Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВОДНОГО РЕЖИМА НА ПРОДУКТИВНОСТЬ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР (НА ПРИМЕРЕ ХЛОПЧАТНИКА)

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВОДНОГО РЕЖИМА НА ПРОДУКТИВНОСТЬ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР (НА ПРИМЕРЕ ХЛОПЧАТНИКА)"



РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ Ш

шституч ваша прошен

На правах рукописи УДК 631.95

ЛАЗАРЕВА ЕКАТЕРИНА ВЛАДЩИРОВЯА

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВОДНОГО РЕЖИМА' НА ПРОДУКТИВНОСТЬ СЕЛЬСНОХОЗШСТБЕНШХ КУЛЬТУР (НА ПРИМЕРЕ ХЛОПЧАТНИКА}

11.00.07 - Гидрология суши, водные ресурса, гидрохимия

АВ;Т ОРЕФЕРА? диссертации на соискание ученой степени кандидата технически! наук

Москва - 1990

N

Работе вшюлавна в Институте водтл проблем РШ

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Г.Х.Исмайшюв

Официальные оппонента: доктор технических наук, профессор В.В.Шабанов кандидат технических паук Е.Ы.Гусев

Ведущая' организация -ВНИИ Гидротехники я мелиорации им. ¿.Н.Костяковя

Зеищта диссертант состоятся /¿¿С/-С&, 1933 г.

в час. ОО шш. на заседании Специализированного совета

Д.003.37.01 ш' специальности 11.00.07 "Гидрология суши.' водные ресурсы, гидрохимия" при Институте водных проблей РАН. Адрес института: Шсква, 107078, 1

уд. Ново-Басманная, дом 10. С диссертацией можно ознакомь гться в библиотеке Института водных проблем РАН.

Автореферат разослан "С?/ " о&СЪ&г 1993 г.

Учений секретарь специализированного совета д.г.н*

В.О.Залетаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемц. Одна важнейших задач, свойствених ^территориям интенсивного развития орошаемого земледелия, заключается в изучении природно-хозяйственных процессов, происходящих в аг-роэкосистене под влиянием орошения, и наховденяи оптимальных путей управления этой системой с цель» обеспечена рационального использования всех видов ресурсов, в том числе водных, для достижения высокий продуктивности при сохранении почвенного плодородия.

В условиях интенсивного земледелия даке незначительное отклонение от оптимальных значений протекающих в агроэкосистеме процессов монет приводить не только к снижешву продуктивности, но и к нерациональному использованию ресурсов (оросительной води, удобрений и т.п.) и загрязнению почвогрунтов, речных и подземных вод. Среди факторов, влияющих на функционирование агроэкосистемы аридной зоны, вода занимает особое «вето. Во-первых, она способствует развитию почвообразовательного процесса* играя при атом, важнейшую роль в протекании массо-энергообмена и трансформации химических веществ в' системе "почва-рас,текие-приземный слой атмосферы". Во-вторых, нера-. даональное .' использование водных ресурсов г орошаемом земледелии связано с рядом отрицательных шюцессов,, приводящих к нарушению водно-солевого, воздушного, теплового и питательного режимов почв, главшми из которых являются: вторичное засоление почв, заболачивание, ирригационная врозия, вынос питательных элементов из почвы. ; Это резко сникает плодородие и губительно действует на растения. Кроме того, выносимые с орошаемых полей токсичные соли, биогенные -веществе и ядохимикаты являются основными загрязнителями окрухавдей среда а, главным образом, водных ресурсов.

