1. Введение
Одним из основных элементов водного баланса сельскохозяйственных полей является водопотребление, которое играет важную роль в формировании продуктивности агрокультур. Известно, что между величиной водопотребления и продуктивностью существует прямая зависимость: чем больше растения потребляют воды, тем быстрее (при прочих равных условиях) они наращивают биомассу. Одним из основных факторов, определяющих водопотребление растений, является уровень увлажнения корнеобитаемого слоя почвы [1].
В зависимости от количества воды в почве меняется ее подвижность и доступность для растений. Запасы воды в расчетном слое почвы зависят от его мощности, положения уровня грунтовых вод и величины основного источника питания — осадков; теоретически они изменяются в пределах от 0 до полной влагоемкости расчетного почвенного слоя Wпв.
На прямой возрастания влагозапасов можно выделить несколько характерных точек, при переходе через которые происходит изменение подвижности воды и доступности ее для растений (см. табл. 1). Влагозапасы, соответствующие этим узловым точкам, называются агрофизическими или агрогидрологическими константами почвы. Численные значения агрогидрологических констант зависят, в основном, от механического состава почвы.
Влагозапасы в пределах от Wврк (влажность разрыва капилляров) до Wнв (наименьшая влагоемкость) называются оптимальными, при этом Wврк часто называется нижним уровнем оптимального увлажнения (Wно), а Wнв — верхним (Wво). Если влагозапасы окажутся меньше Wно, то растения будут угнетаться из-за недостатка влаги. Если влагозапасы повысятся выше Wво, то ухудшаются условия аэрации почвы из-за малого содержания воздуха в порах корнеобитаемого слоя. В этом случае растения также угнетаются и снижается их продуктивность. Нижний уровень оптимального увлажнения определяется Wврк, но кроме того, зависит от вида сельскохозяйственной культуры, мощности корневой системы, фазы вегетации.
Схема состояния воды в почве и ее доступности для растений
| Агрогидрологические константы | W | ||||
| Состояние почвенной влаги | гигроскопическое | пленочное | капиллярное | гравитационное | |
| Доступность влаги для растений | недоступна | практически недоступна | трудно доступна | доступна | доступна |
| Содержание воздуха, % | > 95 | 75–95 | 50–75 | 30–50 | < 30 |
| Условия для развития растений | неблагоприятные из-за недостатка влаги | наиболее благоприятные | неблагоприятные из-за недостатка воздуха |
Ввиду того, что влагозапасы почвы менее Wвз являются практически недоступными для растений, в мелиоративной гидрологии принято оперировать не величиной фактических влагозапасов W, а превышением запасов влаги над уровнем увлажнения, соответствующим влажности завядания. Это превышение называется продуктивными влагозапасами Wпр и равно соответственно разности Wпр = W – Wвз.
Весьма важной агрогидрологической характеристикой слоя почвы является величина продуктивных влагозапасов при наименьшей влагоемкости Wпр_вн, которая равна разности наименьшей влагоемкости и влажности завядания Wпр_вн = Wнв — Wвз. Для мелиоративных целей содержание в почве продуктивной влаги выражают в процентах (либо долях) от величины продуктивных влагозапасов при наименьшей влагоемкости: Wпр/Wпр_вн.
Цель исследования заключается в разработке и апробации практического алгоритма определения величины нормы и сроков полива сельскохозяйственных культур с получением наиболее благоприятных условий для развития растений. Алгоритм основан на анализе увлажненности почвы и уравнении водного баланса орошаемого поля.
Подобными исследованиями занимаются многие мелиораторы. Разработанные методы и методики можно найти в работах
[2][3][4][6][7][8][9]
2. Алгоритм определения нормы и сроков полива
Наилучшие условия для развития растений имеют место в случае, когда влажность почвы не превышает величины продуктивных влагозапасов при наименьшей влагоемкости Wпр_нв и не опускается менее нижнего оптимума увлажнения Wно. Исходя из этой предпосылки, можно сделать два важных практических вывода: – срок полива назначается тогда, когда влажность почвы на орошаемом поле уменьшится настолько, что станет близкой или равной нижнему оптимуму увлажнения; – величину поливной нормы m можно вычислить по выражению:
[LATEX_FORMULA]m = W_{\text{пр\_нв}} - W_{но}.[/LATEX_FORMULA]
Мощность расчетного слоя зависит от глубины распространения корневой системы, которая в свою очередь определяется видом культуры и фазой ее развития. Для определения и срока полива, и поливной нормы необходимо иметь сведения о влагозапасах почвы.
