного режима поступления и расходования воды корнеобитаемого слоя на сельскохозяйственных полях.

Рис. 1 - Процессы влияющие на формирование режимов влагозапаса корнеобитаемого слоя почв на сельскохозяйственных угодьях

 

Пространственная неоднородность формирования водного режима приводит к формированию контуров с различными запасами доступной для сельскохозяйственных растений воды [1,5]. В пределах такого рода проблемных контуров с влагозапасами, отличными от оптимальных, сельскохозяйственные растения испытывают различного рода стрессы, оказывающими негативное влияние на их рост и развитие. В итоге это приводит к снижению эвапотранспирации с поверхности почвенно-растительного покрова [6], а как результат - к снижению урожайности сельскохозяйственных культур. Классическая технология орошения с постоянной по площади орошаемого поля (униформной) нормой орошения не позволяет варьировать этой нормой для выравнивания отклонений водного режима отдельных контуров от оптимальных. На уровне орошаемого поля это приводит к снижению к недобору урожая орошаемых сельскохозяйственных культур, что выражается в снижении эффективности использования поливной воды и расходуемой для ее транспортирования энергии.

Анализ данных полевых экспериментов, проведенных на оросительных системах Саратовского Заволжья, свидетельствует о наличие потенциальных возможностей получения в практике орошаемого земледелия экономического и экологического эффекта от применения современных методов орошения на основе совместного использования технологий геоинформационных систем (ГИС) и дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Это служит предпосылками для развития устойчивого высокоэффективного орошаемого земледелия за счет: а) повышения эффективности использования поливной воды посевами сельскохозяйственных культур; б) увеличения урожайности посевов сельскохозяйственных культур; в) снижения эксплуатационных затрат, связанных с орошением; г) уменьшения негативного влияния орошения на экосистемы земельных и водных объектов; д) предотвращения деградации орошаемых земель.

Для повышения эффективности использования поливной воды и увеличения урожайности посевов сельскохозяйственных культур предлагается использовать технологию пространственно-дифференцированного дождевания [4, 7]. В отличие от классической технологии равномерного (униформного) распределения слоя поливной воды по пространству орошаемого поля технология пространственно-дифференцированного дождевания позволяет варьировать поливной нормой и интенсивностью водоподачи по т.н. зонам управления. Это реализуется за счет оснащения разбрызгивателей самодвижущихся дождевальных машин устройствами, регулирующими подачу воду на поверхность поля. Режим работы каждого из таких исполнительных устройств управляется бортовым микропроцессором, контролирующим расположение разбрызгивателей по отношению к зонам управления технологической карты полива и формирующим команды, необходимые для выполнения заданных технологической картой норм полива (рис. 2), в соответствии с расположением этих контуров на орошаемом поле [4].

Рис. 2 - Графической представление технологической карты полива (цветовая палитра отображает градацию норм полива) дождевальной машиной кругового действия, включающей зоны управления

Дифференцированное по пространству орошаемого поля дождевание направлено на формирование в пространстве корнеобитаемого слоя почвы проблемных зон требуемых влагозапасов. Это позволяет гибко настраивать реализацию поливов для нивелирования этих зон и таким образом увеличить урожайность на всем пространстве орошаемого поля. В результате настройки интенсивности водоподачи сводятся к минимуму формирование поверхностного и грунтового стока, что ведет также к снижению риска деградации почв, что делает устойчивым орошаемое земледелие.

Формирование технологической карты полива, основано на пространственном анализе картографических данных и их обработки с использованием методов алгебры карт в границах зон управления [2]. Для этого используются данные наземного прокси-зондирования влагозапасов корнеобитаемого слоя, аэрокосмического зондирования транспирации посевов сельскохозяйственных культур (рис. 3).

Рис. 3 - Пространственное варьирование влагозапасов корнеобитаемого слоя полосы проксимального зондирования (цветовая палитра отображает градацию влагозапасов) в пределах орошаемого контура сельскохозяйственного поля (цветовая палитра отображает высоты отметок рельефа)

Для реализации пространственно-дифференцированной технологии дождевания разработана и протестирована методика [3], основанная на сценарном прогнозе формирования водопотребления посевов сельскохозяйственных культур на каждом отдельном поле. С этой целью используются данные прогноза метеорологических условий, прогнозного водопотребления отдельных посевов (рис. 3). Указанные показатели рассчитываются по данным дистанционного зондирования растительного и почвенного покрова. Это позволяет планировать и реализовывать эффективное использование поливной воды сельскохозяйственными посевами с учетом вегетационных характеристик роста и развития орошаемых посевов, показателей водного стресса, текущего и прогнозного водопотребления, влагозапасов корнеобитаемого слоя, а также характеристик рельефа, почвенного покрова и положения грунтовых вод.