Таким образом, необходимо найти пути рационального использова-

^ИГРАЛЬНАЯ НАУЧНАЯ БИБЛИОТЕКА Моек, сэльскохоз. академии им. К. А. Тимирязева

Мл

кия всех видов ресурсов, в том числе водных, позволяющие на -основе учета особенностей территории и, прежде всего, ее почвенного разно-оСразия, микроклиматических оуличий и достижений научно-техяическо-г- прогресса в области технологии лспользования водных ресурсов в орошаемом земледелии получать высококачественную сельскохозяйственную продукцию, сведя к минимуму отрицательное воздействие водных ресурсов на окрукащую среду. * -

Цель а задачи исследований. Основная цель диссертационной работы заключается в исследовании закономерностей функционирования орошаемой агроэкосистемы и на атой основе разработка ее агрегированной модели для получения качественных характеристик и количественных оценок влияния различных вариантов использования ресурсов, главным образом водных, на ее продуктивность. ' "

Для реализации поставленной цели потребовалось решение комплекса взаимосвязанных задач:

- исследование пространственно-временных закономерностей изменения факторов, определяющее водопотреблвние и продуктивность орошаемых земель; ■

- анализ существуодих методов оценки продуктивности агровко-сисхемы и влияющих на нее факторов;

- разработка агрегированной математической модели функционирования орошаемой агроекосистемы (на примере хлоггча'пшка);

- разработка алгоритмического и программного обеспечения модели функционирования агроэкосистемы;

- создание информационной базы для реализации указанной модели на основе отбора и анализа основных факторов формирования продуктивности и недопотребления в орошаемом земледелии хлопковой зоны бассейна р, Сырдарьи: -

- идентификация неизвестных параметров разработанной модели; . - верификация модели;

- исследование влияния природно-климатических и почвенно-мелиоративных условий на водопотре&ление и продуктивность орошаемой, агроэкосистемы;

- исследование влияния водного рекг'а корнеоОитеемого слоя почвы на продуктивность хлопчатника.

Методика и объект исследований. Для исследования сложных объектов, к которым относится орошаемая агрозкосистема, в теории систем используется метод математического моделирования. В основе этого метода леаит системный подход к изучению объекте моделирования. Характерной особенностью исследований с подобных позиций является учет присущей исследуемому объекту сложности организации. В связи с.этим при моделировании использовался принцип декомпозиции, т.е. расчленение процесса на простые составные подпроцессы (блоки), и была разработана агрегированная динамическая модель, имещая блочную структуру.

Для исследования пространственно-временных закономерностей изменения факторов водопотребления и продуктивности орошаемых земель использовались метода статистического анализа временных рядов.

Объектом исследований выбрана орошаемая агрозкосистема бассейна р.Снрдврьи с ведущей сельскохозяйственной культурой - хлопчатником. '

Научная новизна дайной диссертационной работы заключается в том, что на основе системного анализа и исследования пространствен-но-врем&нных изменений природно-климатических ' и почвенно-мелиора-тивных показателей функционирования агроэкосистемы аридной зоны,' создана агрегированная динамическая модель формирования урожая

хлопчатника, разработано алгоритмическое, программное и информационное обеспечение «одели для 1ВЛ РС. Осуществлена параметризация и верификация модели с использованием опытных материалов СОЮЭНИХИ Х"я различных почве нно-мелиоративнь.. условий равнинной зоны бассейна р. Сырдарьи. Поскольку результаты работы предназначались для использования в оптимизационно-имитационных моделях функционирования водохозяйственных систем, была поставлена цель получить решение на базе стандартной информации, получаемой сетью а.ро- и метеостанций.

С применением разработанной модели были осуществлена осиирные численные эксперименты по исследованию влияния водного режима кор-необитаемого слоя почвы на продуктивность ведущей культуры орошаемой агроэкосистемн - хлопчатника - в различных почвенно-мелиора-тивных условиях за многолетний период. - -

Практическая ценность. Разработанная модель функционирования .агроэкосистемн представляет собой инструмент для научных исследований и проектных разработок, позволявший определять изменения продуктивности орошаемых земель под влиянием основных ■ определяющих' ее факторов. Она может бь._ь использована для анализа и выбора вариантов использования водно-земельных ресурсов в орошаемом земледелии. Бее расчеты алгоритмизированы, доведаны до программ и реализованы на 1ЬМ РС АТ.

