Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

ОПТИМИЗАЦИЯ ВОДНОГО РЕЖИМА ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ СУГЛИНИСТОЙ ПОЧВЫ В УСЛОВИЯХ СИНХРОННО-ИМПУЛЬСНОГО ДОЖДЕВАНИЯ

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "ОПТИМИЗАЦИЯ ВОДНОГО РЕЖИМА ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ СУГЛИНИСТОЙ ПОЧВЫ В УСЛОВИЯХ СИНХРОННО-ИМПУЛЬСНОГО ДОЖДЕВАНИЯ"

Факультет почвоведения

На правах рукописи

СИДОРОВА МАРИНА АЛЕКСАНДРОВНА

ОПТИМИЗАЦИЯ ВОДНОГО РЕЖИМА ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ СУГЛИНИСТОЙ ПОЧВЫ В УСЛОВИЯХ СИНХРОННО-ИМПУЛЬСНОГО

ДОВДЕВАНЙЯ

Специальность 06.01.03 - почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

ИЗДАТЕЛЬСТВО МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА • 1981

Работа выполнена ва кафедре фивикя я мелиорации почв факультета почвоведения Московского государственного университета шеня М.В*Ломоносова.

Научный руководитель: доктор биологических наук.

старшй научный сотрудник и.и.судкшаш

Официальные оппоненты: доктор биологических наук,

доцент

Е.М.Самойлова,

кандидат биологических наук

М.Е.Ганэбург

Ведущее учреждение: Почвенный институт имени В.В.Докучаева

в МГУ им.М .В Лсыоносова в аудитории М-2.

О диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения ЩУ,

Приглашаем Вас пршять участие в обсуждении диссертации на заседании опецвалиэировенного Совета по почвоведению в Московском университете, а отзывн на автореферат в 2-х экземплярах просим направлять по адресу:

117234, Москва, В-234, Ленинские горн, МГУ, факультет почвоведения, Учёный Совет

в — час почвоведению

Ученый секретарь Совета доцент

Другалыгость проблеми. В течение многих лет в НечерпозеыноЗ зове СССР проводилось» главным образом, интенсивное осушение зайолочекных почв. Однако, паже при ореднеиноголетней достаточной увлажненности в втой зоне периодическое недостаточное увлажнение почв приводит к значительной потере урожая многих сельскохозяйственных культур» в частности, нспользушах на корі скоту; это обуславливает необходимость широкого и систематического применения орошения. Важность н актуальность »тих вопросов отмечена в решениях ХХУІ съезда КПССI "Главные трудности - в нехватке кормов. Наряду с зернаї надо, конечно, увеличивать производство грубых и сочных кормов". На съезде речь шла таете о тем, "чтойї решительно повысить эффективность использования земель, особенно мелиорированных".

Анализ климатических, почвенных, геоморфологических, гидрогеологических и хозяйственных факторов НечеряозешаЙ зоны СССР показал, что интенсивные способы орошения (такие как "напускам", по бороздам, дождевание мощши машинши) не всегда пригодны яяя этой зоны, так как они не позволяет увлажнять почву достаточно часто и оперативно, но малыми нормами, в результате почва либо переувлажняется и в ней надолго ус танавливавтея анаэробные условия, угнетшдав растения, либо влажность ее опускается гораздо ниже оптимального диапазона увлажнения.. Разработка более совершенных способов орешшия, в частвоотн, синхронно— шпульового дождевания, требует глубокого теоретического анализа воздействия орешения на вс№ый режим почв.

Цел^> шботр. Выявление почвенво-гидрофизическях условна, обеспечиваицах получение максимального урожая сельскохозяЗотвен-ных культурі всестороннее изучение процессов, раэвизапшоя а дериово-подзолиотой суглинистой почве под влняндеы синхронно-вщульсного дождевания.

Основные задачи иодледовадия.

1. Изучение влияния различию: режимов сннхрошо-ашульсного дождевания на формирование водного режима почвы; выявление закономерностей движения влаги в почвенной профиле, особенно при фильтрации.

2. Установление верхней и нижней границ оптжального диапазона увлажнения дерново—подзолистой суглинистой почт для многолетних под (клевер) и однолетних культур (райграс, кукуруза).

Це .¡ті. гауніїіі бріоша р\..\. егзьш. е:;ЗД. О, (!. Пи^зш

г

3. Исследование влияния водного режима почвы, складывающегося под воздействием различных режимов синхронно-иыпульсвого дождевание, на -характер о к ислительно-во сетановит е льных условий, вынос нитратов о фильтрационными водами, плотность почва, содержание гумуса.

Новизна работы.

1. В отличие от многих ранее проведенных исследований, проблема оптимизации водного режима почв реиалась при помощи термодинамического подхода. Его преимущества состоят в том, что он резко уменьшает количество экспериментов, необходимых ДЛЯ решения задач {данные о давлении (потенциале) почвенной влаги отличаются большей наглядностью и облегчат сравнение водного режима почв, различных по механическому составу почв и сложению ; измерительные устройства (тензиометры) просты н удобны в полевых условиях ; информация о капиллярном давлении почвенной влаги позволила впервые рассчитать скорость потоков влаги в почве

при различных режимах орошения.

2. Использование этого подхода впервые позволило подучить данные о капиллярном давлении, соответствующем верхнему и нижнему пределу оптимального диапазона увлажнения дерново-подзолистои суглинистой почвы в условиях синхронно-импульсного дождевания, репрезентативные для широкого спектра природных условий.

3. Впервые экспериментально доказано, что синхронно-импульсное дождевание с интенсивностью 4-6 мм/сутки, обеспечивая поддержание оптимального для растений диапазона увлажнения, исключает переувлажнение почвы и не вызывает значительного увеличения фильтрации за пределы почвенного профиля.

4. Впервые удалось показать, что синхронно-ютульсное дождевание по достижении капиллярного давления влаги -10 кПа (I кило-паскаль - ДО^аты) не приводит к; ухудшению свойств почвы; плотность, окислительно-восстановительный потенциал почвы, содержание восстановленных форы железа находятся в допустимых пределах, вынос азота с фильтрационными водами не увеличивается, не изменяются запасы гумуса.