Мониторинг показателей водного стресса реализован на основе прогноза метеорологических данных погодных условий, данных аэрокосмического зондирования эвапотранспирации с поверхности сельскохозяйственного посева, а также расчетных данных по водопотреблению сельскохозяйственных культур в соответствии с методикой ФАО-56. В результате мониторинга для каждого орошаемого поле с посевом сельскохозяйственной культуры формируется профиль режима водного стресса, необходимый для оценки потребностей этого посева в воде в краткосрочной перспективе.

Краткосрочный прогноз водопотребления посевов орошаемых сельскохозяйственных культур для каждого отдельного поля реализуется с использованием агрогидрологической модели SWAP [8] на основе данных мониторинга показателей водного стресса и цифрового метеорологического прогноза погодных условий. Это позволяет настраивать режим орошения посева сельскохозяйственных культур на каждом отдельном поле в соответствии с его текущими и будущими потребностями в воде.

Планирование поливов посевов орошаемых сельскохозяйственных культур осуществляется для каждого поля отдельно на основе данных их текущего водопотребления и прогнозного. С этой целью используются данные сценарного моделирования в соответствии с рассматриваемыми вариантами входных данных по срокам и нормам поливов, вегетационных характеристик посевов орошаемых сельскохозяйственных культур, прогнозного водопотребления и погодных условий. Оценка и сопоставление вариантов сценарных расчетов реализуется по показателю прогнозируемой биопродуктивности посевов орошаемых сельскохозяйственных культур, выраженной или физическими или экономическими показателями. В результате для каждого орошаемого поля формируется график необходимой водоподачи с заданной заблаговременностью, которая корректируется по мере уточнения прогноза погодных условий.

Мониторинг метеорологической обстановки на орошаемых землях осуществляется условий с использованием данных стационарной сети метеорологических станций системы Росгидромета, а также данных автоматических метеорологических станций и радаров погодных условий. Поступающие метеорологические данные формируются в слои массивов данных для анализа и получения пространственно-временных картографических данных погодных условий на каждом сельскохозяйственном поле. Полученные для каждого отдельного поля слои данных используются для оценки водопотребления, выращиваемых на каждом отдельном поле посевов орошаемых сельскохозяйственных культур.

Гидрогеологический мониторинг уровня грунтовых вод и его физико-химических характеристик на территориях, где ведется орошение посевов сельскохозяйственных культур, осуществляется на основе данных, получаемых по беспроводным сетям с датчиков, установленных в специально оборудованных скважинах наблюдений. Состояние и характеристики почвенного покрова на сельскохозяйственных полях, где ведется орошение, осуществляется на основе данных аэрокосмических наблюдений и данных наземных регулярных наблюдений на специально оборудованных тестовых участках. Поступающие данные аэрокосмического , проксимального и гидрогеологического зондирования используются для формирования соответствующих слоев картографических данных [8]. На основе пространственно-временного анализа этих данных рассчитываются картограммы контролируемых характеристик каждого отдельного сельскохозяйственного поля, используемые в агрогидрологической модели SWAP (рис. 4). Эта модель используются для расчета элементов водного баланса корнеобитаемого слоя для каждой зоны управления технологической карты. Для этой цели используются условия, формулирующие цели ведения орошения посевов сельскохозяйственных культур.

Рис. 4 - Схема алгоритма расчета технологической карты полива

 

Заключение

Для расчета технологической карты полива при использовании пространственно-дифференцированной технологии дождевания используются слои данных сельскохозяйственных полей, включающие картограммы: а) параметров метеорологического прогноза; б) водопотребления посевов, получаемые по данным аэрокосмического зондирования; в) влагозапасов корнеобитаемого слоя, получаемые по данным прокcимального зондирования; г) грунтового и поверхностного стока, оцениваемые по модели SWAP.