Апробация работы и публикации. Основные резучьтага работы докладывались в ИБП РАН, на Всесоюзных школах-семинарах, конференциях и совещаниях: "Системные исследования водных проблем* в 1986 г., "Гидрология 2000 г.*' в 1986 г., "Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования* в 1986 и 1987 гг.-По теме диссертации опубликовано шесть печатных работ. Внедрение результатов работы. Основные теоретические и метода-

чесдае положения исследований встали в состав разработанной в ИБП РАН методики обоснования оптимального использования водно-земельна ресурсов с учетом кх охраны и воспроизводства применительно к аридной зоне♦ ' ■

Структура и объем работа. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 1страниц машинописного текста, включая 11 таблиц, 28 рисунков. Список цитируемой литературы содержит 10Т наименований отечественных и зарубежных работ.

■■■':■■'■' СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальйость и постановка цели и задач исследований.

; В первой главе рассматриваются методические подходы к национальному использованию водных ресурсов аридной зоны. Показано, что современные сельскохозяйственные системы, являющиеся основой рационального использования водных ресурсов, должны рассматриваться как сложные эколого-эконошпескиа системы. В. связи с этим необиучмо произвести ' их расчленение по территориальному и * функциональному признакам. Выделено три уровня: речной'бассейн, аодохозяйственный радон и ороваедай массив, что вызвано разномасштабностью к разноплановость» процессов, происход<*щих в агроакосистеме. Поскольку на первом и втором уровнях существует значительная дифференциация природа-хозяйственных услбвий. для получения функциональных характеристик агроэкосистемы (функций отклике) использованы сравнительно однородные территории - орошаемые массивы. Одним из существенных признаков агроэкосистемы является то, что ее функционирование протекает во времени и, при атом, состояние системы на.кавдом расчетном интервале- определяется ее:состоянием на предшествующем интервале и не зависит от всей предыстории развитая, т.е. агроэкосистема

* . . , '. - 8 - 'V

является динамической. ' . .

Одним из наиболее важных процессов,-происходящих в агроэкосис-теме, является влагообмеп в системе почва - растение - приземный ■-той атмосферы* Вода является важнейшим, а для аридной зоны страны основным лимитирующим фактором для достижения необходимой продук-' тивности сельскохозяйственных систем, и определяет многие другие процессы, связанные с ее функционированием. Отсюда возникает необходимость а регулировании водного режима, и сызанных с ним питательного, солевого, воздушного и теплового режимов в корнеобитаемом слое почвы. Нерациональное использование водных ресурсов сопряжено с рядом отрицательных последствий, таких как вторичное -засоление, заболачивание, ирригационная эрозия й т.п. ' ■ ... . ' /

Таким образом, в отличие от природных, наземных экосистем существование сельскохозяйственных экосистем требует целенаправленного воздействия со стороны человека на основе планирования и управления этими системами, и, прежде всего,ее главными природными ресурсами - водными и земельными.

Показано, что д. . решения этой задачи единственно возможным способом имитировать состояние системы и поведение ее отдельных

компонентов при различных воздействиях является математическое моделирование. На основе проведенного анализа отечественных и зарубежных работ в области моделирования агроэкосистем установлено, что для решения поставленной задачи наилучшим является;разработка агрегированной динамической модели, ориентированной на использование стандартной исходной информации. "

Учитывая/что речь идет о.ресурсном подходе к анализу функционирования сельскохозяйственной экосистемы, тесно связанным с территориальным аспектом, необходим региональный подход к решению рас-

сматривае: эй задачи. Это еще обусловлено тем, что только в этом случае можно разработать конкр^тнуч методику и обеспечить ее надежной исходной ^Формацией.