Влагозапасы почвы и их изменения предпочтительнее определять вычислением по уравнению водного баланса орошаемого поля (см. рис. 1). В зависимости от выбора границ, очерчивающих участок суши, для которого записывается уравнение, а также от конкретных природных условий, это уравнение может содержать различное число членов, например:
[LATEX_FORMULA]Y_1 + X + K - E - J - Y_2 = \Delta W,[/LATEX_FORMULA]
Схема водообмена корнеобитаемой зоны: hk – высота капиллярного подъема, hгр – высота подъема грунтовых вод, УГВ – уровень грунтовых вод
где K — капиллярное поднятие; J — инфильтрация; X — осадки; E — испарение (водопотребление); Y1 — поверхностный приток; Y2 — поверхностный сток; DW — изменение влагозапасов в корнеобитаемой зоне: DW = Wк — Wн (Wк, Wн — соответственно влагозапасы на конец и на начало расчетного периода).Для корнеобитаемой зоны поля при отсутствии поверхностного притока и стока воды и относительно глубоком залегании грунтовых вод, исключающем их сколько-нибудь значительный водообмен с корнеобитаемой зоной, уравнение примет вид (размерность всех величин в мм):
[LATEX_FORMULA]X - E - J = W_\text{к} - W_\text{н}[/LATEX_FORMULA]
Выполняя вычисления, например, каждые десять дней, можно обнаружить, когда Wк приблизится по величине к Wно. Это будет указанием на необходимость назначения даты очередного полива. Следовательно, корректировка поливного режима во многих случаях сводится к определению осадков и испарения. Уравнение баланса относительно Wк записывается в следующем виде:
[LATEX_FORMULA]W_\text{к} = W_\text{н} + X - E - J + m[/LATEX_FORMULA]
3. Апробация алгоритма определения нормы и сроков полива
Местоположение агрометеорологических станций Туринск и Артемовский в Свердловской области
Апробация предлагаемого метода расчета нормы и сроков полива проводилась на ретроспективных данных: метео- и агропараметры были взяты за 1973 год по станциям Туринск и Артемовский Свердловской области (расположение станций показано на рис. 2), расчеты делались для яровой пшеницы. Следует отметить, что предлагаемый алгоритм был апробирован и для других видов сельскохозяйственных культур, в частности, для картофеля.Для определения поливной нормы m используется следующая исходная информация: межфазовые периоды развития растений, величина продуктивных влагозапасов при наименьшей влагоемкости Wпр_нв, нижний оптимум увлажнения Wно.
Для составления режима полива необходима еще информация по следующим характеристикам: величина начального увлажнения Wн, дата и количество выпавших осадков X, величина испарения E.
Поливная норма определялась как разница величин продуктивных влагозапасов при наименьшей влагоемкости и нижнего оптимума увлажнения m = Wпр_нв – Wно.
Для расчета испарения применялся метод, основанный на биологических кривых водопотребления с использованием коэффициента водопотребления и испаряемости. Это один из многих методов определения испарения, описание которого можно найти в источнике [10].
Расчет производился по декадам вегетационного периода яровой пшеницы. Пример расчета сроков полива показан в табл. 2. На рис. 3 представлены соотношения значений влагозапасов на начало декады, нижнего оптимума увлажнения и влагозапасов на конец декады.
Расчет сроков полива сельскохозяйственных культур можно свести к следующим последовательным шагам (расчетный шаг
—
1. Рассчитывается число дней, на которое хватит влаги
2. Если
—
3. Если
——
Если выпали осадки до даты прогноза полива, то
Если осадки выпали после даты полива, то будет инфильтрация J.