Литература

1. Затинацкий С.В., Зейлигер А.М., Губер А.К., Хитров Н.Б., Никитина Н.С., Уткаева В.Ф. Исследование предпочтительных потоков влаги в лугово-черноземной почве Саратовского Заволжья // Почвоведение. 2007. № 5. С. 585-598.
2. Зейлигер А.М., Тулузаков М.Л. Электромагнитный индуктометр для вертикального профилирования влагозапасов почвенно-грунтовой толщи // Природообустройство. 2013. № 4. С. 36-40.
3. Зейлигер А.М., Фартуков В.А., Косицын А.В. Результаты полевых экспериментов по тестированию технологии дифференцированного дождевания посевов сельскохозяйственных культур // Сб. ст. ВИМ. 2010. ВИМ. 2012. Т. 2. С. 430-434.
4. Зейлигер А.М. Точное (дифференцированное) орошаемое земледелие - технология повышения эффективности орошения и снижения нагрузки на окружающую среду // Сб. ст. ВИМ. 2010. Т. 2. С. 633-638.
5. Зейлигер А.М., Ермолаева О.С. Полевые исследования преференциального водного потока в темно-каштановых почвах Саратовского Заволжья // сб. ст. Проблемы научного обеспечения развития Эколого-экономического потенциала России. Москва, 2004, с.99-103.
6. Зейлигер А.М., О.С. Ермолаева, А.Н. Кричевцова “Результаты пространственно-временного анализа наборов данных ДЗЗ по испарению с поверхности суши MOD16 ET за 2000-2009 годы для территории Палласовского района Волгоградской области РФ”. Сборник статей Экология, Экономика и Информатика, Геоинформационные технологии и космический мониторинг. Ростов на Дону. Издательство Южного федерального университета, том.1-3/ том 3, 2015 с.35-47.
7. Sadler, E.J., R.G. Evans, G.W. Buchleiter, B.A. King, and C.R. Camp. // Design Considerations for Site Specific Irrigation. // In: Proceddings of the 4th Decenial National Irrigation Symposium. American Society of Agricultural Engineers. St Joseph, MI, 2000, November 14-16. Pp. 304-315.
8. Zeyliger A.M., Ermolaeva O.S. SEBAL Model Using to Estimate Irrigation Water Efficiency & Water Requirement of Alfalfa Crop // sb. st. EGU General Assembly. Vienna, Austria. 07 – 12 April 2013. Vol. 15. 12671 // [Электронный ресурс] URL: http://meetingorganizer.copernicus.org/EGU2013/EGU2013-12671.pdf (дата обращения 08.082016)

References

1. Zatinatskii S.V., Zeiliger A.M., Guber A.K., Khitrov N.B., Nikitina N.S., Utkaeva V.F. Preferential water flows in meadow-chernozemic soil of the saratov transvolga region // Eurasian Soil Science. 2007. Т. 40. № 5. С. 532-543.
2. Zeyliger A.M., Tuluzakov M.L. Jelektromagnitnyj induktometr dlja vertikal'nogo profilirovanija vlagozapasov pochvenno-gruntovoj tolshhi // Prirodoobustrojstvo. 2013. № 4. S. 36-40
3. Zeyliger A.M., Fartukov V.A., Kosicyn A.V. Rezul'taty polevyh jeksperimentov po testirovaniju tehnologii differencirovannogo dozhdevanija posevov sel'skohozjajstvennyh kul'tur // Sb. st. VIM. 2010. VIM. 2012. T. 2. S. 430-434.
4. Zeyliger A.M. Tochnoe (differencirovannoe) oroshaemoe zemledelie - tehnologija povyshenija jeffektivnosti oroshenija i snizhenija nagruzki na okruzhajushhuju sredu // Sb. st. VIM. 2010. T. 2. S. 633-638.
5. Zeyliger A.M., Ermolaeva O.S. Polevye issledovanija preferencial'nogo vodnogo potoka v temno-kashtanovyh pochvah Saratovskogo Zavolzh'ja // sb. st. Problemy nauchnogo obespechenija razvitija Jekologo-jekonomicheskogo potenciala Rossii. Moskva, 2004, s.99-103.
6. Zeiliguer A.M., Ermolaeva O.S., Krichevtsova A.N., “The results of the spatial-temporal analysis of remote sensing data sets by evaporation from the earth's land surface MOD16 ET for 2000-2009 for the territory Pallasovsky district of the Volgograd region of the Russian Federation”. In: ECOLOGY ECONOMY INFORMATICS GEOINFORMATION TECHNOLOGIES AND SPACE MONITORING Rostov on Don: Southern federal university Publishers, Vol.1-3/ Volume 3, p.35-47, (2015).
7. Sadler, E.J., R.G. Evans, G.W. Buchleiter, B.A. King, and C.R. Camp. // Design Considerations for Site Specific Irrigation. // In: Proceddings of the 4th Decenial National Irrigation Symposium. American Society of Agricultural Engineers. St Joseph, MI, 2000, November 14-16. Pp. 304-315.
8. Zeyliger A.M., Ermolaeva O.S. SEBAL Model Using to Estimate Irrigation Water Efficiency & Water Requirement of Alfalfa Crop // sb. st. EGU General Assembly. Vienna, Austria. 07 – 12 April 2013. Vol. 15. 12671 // [Электронный ресурс] URL: http://meetingorganizer.copernicus.org/EGU2013/EGU2013-12671.pdf .