Практическая ценность и реализация работы

Полученные материалы необходимы для:

1. Разработки научно-обоснованных рекомендаций по повшвению продуктивности орошаемых полей.

2. Лучаего и экономного использования водных ресурсов.

3* Предотвращения возможных отрицательных последствий орошения, т.е. для получения максимального положительного эффекта от орошения*

Для детального изучения синхронно-импульсного, дождевания на стационаре ф~та Почвоведения ШУ создан опытно-показательный поллгон. Полученные материалы используются в учебных курсах на ф-те Почвоведения МГУ ("Физика почвы", "Моделирование почвенно-физаческях процессов")*

цттр^ту^ работы. Результаты работы докладывались на 5 и 6 Всесоюзных съездах общества почвоведов (Минск, 1977 г., Тбилиси, 1981 г.), Всесоюзной конференции "Мелиорация, рациональное использование а охрана почв Нечерноземной зоны" (Москва, 1980 г*)* ртбл^р^пдж. По теме диссертации опубликовано 8 статей. Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, . приложении. Работа изложена на 125 стр .машинописного текста, имеет 61 таблицу и 35 рисунков. Список литературы включает 397 наименований, из них 106 - иностранные.

Синел, вкладываемый исследователя«! в понятие "оптимизация водного режима" часто неоднозначен. В данной работе под оптимизацией водного режима почв подразумевалась система водио-иелнора-тилннх мероприятий, обеспечивающая получение макоималышх урожаев сельскохозяйственных культур и не приводядая к сущеотвенЬому ухудшению свойств почвы я выносу питательных элементов. В работе рассмотрены «ямпаДтр» яедекуи од^ш.яяшп1 вплвпрп р^уя На основании анализа многочисленных литературных дддчкт показано, что для решения этой проблемы необходимо, во-первых, найти наилучшие условия увлажнения для возделывания культуры, создать и поддерживать эта условия в течение вегетационного периода; кроме того, нужно наладить оперативный сбор и обработку информации об увлажнении. Для оценка оптимального увлажнения почв обычно используют динамику ее влажности* Ешш предприняты многочисленные попытки эмпирического поиска оптшального интервала влаж-нооти для конкретных пар почва - культура. Некоторые из них обобщены Алаатьевыи (1954), Роде (1965), Пемновам (1974, 1980) и др. Получение данита для всех сочетаний почва — культура оказалось слишком трудоемка». Креме того, эти результаты не удаетоя попользовать в производстве нз-оа отсутствия простых, делевых ж быстр!Х методов определения влажности почвы (Роде* 1969). Проблему оптимизации водного режима почв пытались решить, используя водно-балансовые методы <ТЦ?к, 1958; Роде, 1965$ КачинскиЙ, 1970

х др.), КО окх таив трудовик» х неточен (fоде, 1969 {Нераки і др.,1972),

Решение atol проблеми облегчается благодаря использованию термодинамического методі. Создание современного учения о термодинамике влаги в почве стадо возможным благодаря работам Кор-иева, Ричардса, Гарднера, Филиппа, Ч&Ілдса, Тейлора, Долгова, Гамагнова, Нерпиха, Воронина, Судницына, Мичурина, Глобуса, я др. Согласно этому подходу, увлажнение почв оценивается во давлених (потенциалу) почвенной влаги {кроме прочих преимуществ, использован же этого параметра перспективно к с точки зрения механизации х автоматизации. Получеиные различными исследователями даннне ухе сеЯчае дам приблизительное представление об оптимальном давлении почвенної влаги для различных культур (Щиихов,1955 ; Муромцев ,1974 } Baver ,1956 і Taylor ,1972 х др.) Однако эти данные пока немногочисленны х нуждаются в уточнении для различных растение« почв и внеаншх условий.

Достаточно точно поддерживать оптимальных диапазон давления почвенно! влаги возможно благодаря внедрении более совершенной техники орошения. Качественно новой к перспективной системой орошения является синхронно-импульсное дождевание, позволяющее наиболее полно механизировать и автоматизировать процесс орошения.

Для успешного рехеная проблемы оптимизации водного режима почв чрезвычайно важно, чтобы непроизводительные потери водн прх проведении орошения были сокращена до минимума 5 для этого необходим тщательный анализ параметров водного режима почв, находящихся в условиях ороаенвя. Крохе того, нужно предотвратить возможные отрицательные последствия орошения (заболачивание, оглеенне, засоление, эрозия). В последнее время все больхее вникание уделяется прогнозу *влияния орошения на почвы, однако эта информация часто противоречива х недостаточна в отношении новых прогрессивных оросительных систем.

Характеристика объектов исследования и способа орошения.

Исследования проводились в 1976-198О годах: на модельной почве,созданной ва территории стационара Ф-та Почвоведения МГУ. По свойствам эта почва близка к ненарушенный окультуренным дерново-подзолистым суглинистым почвах (Орехккка,1972) и характеризуется следувдхмя признака!«j содержание гумуса в Ад^^ около 2,7%, подвижных Р205 и К^О, Ответственно, 35 - 37 и 14 -*20 кг/100 г почвы, рН 5,0 ~ {гидролитическая кислот-

ность в верхнем полуметре'і,3 - 2,2 мг-экв/100 г почвы, степень насыщенности основаниями 91 - 93 %. По механическому составу -

средне суглинистая иловато-крутшо-ннлеватая. Содержание продуктивной влаги в Адах,- 17 - 21%, В^ - 15 - 16%, ^ - 13 - 16% ох объема почвы. Пространственная пестрота ва опытной поде площадью 0,35 га незначительна, коэффициент вариации равен 3-12%, поэтому полностью соблюдался принцип различия вариантов по единственному изучаемому признаку.

Испытывали» трави многолетние (клевер крайний) и однолетние (райграс), а также кукуруза днепровская. Эти культуры широко представлены в Нечерноземной зоне, являются ценный хорион для скота, предъявляют высокие требования к увлажнение почвы.

Культуры выращивали на делянках пловддью 100 м2, полив производили по достижении различных уровней капиллярного давления влаги - 10, - 20, - 30, - 40 кПа, неполивной вариант служил контролем. Давление почвенной влаги ежедневно измеряли тензно-метрами с пузырьковыми манометрами, установленными яа глубине 0,1 - 0,2 м, т.е. в зоне максимальной концентрации корней.