Пример расчета сроков полива яровой пшеницы
| Период | , мм/дек | Осадки, мм | Полив | , мм | , мм | , мм | Расчетное уравнение | ||
| дата | , мм | Ď | D | ||||||
| ст. Туринск | |||||||||
| 11-20.V | 17,8 | 13.05 | 73,6 | E | |||||
| 21-31.V | 18,8 | 27.05 | 54,8 | E | |||||
| 1-10.VI | 22,5 | 01.06 | 01.06 | 36,6 | 68,9 | m | |||
| 11-20.VI | 34,7 | 16.06 | 31 | 17.06 | 17.06 | 36,6 | 91,4 | 10,4 | m–J |
| 21-30.VI | 23,2 | 25.06 | 44 | 91,4 | 20,8 | E–J | |||
| 1-10.VII | 25,6 | 65,8 | E | ||||||
| 11-20.VII | 23,4 | 17.07 | 42 | 15.07 | 15.07 | 36,6 | 91,4 | 29,6 | m–J |
| 21-31.VII | 32,7 | 29.07 | 12 | 70,7 | E | ||||
| 1-10.VIII | 32,2 | 16.08 | 16.08 | 36,6 | 75,1 | m | |||
| 11-20.VIII | 40,3 | 19.08 | 23 | 20.08 | 20.08 | 45,7 | 91,4 | 12,1 | m–J |
| 21-31.VIII | 23,6 | 30.08 | 38 | 91,4 | 14,4 | E–J | |||
| ст. Артемовский | |||||||||
| 20-31.V | 20,6 | 23.05 | 1 | 58,4 | E | ||||
| 1-10.VI | 25,4 | 02.06 | 1 | 07.06 | 07.06 | 31,2 | 65,3 | m | |
| 11-20.VI | 36,0 | 29,3 | E | ||||||
| 21-30.VI | 16,2 | 26.07 | 24 | 21.06 | 21.06 | 39,0 | 76,1 | m | |
| 1-10.VII | 41,7 | 02.07 | 18 | 52,4 | E | ||||
| 11-20.VII | 29,7 | 12.07 | 12.07 | 31,2 | 53,9 | m | |||
| 21-31.VII | 32,4 | 25.07 | 18 | 23.07 | 23.07 | 31,2 | 67,4 | m | |
| 1-10.VIII | 32,5 | 05.08 | 20 | 07.08 | 54,9 | E | |||
| 11-20.VIII | 36,5 | 13.08 | 13.08 | 31,2 | 49,7 | m | |||
| 21-31.VIII | 31,3 | 30.08 | 16 | 24.08 | 24.08 | 39,0 | 70,3 | m | |
| 1-10.IX | 14,9 | 06.09 | 35 | 78,0 | 12,4 | E–J | |||
| 11-15.IX | 14,9 | 63,2 | E |
Величины влагозапасов на начало расчетного периода (Wн), нижнего оптимума увлажнения (Wно) и влагозапасов на конец расчетного периода (Wк) по данным ст. Туринск (а) и ст. Артемовский (б)
Анализируя даты полива яровой пшеницы (см. табл. 2), можно заметить, что и на станции Туринск, и на станции Артемовский даты прогноза и фактические даты полива совпадают в тех случаях, когда почва была не достаточно увлажнена и осадки либо не выпадали, либо были минимальными. Отмечаются декады с появлением инфильтрации J — полив был произведен и позже выпадали осадки. Эти отмеченные моменты позволяют сделать вывод о возможности использования достоверных прогнозов количества осадков с заблаговременностью, равной расчетному периоду для назначения сроков полива. Достоверные прогнозы позволят максимально ликвидировать инфильтрацию, которая появляется из-за избытка воды на сельскохозяйственном поле.
4. Заключение
Были рассмотрены показатели увлажненности почвы и
агрогидрологические константы, на соотношении величин которых обосновано расчетное выражение для величины поливной нормы.
Метод расчета сроков поливов, основанный на составлении уравнения водного баланса для орошаемого поля, был апробирован на ретроспективных данных для яровой пшеницы. Приведенные расчеты наглядно показали практичность и простоту предлагаемого подхода
Кроме того, положительным моментом рассматриваемого подхода является возможность использования прогнозных дат выпадения осадков и их величин, а также перспектива реализации расчетного алгоритма на языке программирования высокого уровня.
Предлагаемый алгоритм расчета сроков полива требует оценки практикующих мелиораторов, и в случае положительной такой оценки будет рассмотрен вопрос об апробации подхода на действующем сельскохозяйственном поле с фактической оценкой достоверности метода.