Орошение осуществляли синхронно-импульсными дождевателями (модель научно-производственного объединения "Радуга"). Этот способ орошения позволяет осуществить принцип непрерывного снабжения растений водой ва протяжении всего вегетационного периода, исключает переувлажнение почвы и механическое разрушение агрегатов. Увлажнение почва поддерживается ва оптимальном уровне без резких колебаний, свойственных обычным периодическим поливам. Наиболее точно поддерживать оптимальный уровень увлажнения удалось при объединении синхронно-импульсной техники с автоматическим управляющим устройством »а базе датчиков капиллярного давления. Для этого тензиометры были оснащены электрическими преобразователями и подключены к управляющему пульту, на каждом варианте увлажнения было установлено 5 эхекхроконтактных тензио-метров. после того как 3 из них давали сигнал о достижении заданного нижнего уровня Р, автоматически включалась подача воды в систему и начинался полив, число выплесков воды из дождевателей регистрировалось с помощью электромагнитных счетчиков, кроме того, сигналы поступали на самописец, регистрирующий продолжительность полива» Как только вода проникала до глубины установки тензиометров, юс контакты отключались и полив прекращался.

дождевалке с помощью синхронно-импульсной техники осуществлялось с интенсивностью не выше 1,5 мм водного слоя в час и размером капель не более 2 мм в диаметре. Длина поливной струи 4,5 - 5,0 м. Распределение вода по орошаемой площади было относи-г -/33 *

б

тельно равномерны« я симметричный, но на расстоянии 1,3 ы от дождевателя выделялся максимум ее сосредоточения.

Задача повывения эффективности использования водных и почвенных ресурсов требует изучения воздействия орошения на ВОДНЫЙ режим почв. В работе изложены материалы, отражавшие характерные чертя водного режима дерново-подзолистой суглинистой почвы в условиях синхронно-импульсного дождевания, Многими исследователями изучался характер увлажнения почв при использовании различной дождевальной техники (Иванченко,I9tO jПреображенская, 1950 iСорочкии,1973 | Емельяиов,Ead е нко и др., 1976 ; Стома,1еин, 1976 И Др.). ОдназЕО информация о закономерностях водооймена при орошении синхронно-милуяьсиыы доадеваяием в Нечерноземной зоне отсутствует, поэтому необходимо подробное изучение инфильтрации и последующего распределения влаги в процесое такого полива.

Для анализа воздействия орокения на водный режим почв необходимо производить детальные расчеты движения влаги в почве

по формуле i - к дрЛС , где плотность потока, К - коэффициент влагопров одно ста почвы, д?/д£ - градиент давления почвенной влаги. Для этого нужна информация о зависимостях между влажностью (W), давлением влаги (р) я коэффициентом влагопроводностк почвы (К)»

Зависимость капиллярного и полного ? oiW" получена с по-моды» капиддяриметров и экспресс-варианта гигроскопического метода (Гл0<5уо,19б9 íСудницнн»197б,Х979). Для диапазона р от - 2,5 до - 70 кОа характерно высокое содержаний влаги: в горизонте ¿mTi - 19-55% от веса почвы | в горизонтах Bj и В2 "W несколько ниже, хотя с глубиной увеличивается содержание илистое фракции и максимальная гигроскопичность. Это связано, по-видимому, с тем, что коллоиды, мигрирующие вниз по профиле, менее гидрофильны, чем накапливающиеся в верхнем горизонте; Зависимость Р капиллярного от *W~получена для процессов иссушения н увлажнения. При равном Р значения W при обезвоживании выше, чем при увлажнении.

Известно, что К сильно зависит от W и ¿herds,1931 ;

Moor« ,1939 fСудиидын,1964 ¡Глобус,1969 ;ЧаЙлдо,1973 и др.). Его определят, создавая в почве стационарные СДолгов,1948 ; Судннцын,19б4 } Gardner , Miklich ,1962 j Hillel ,1974 и др.) или нестационарные ( Gardner ,1960 { Richards L .fRichards P,, 1962 fСудницын,Шеин,1975 и др.) потоки, измеряя эозянкащне при этом градиенты Р. Однако s разных методах характер течения, веди-чина градиента Р и плотность потока существенно различны, поэтому важно выяснить, как эти различия могут повлиять на значения Б.

Стационарный поток создавали в колонках с исследуемой ПОЧВОЙ высотой 0,6 к. В верхних) в нижнюю части колонны вводили пористые керамические фильтры, соединенные с реэервуаракк, sanолвенными водой, в которых создавали различное разрешение. Градиент Р в одном случае был равен 10 кОа/к, в другом 30 кПа/м. "К" рассчитывали по данным о плотности потока и градиенте Р (Глобус,1969 ; Судницнк,1979).

Нестационарный поток создавали в цилиндрической образце почвы высотой и диаметром 0,2 it, отсасывая воду через фильтр, расположенный по оси. "К* рассчитывали по данным о кинетике вытекания с помощью уравнения Гарднера ( Gardner ,1960) для нестационарного радиального потока, а также разбивая нестационарный поток на отдельные этапы, каждый из которых рассчитывался как стационарный.

Полученное данные (рис.1) были сопоставлены с данными для закрытых лизиметров, где на различных глубинах устанавливались тензиометры. в этих условиях, близких к естественным, поток быя близок к стационарному.

При стационарно)! режиме и дРАб 10 кПа/м в диапазоне Р - 2,5 - 50 кПа К уменьшался от 1,б.Ю~12 до 2,5 КГ13 мэсек Увеличение дР/а8 до 30 ЕПа привело к уменьшении

К в 1,5-2 раза. и

В нестационарном режиме лРД£ был еще выше и значения К, рассчитанные методом стационарных этапов, уменьшились в 3-12 раз по сравнение с данными, подученными при стационарном режиме.

Использование для расчета К в нестационарном режиме формулы Гарднера дало величины, близкие к значениям К в стационара ох режиме, хотя в действительности он гораздо выше. Это вызвано тем, что формула Гарднера (как и форцула Ричардса) обычно дает завышенные результаты. Уточненная формула, предложенная Судницыным и Шейным (1975), дает значения, более близкие к данным, полученный методом стационарных этапов.

Анализ данных о фильтрации в лизиметрах дал значения, близкие к аналогичным данным по стационарному режиму.

Следовательно, увеличение градиентов Р в потоке приводит к значительному уменьшению К. Вероятно, это вызвано тем, что при малых значениях градиента Р, характерных для стационарного режима, даже сравнительно юрские поры, вода в которых находится в состоянии натяжения, остаются заполненными водой и участвует в ее движении, а вклад этих пор в общий яоэффи-циент вдагопроводностн особенно велик.

б

Рас.1. Зависимость кобф^ициента влагопроводности ( К ) дерново-подзолистой почвы от капиллярного давления почвенной влаги ( Р )„

Стационарные потоки градиенты давленая лР/а£ 10 вПа/м;2,3- . 30 кПа/м. Нестационарные потоки

4 - рассчитано по Гарднеру, дРА£= 40 - 200 кПа/м,

5 - поэтапный расчёт, = 50 - 500 кПа/м,

6 - опыт в лизиметрах,

1,2,4,5,6 - десорбция; 3 - сорбция.

При высоких же градиентах Р, развивающихся при нестационарных режимах, вблизи источника низкого р происходит "прорыв" капиллярных менисков, сплошное водное тело в широких капиллярах "разрывается", и вода остается дивь в более узких капиллярах, обладающих низкой Благопроводностью.

Соответственно, при расчетах движения влаги необходимо выбирать значения К, соответствующие характеру потока. В случаях, характеризующихся низкими градиентами Р, следует брать значения К, полученные при анализе стационарных режимов ; высокими градиентами - при анализе нестационарных режимов.

Полученная информация о р и К позволила провести анализ движения вода в почве. Исследования движения влаги при поливах проводились на моделях» лабораторной, лизиметрической и полевой.

В качестве лабораторной модели использовались почвенные колонны, в боковые стенки которых вмонтированы тензиометрн. Поливы производились нормами б, 15, 50 мы водк. сл.с интенсивностью 0,04 и I иы/шш. Испаряемость составляла б мм/сутки, поэтому поливы нормой б мм осуществлялись ежедневно, нормой 15 им - через 2 дня, нормой 50 мм - через 8 дней, результаты опыта, представленные на рис.2, отражал! динамику капиллярного р до глубине и во времени при поливах с различной нормой и интенсивностью.

Уже через час после полива нормой б мм при интенсивности I мм/мия в результате увлажнения верхнего слоя Р значительно увеличилось ка глубине 0,1 и 0,3 м. До глубины 0,5 м вода не проникла. Через 4,5 часа на глубине 0,1 и Р вновь снизилось до - 3 кПа, а на 0,3 и 0,5 м продолжало увеличиваться за счет стока и рассасывания. Через 18 часов на 0,1 м Р приближалось к нижней границе оптимума ( - 10 кПа), а в верхнем слое почвы наблюдалось восходящее движение влаги.

Таким образом, при поливе нормой б мм и при интенсивности I «ыЛшн Р находилось й пределах оптимального интервала в течение 14 часов и вся поливная норма задерживалась на глубине О - 0,4 м, а фильтрация за пределы 0,5-м слоя отсутствовала.

При той же норме б мм, но при интенсивности 0,04 мм/мин Р возрастало медленнее, вода также задерживалась в слое О - 0,5 м. В течение 22 часов Р на глубине 0,1 ы варьировало в пределах оптимума.

При норме 15 мм и интенсивности полива I мм/мин ухе в первые минуты увлажнялся весь полуметровый слой, он был переувлажнен в течение суток, т.е. Р было вше -5 кПа. При зтом наблюдались значительные потери воды на фильтрацию (11% поливной нормы), В

Рнс.2 . Распределение капиллярного давления почвенной влаги ( Р ) в модельной дерново-нода олис той почве по глубине (А) во времени ("£) при поливах с различной нормой (<1) и интенсивноетью (О.

II -

что снижало эффективность полива.

Ир* поливе иормо! 50 мм к интенсивностью I им/мня ? ,также хак ж при »рже 15 их, достигало высоки значен!. Иссужение до

- до кПа на глубине 0,1 и происходило хоть аа пятые супя.

Следовательно, полив нормой 50 ш приводит к непродуктивной потере вода в результате просачивания 25 мм за пределы кориеоби-таемого слол, длительному (в течение суток) переувлажнению почвы к недостаточному увлажнении в течение з суток.

Такяы образом, эффективность редких поливов большими нормами гораздо ниже, чек ежесуточных поливов по б мм. Такое орошение удается осуществить при помощи синхронно-импульсного дождевания, работающего в автоматизированном режиме.

Данные лабораторного опята подтверждается результатами полевого эксперимента» 1отя перед поливами полное давление влаги бнло близко к влажности эавядания, полив нормой 50 мм все же привел к сильному переувлажнение 25-сантиметрового слоя почвы.

2 лизиметрах поливы производились нормой 4 мм при иссушении -почвы на глубине 0,1 м до - ДО кЦа кли - 40 кПа. Первый режим близок к оптимуму, второй - к естественному увлажнении. Динамика Р, его градиента, скорости фильтрации ж метеорологических условий в течение вегетационного периода 1979 г. на варианте - ХО кЦа представлена на рис.3. При поливах в режиме Р - ДО КПа оросительная норма достигла 85 мы, а при - 40 кПа - 15 мм. Наибольшие колебания P наблюдались на глубине 0,1 к, где наиболее' интенсивно протекает испарение и увлажнение. В варианте - 40 КПа Р изменялось менее резко, чем в варианте - ДО кПа, т.к. при уменьшении р уменьшается К, ш следовательно, снижается скорость передвижения воды. Р на глубине 1,1 м было выше, чек на 0,6 м и часто становилось положительным, что можно объяснить капиллярным подпором ва нижней границе лизиметра. Орошение при - ДО кПа приводило к увеличению р на глубине 0,6 м } на глубине 1,1 м варианты почти не различались. Более длительные нисходящие потоки наблюдались при

- 10 кПа, при - 40 ХПа преобладало восходящее движение влаги. Интенсивность нисходящих потоков достигала в слоях 0,1 - 0,6 ш 0,6 - 1,1 м при - 10 кПа 2,4 - 4,8 мм/сутки, а при - 40 ХПа -лишь 2,3 - 3,6 мм/сутки. Интенсивность восходящих потоков, напротив, при - 10 кПа не превышала 1,7 - 2,4 мм/сутки, а при - 40 хПа увеличивалась до 2,8 - 3,8 мм/сутки.

Увеличение интенсивности нисходящего движения влаги, тем не менее не привело к значительному увеличению объема фильтрации.

Рис.3. Динамика метеорологических условий ( среднесуточная температура воздуха - Т, осадка за сутки - ос.) , капиллярного давления влаги (Р),градиента капиллярного давления (д?А1), скорости йильтращш (і) в дерново-подзолистой почве. Лизиметры, 1979г. Полив производили при - ю кПа на глубине 0,1 и.

Р на глубине: Й ОД м, 2) 0,6 м, 3)1,1 м, 4) дР/л£ в слое 0,6 - 1,1 м, 5) I .

Так при - ДО кПа она достигла за лето 1978 г. 41-42 мы, при - 40 кПа _ 25-33 мы* Следовательно, поддержание влажности почва на оптимальном уровне с помоцм> поливов малыми нормами не вызывает опасного роста фильтрации.

Фильтрация коррелирует не только с направлением н величиной градиента Р в слое 0,6-1,1 и, но и с самой величиной р на этой глубине (рис„4). Довольно высокая корреляция между этими величинами обусловлена тем, что скорость движения влаги при одном и том же градиенте Р пропорциональна К, который сильно зависит от уровня Р. Наличие такой корреляции дает возможность определять фильтрации в естественных условиях по данным о капиллярном Р.

Данные о характере увлажнения получены в полевых условиях на вариантах о различными режимами орошения (рис.5). Основные различия по влажности почв в вариантах наблюдались в слое 0-0,3 м. В этом слое в варианте - 10 кЕа Лл^была близка к полевой влаго-енкости, а ва неполивном варианте иногда снижалась до 14%, т.е. приближалась к "\Л*Г завядания. В отдельные наиболее влажные периоды интенсивность нисходяща потоков в слоях 0,1-0,6 и 0,6-1,1 м при оптимальном режиме увлажнения - 10 кПа достигала 1*5-2 мы/сутки. Расчеты посажали, что градиенты Р ка этом варианте в течение длительного времени были невысоки и движение влаги осуществлялось, главным образом, только под действием гравитационных сил.

Таким образом, анализ, проведенный с использованием основного закона движения воды в почве ( МсЬагйв ,1931 » СагЛпег ,1960 (Судннцын,1964,1979), позволил выявить характерные черты водного режима, движения влаги в условиях синхронно-импульсного дождевания.

Поскольку конечной целью изучения водного режима почв и проведения мелиоративных мероприятий является получение максимальных урожаев сельскохозяйственных культур, необходимо было найти оптимальный диапазон увлажнения для различных растений и почв. Были предприняты поиски нижней и верхней границ оптимального диапазона увлажнения дерново-подзолистой суглинистой почвы для клевера, райграса и кукурузы, как в открытом грунте, так и в вегетационных сосудах. Результаты полевых опытов 1976-193Огг. приведены в табл.1. Лею 1979 г. характеризовалось ваименьжин количеством осадков, высокой среднесуточной температураа и испаряемостью. Лето 1960 г. было очень влажным и прохладны». Другие три года исследований занимали промежуточное положение.

2,5 2,0

1,5 1.0 0,5

¿,мм/сут.

к- 0,6 - 1,1 ы Г~ 0,64 + 0,04

П

к= 1д м Г = 0,65+0,05-,

Р,кПа

к- о.б и л - 0,71 ± 0,03

«О

' *Р,кПа

+20 -6

+6 -24

-16

-40 -20 О

Рве. 4 . Зависимость скорости ¿(шгьтраиди (С) от капиллярного давления почвенной влаги (Р) и его градиента (¿РАС) на различной глубине (ги) для дерново-подзолистой почвы в лизиметрах, 1978 - 1979- тт.

Полив производился при Р : 1978 г.1) -10 кПа, 2) -40 кПа;

1979 г.З) -10 кПа, 4) -40 кПа.

ОС,щи 40

20

ИОЛ, ИИ Т' т5

40 4 20 .3

г ¡1

ю/га г о/т зо/ш

10/7111 20/7111 зодш ю/и

Динамика метеорологических условий ( среднесуточная температура воздуха - Т, испаряемость за сутки - исп,, осадки за сутки - ос,) в капиллярного давления влаги ( Р ) в дерюзво-подаслвстой потае П1И синхрсшо-шшудьсном дсадевашш, 1979 г, .

Полив производили при Р I на глубине 0,1 ы ) : I/ -10 яПа, 2/-50 , 3/ - 30, 4/ - 40; 5/ контроль - <5ез поливов; б/ полив.

Влияние икншшьвого капиллярного давления маги (перед поливали) на урожай воздуаво-сухой вадзенной биомассы (т/га)

Таблица I

! Минимальное хапхлляряое давление почвенной влаги, кПа Культуры !'■■ -■ .. - ■ —

- 20 ! - 30 ! - АО I - 50

клевер I года хяэвя 3,6/152 3, Э/Х32 3, С/120 2,9/116 2,5/100

кдевер 2 года жизни 8,3/159 8,1/155 6,8/131 6,0/115 5,2/100

клевер з года жизни 7,3/162 7,2/160 5,8/129 4,6/102 4,5/100

райграс (на фоне I) 3,5/121 3,4/117 2,9/100

райграс (без I) 2,6/144 2,2^122 1,8/100

кукуруза (на фоне I, И, 5/115 10, С/100

в лизиметрах)

хухуруза (без I, 9,5/172 5,5/100

г дкзвыетрах)

кукуруза (без I, 4,9/245 2,7/135 1,7/85 2,С/100

полевой опит) £

о>

Примечание: I/ в чксхнтеде - абсолютные величины, в знаменателе - %

от варианта - 50 хПа (клевер, райграс) я - 40 кПа (кукуруза) 2/ относительная овибка результатов 1-8%

Оросительная норма на варианте - 10 кПа в 1979 г. достигла 150 мм, в i960 г. - лиаь 99 мм i на варианте - 40 кПа в 1979 г. - 80 мм, а в 1980 г. - 59 мм. Периоды исследований характеризовались очень неравномерным выпадением осадков. С помощью синхронно-импульсного дождевания удалось снивилировать талув неравномерность, что позволило непрерывно снабжать растения водой в течение всего вегетационного периода, увлажняя почву без резких колебаний, свойственных обычным периодическим поливам.

Урожай воздуино-суюй биомассы клевера сильно варьировал в зависимости от возраста и метеологичеекнх условий. Так урожай X года жизни был в 2 раза ниже, чем полученный в 1979 г. (из-ва сухой и холодной весны 1978 г. всходы били редкими и запоздалыми). Урожай биомассы i960 г. был ниже, чем 1979 г., т.к. на 3-« году жизни клевер начал выпадать. Однако, независимо от общего уровня урожая, увеличение минимального р до - Ю кПа сопровождалось значительным приростом урожая( по сравнении в урожаем при минимальном Р - 50 кПа он увеличился на 1,2-3,1 т/га, т.е. в 1,51,7 раза.

Опыты с райграсом в кукурузой проводились как на фоне азотных подкормок, так и без них. поливы при Р - 10 кПа привели к увеличению урожая воздувно-сухой биомассы райграса в сумме за два укоса па 0,8 т/га по сравнению с урожаем при Р - 50 кПа, а применение азотных подкормок без полива на 1,1 т/га. Совместное применение азотных удобрений я поливов в этом режиме увеличило урожай на 1,7 т/га, т.е. в 2 раза.

Урожай биомассы кукурузы ори Ï - 10 кПа, как на фоне азотных подкормок, так и без них, также бол вше, чем при Р - 40 кПа. Комбинированное применение азотных подкормок и поливов при Р - 10 кПа позволяло получить урожай воздушно-суюЯ биомассы кукурузы п,5 т/га, т.е. он увеличился по сравнение с вариантом пожива при - 40 кПа без азотных подкормок на 6 т/га или в 2 раза.

Статистическая обработка данных о высоте кукурузы с помощью двухфакторного дисперсионного анализа показала, что взаимодействие удобрений и полива при - 10 кПа существенно на уровне значимости 0,99.

Отмечена более высокая эффективность поливов райграса и кукурузы при отсутствии азотных подкормок, что по-видимому, связано с интенсификацией микробиологической фиксации азота (Каткова, Судницин, УмаровДЭВО).

Таким образом, величина капиллярного давления, соответствующая нижней границе оптимального диапазона увлажнения дерново-подзолистой суглинистой почвы в условиях синхронно-импульсного

дождевания для клевера, райграса и кукурузы равна - Ю кПа. Эти данные близки к критическому значению Р, при котором транс-лирация гигрофитов снижается ниже потенциального уровня (Судяи-цын,1978), однако выше, чем полученные ранее Вкссероы (ViSBar, 1959), Тейлором (Taylor, 1972) и Муромцевым (1974). Вероятно, это объясняется тем, что они применяли обычную оросительную технику, и при поддержании высоких уровней р происходило длительное переувлажнение почвы и возникновение анаэробнозиса, что отрицательна сказывалось на урожае, поэтому рекомендовать Р

- Ю КПа в качестве нижней границы оптимального диапазона можно, видимо, только при использовании синхронно-импульсной дождевальной техники. При высокой интенсивности полива, неизбежной при поливе "напуском", по бороздам и мощными передвижными дождевателями, следует снизить этот предел до - 20 -- 30 кПа, чтобы избежать переувлажнения почвы и уменьшить потери воды на фильтрацию за пределы корнеобитаемого слоя почвы.

При поливах в Нечерноземной зоне возникает необходимость определения и верхнего предела оптимального диапазона увлажнения почвы. По имеющимся в литературе данным (Wiegend- ( Lernen, 195В) содержание кислорода в глинистой почве вблизи корней падает ниже допустимого уровня ухе при Р - 30 кПа, увеличение давления даже до - £00 кПа приводит к снижению урожая хлопка ; реакция других культур на повышение давления влаги может быть иной } так, угнетение роста салата наблюдается лишь при р, близком к нулю (Bierhuiaen, Voe, 1959). Однако, верхний предел оптимума во многом определяется характером полива, структурного сложения почвы и другими факторами, поэтому имеющиеся литературные данные нельзя распространять на иные условия.

Для выяснения верхней границы оптимального увлажнения в вегетационных сосудах с дерново-подэодисто! почвой после прорастания семян поддерживали различные уровни Pt - I, - 2, - 5,

- 1С, - .30, - 50 кПа. В вариантах - I и 2 вПа наблюдалось угнетение всех видов растений уже на начальных стадиях развития и полная гибель клевера и райграса через три месяца fвоздушно-сухая биомасса кукурузы на этих вариантах была очень низкая: 0,1 т/га. Максимальный урожай бил получен, как и в полевом опыте, при Р - 10 кПа. Увеличение Р до - 5 кПа и уменьшение до

- 30 и - 50 кПа снижало урожай в 1,1-1,8 раза;

Следовательно, даже растения, сравнительно устойчивые к повышенному увлажнению почвы, выдерживают повышение р до

- 5 кПа без существенного снижения продуктивности ; это значение

можно принять за верхнюю границу оптимального диапазона увлажнения дерново-подзолистой суглинистой почвы для этих культур.

Надежно поддерживать оптимальный диапазон давления влаги -5 — 10 кПа можно лишь с помощью синхронно-импульсной техники, которая обеспечивая подачу воды со скоростью, близкой к потенциальной транспирации (испаряемости)» практически не вызывает возникновения анаэробпозиса.

Устранить избыточное увлажнение почвы можно с помощью самоточных способов осушения, а также используя для этой цели пористые вакуумные дрены (КОрнев,1924). Однако эти способы трудоемки и длительны ; кроме того, в вакуумных дренах большой протяженностью нелегко поддерживать вакуум, т.к. даже небольшие повреждения этих дрен приводят к его нарушению. Для осушения небольших участков почвы можно применять пористые керамические фильтры. Наблюдения за динамикой Р и выходом воды при дренировании цилиндрического объема почвы проводились на модельной установке. В фильтре, расположенном по оси цилиндрического объема почвы диаметром 0,2 м создавали уровни разрежения 5,10 и 25 кПа. Увеличение разрежения в фильтре сопровождалось увеличением выхода воды. При 5 кПа было извлечено 0,8% ьодн от объема почвы | при 10 и 25 кПа соответственно 2,8 и 5,0%. "Р" быстро снижалось до заданных уровней на расстоянии 0,05 м от всасывающего фильтра и гораздо медленнее на расстоянии 0,1 м. В связи с тем, что при дренировании почвы до более низких уровней ? выход воды увеличивался, а К снижался, то время, необходимое для извлечения избытка влаги увеличивалось* так например, при осушении до - 5 кПа было затрачено 2 суток, при - 10 кПа - 2,5 суток, а при - 25 кПа -3 суток.

Таким образом, с помощью вакуумных фильтров можно быстро устранять избыточное увлажнение и поддерживать Р на нужном уровне в небольших объемах почвы.

При выборе оптимального диапазона увлажнения почвы необходимо учитывать влияние водного режима на основные почвенные свойства и процессы.

Для этого в почве в условиях синхронно-импульсного довдевания измерялись окислительно восстановительный потенциал ) и динамика форм железа, переходящих в I н сернокислую вытяжку. В 1979-1980 гг. наблюдались резкие колебания £% , их амплитуда достигала 100-150 мв. Средние квадратические отклонения в верхнем гумусовом горизонте достигали 30-50 мв ; в горизонтах В£ и

они меньше, что вероятно можно объяснить бедностью этих горизонтов свежим органическим веществом и более слабой населен-

востью микроорганизмами* Минскальные значения (420-47? мв) и максимальное содержание восстановленного железа (8,1-12,7 иг/100 г почвы) отмечались весной, когда почва характеризовалась высокой влажностью, а ее температура была уже достаточно высокой для развития микрофлор», усиленно поглощающей кислород. Осенью BL увеличивался на всех вариантах увлажнения ; вероятно, это было связано с понижением температуры и подавлением деятельности микроорганизмов. В вариантах полива при - 10 и - 40 к11а, а также на неполивном участке значения ££ оказались весьма близкими, не опускался ниже 420 мв* В варианте - 10 кПа отмечалось очень незначительное увеличение содержания подвижного железа в окисноЯ (до 610 мг/100 г почвы в А^) и закнсной (до 9,0 мг/100 г почвы в Aj^) формах.

5 вегетационном опыте полив при Р - I и - 2 кПа снижал до 270 - 290 мв, содержание восстановленного железа в этих вариантах увеличивалось до 24,0 - 25,4 мг/100 г почвы. При Р - 5-кПа ££ был значительно выие, чем при - 2 кПа» Вероятно, именно неудовлетворительные окислительно-восстановительные условия при р - I и - 2 КПа привели к снижению биомасса культур (табл.2).

Таким образом, поддерживал капиллярное давление ка уровне ниже - 5 кПа, можно не опасаться сколько-нибудь значительного развития восстановительных процессов*

Очень важна проблема сохранения азота в почве в условиях, орошения (Турчин,19б5 ;Сапожников,1973 {Смирнов,1977 {Петербургский,1979), В данной работе изучали вынос нитратов за пределы корнеобитаемой зоны с фильтрационными водами. Исследования проведены на лизиметрах* Содержание азота в фильтрационных водах летом 1978 г. при - 40 кПа было выае, чеы при - 10 кПа. Это, по-видимому,' было связано с тем, что более высокая увлажненность благоприятствовала усиленному развитию биомассы культур, а следовательно, и увеличению поглощения азота растениями. За лето было вынесено ва неудобренном варианте при р - ДО кПа - 10,5 кг/га, на удобренном - 7,4 кг/га } при Р - 40 КПа на неудобренном и удобренном вариантах, соответственно, 6,7 и 3,3 кг/га. Общий вынос азота за год на неудобренных вариантах не превышал 36 - 39 кг/га, на удобренных - 22 - 25 кг/га.

Следовательно, повывение Р до - ДО кП$ не увеличивало вынос азота за пределы почвенного профиля.

В последнее время накапливается все больше данных о весьма неблагоприятном процессе "слитизации" орошаемых почв. Следствия этого процесса - повышенная плотность и ухудшение почвенной структуры (Гоголев и др.,£973| Ковда,розанов,1975 iСкрябина,1977

Таблица 2

Влияние минимального капиллярного давления почвенной влаги (перед поливай и) на окяслмеино-воссхановительнне процессы в дерново-подзолистой почве к урсхаЯ всэдуяно-сухой биомассы (т/га)

Показатели окислитель- | Миятальяое капиллярное давление, КПа

ио-восстановительных 1 — ■-,, ,.-—. .... ....... - ..... ... _., ■ ...

условий и урохай • j - i j - 2 j - 5 j - IQ j - 30 j - SO

Sk, из 290+5 270+13 4CB+4 450*7 437+12 520+14

FeO» иг/100 г почва 24,0 25,4 7,1 следи визуально не обкарухеио

fetOt, кг/100 г почв« 659 694 693 620 693 550

урожай клевера 0 0 1,8 2,0 1,6 1,2

урожай райграса О 0 1,3 1,4 1,1 0,8

урожай кукуруза 0,1 0,1 0,7 0,8 0,6 0,5

и др.). Длительное синхронно-импульсное дождевание не повлияло на плотность'почвы.

При оценке влияния орошения на почвы большое внимание уделяется содержании и составу гумуса (Попова,1972 | Джиндил,1974 ; Орлов и др.,1975,1980 и др.). результаты исследовании в этом направлении часто противоречивы. Определения показали, что синхронно-импульсное дождеваняе в течение 5 лет практически не изменило запасы гумуса (в слое 0-1,0 м 107,99 т/га - до орошения и 107,96 т/га - через 5 лет).

Выводы

1. Выявлен оптимальный л"""""1 увлажнения дерново-подзолистой суглинистой почвы в условиях синхронно-импульсного дождевания для клевера, райграса н кукурузы. Нижняя граница его соответствует капиллярному давлению влаги - 10 кПа, верхняя - 5 кПа. Поддержание оптимального диапазона в течение вегетационного периода приводит к увеличению урожая воздушно-сухой биомассы по сравнению с неполивным вариантом яри различных условиях и агротехнике для райграса на и,6-0,8 т/га, клевера - на 1,3-3,1 т/га, кукурузы -на 1,5-4,0 т/га, что соответствует, соответственно, 121-144%, 152-159%, 115-172% от неполивного варианта. Прирост урожая райграса остается высоким как при внесении азотных удобрений, хак

и без удобрений. Положительное влияние оптимизации на клевер особенно значительно во 2-й году жизни.

2. Для расчета движения влаги в почве были определены значения коэффициента влагопроводности. Сравнение различных методов определений показало, что при росте величины градиентов давления влаги в 5-50 раз коэффициент влагопроводности уменьшается в

3-12 раз. Вероятно, это вызвано тем, что при малых значениях градиента давления, характерных для стационарного режима, даже сравнительно широкие поры, вода в которых находится в состоянии натяжения, остаются заполненными водой и участвуют в ее движении, а вклад этих пор в обцнй коэффициент влагопроводности особенно велик. При высоких же градиентах давления, развивающихся при нестационарных режимах, вблизи источника низкого давления происходит "прорыв" капиллярных менисков, сплошное водное тело в широких капиллярах "разрывается", и вода остается лишь в более узких капиллярах, обладающих низкой влаго про в одно ст ью. Поэтому при расчетах движения влаги для условий, характеризующихся низкими градиентами влаги, следует использовать значения, полученные при анализе стационарных режимов, а при высоких

градиентах - при нестационарных. Данные о коэффициенте влагопро-водности позволили рассчитать скорость движения влаги в почве при различной интенсивности полива.

3* Поливы при капиллярной давлении - 10 КПа вызывают более интенсивные нисходящие потоки влаги, чек при - 40 кПа. При Б&пиллярнои давлении - 10 кПа фильтрация за предела 1,5-метрового слоя почвы не превымает 41-42 ш водв.сл., а при естественном увлажнении 26-33 им. Следовательно, фильтрация за леткий период увеличивалась при поддержании оптимального диапазона увлажнении лишь на 9-15 мм. Обычное дождевание нормани 15-50 мм приводит к непродуктивной потере воды (Ц-50% от поливной нормы) s результате просачивания за пределы корнеобитавмого слоя (0,5 и) и длительному переувлажнению почвы. Таким образом, синхронно-импульсное дождевание позволяет более точно, чем традиционные методы полива поддерживать оптимальное капиллярное давление почвенной влаги, обеспечивая подачу воды со скорость», близкой к испаряемости (4-8 мм/сутки).

4. Существует корреляция (Л>0,6&+ 0,0*0 между капиллярным давлением почвенной влаги, градиентом капиллярного давления и скорость» фильтрации воды. Это делает возможным ее определение в естественных условиях по данный о капиллярном давлении вблизи важней границы почвенного профиля.

5. Увлажнение почвы до - Ю кПа не приводит к значительноцу изнененив окислительно-восстановительных процессов. Окислительного с сіанов ит ель ныл потенциал, как и в неполивном варианте, не снижался в течение вегетационного периода ниже 420 мв, содержание восстановленного железа він сернокислой вытяжке не превы-иало 9 мг/100 г почвы.

6. Оптимальный режим увлажнения не вызывает существенного выщелачивания азота за пределы почвенного профиля. За лето при поливе в режиме - Ю вПа было вынесено с фильтрационными водами 7,4-10,5 кг/га, а без полива 3,8-8,7 кг/га. Плотность почвы и содержание гумуса под влиянием синхронно-импульсного дождевания также це претерпели существенного изменения.

7. Кратковременные периода избыточного увлажнения, создающиеся в отдельных точках при интенсивных поливах и осадках, можно быстро устранить с помощь» вакуумного дренажа, отсасывая воду через тонкопористые фильтры. Скорость и степень осупения при этом гораздо внае, чем при самоточных способах осувеквв.

Материалы диссертации отШлаковани в работах!

1. Оптшяэадвя водного ре таив почв. - Науч. докл. высшей школы, биол.науки, 1977, А II (соавт* И.И.СуДНИЦык, С.В.Егоров).

2. Влияние норн а интенсяшости полива на распределение влага в дерново-подзолистой суглинистой почве. - Почвоведение, 1980, Л 12.

3» Влияние давления влаги яа урожай растения. - Биол. науки, 1980, № 7 (соавт. И.И.Супдидан, С.В.Егоров, Ы.И.Васильева, Г.Пешке, В.Крюгер)»

4* Оптимизация водного рекша дервово-подеолистой почвы оря дождевании. Беспяк МГУ, сер. почвоведение, 1961, & 2.

5. Динамика капиллярного давления и движение вода в дерново-подзолистой почве при поливе. - Биол.науки, 1381, £ ¿у

6. Опыт оптимизации водного режима почв. - В сб.: "Тезисы У Съезда Всесоюзного общества почвоведов", Минск, 1977

(ооавг.И.И.Судшиш, С.В.Егоров, В.Р.Заблоцкий).

7. О нижнем пределе диапазона оптимальной увлажненности почв. - Б сб.: "Мелиорация, использование л охрана иочв Нечего— земной зоны", тезисы докл. всес. конференции( изд-во ЩУ, 1930 (соавт. И.И. Судниадн, С.В.Егоров, Н. И .Васильева).

3. Сравнительная оценка различных способов измерения коэффициентов влагопроводности почв. - в сб.: "Тезисы

Съезда Всесоюзного общества почвоведов", Тбилиси, 1981 (соавт. И.и.Судаяпын).

Пои, к мч»т»

в. л. Уч.-ки.

Злмя /339 Т»>»ж /г с

Иию Мосиомкого уаямфапста. Моею«, К-в

у*. Гер Не«», 6/7. Твдография Им-м МГУ. Ммш, Лсмпри