В качестве объекта исследования выбрана орошаемая агроэкосис--тема бассейна р., Сирдарьи, а именно хлопковая зона, характеристика которой с точки зрения условий, имеющих вр чое значение для сельского хозяйства, в частности для развития орошаемого земледелия, ■ пгягелена во второй главе.

Общей чертой климата рассматриваемой территории является значительная продолжительность безморозного периода ( от 180 дней в крайней севе^яой части до 210-220 дней в южной), устойчивость температурного режима теплого периода, средние значения температур воздуха которого-составляют от 20° до 24,5°С, при незначительном .количестве осадков (от.150 до 400 мм), неравномерно распределенных как по территории, так и по сезонам года.

Однако, кроме средних значений показателей наиболее важным для возделывания ■ сельскохозяйственных культур являются их пространст-вешо-временные колебания. Анализ многолетних колебаний режимов тепла, характеризуемых среднегодовой температурой в приземном слое воздуха и температурой теплого и холодного периодов, был проведен по данным 11 метеостанций, расположенных в хлопковой зоне, а также осредненно по крупным участкам хлопковой зоны бассейна р. Сырдарьи: Ферганской долине, Среднему течению, Чирчик - Дхангаран - Келесско-му ирригационному району (ЧАКИРу).

Установлено, что начиная с 60-х годов текущего столетия наблюдается тенденция к некоторому увеличению среднегодовой температуры воздуха, главным образом за счет увеличения тедаератур холодого периода, вследствие чего оно не оказывает значимого йлияния на ха-

рактеристики водоштре бдения {например, такие, как испаряемость о ■ * орошаемых территорий) и находится в пределам ошибок их определения.

Для характеристики увлажненности хлопковой зоны бассейна р. Гфдарьи использовались осреднение го площади значения осадков, ввиду значительной неравномерности их выпадения и влияния рельефа. При атом следует отметить, что цикличность в увлажнении выражена слабо и колебания осадков имеют случайный характер. ' ■ '

Главной составляющей водопотребленйя в орошаемом земледелии является количество поливной воды, испарившееся с орошаемых полей, равное разности меиду значениями суммарного испарения » осадков, то, есть оросительная норма нетто mot дефицит водопотребленйя. Для оценки его изменения в изменяющихся условиях увлажнения были получены его зависимости'от годовых суъм атмосферных осадков как по отдельным метеостанциям, так а осредненно по крупным участкам хлопковой зоны бассейна р. Сырдарьи. Свяйи оказались достаточно тесными, коэффициент корреляции изменяется в диапазоне от -0,94 до -0,7?. ,: ■ При оценке почвенно-мелиоративных условий хлопковой зоны следует отметить, что ор^ленив вносит коренные изменения в ход и направленность почвообразования в сторону' однотипности тачвообраэова- " тельного процесса, создавая особый почвенный тип - орошаемые почвы. . .Их таксономия и номенклатура определяются зоналъньи положение* почвы с учетом типа грунтового увлажнения, а также степенью изменения почвы в результате использования в орошаемом земледелии. В работе рассматриваются основные типы зональных почв сероземного пояса хлопковой зоны; незаселенные типичные сероземы с автоморфным грунтовым увлажнением Ташкентской области (ЧАКИР); незаселенные-волуав-тг 'оррще светлые сероземы Андияанской области (Ферганская долина); слабо и средне засоленные полугидроморфные и гидроморфные светлые

серозема Голодной степи (Среднее течение) и слабозасоленные луговые сазовые почвы Ферганской долин . Э^и почвешю-мелиоративные разно • ти положены в основу дифференциации природно-хозяйственных условий для получения функциональных характеристик агроэкосистемы (функций-отклика), метод получения которых рассмотрен в третьей главе.

, Таким образом, объектом моделирования чвляется агроэкосистема однородного орошаемого участка (поля), занятого посевом сельскохозяйственной культуры (хлопчатника), расположенного в различных природно-климатических и почвенно-мелиоративных условиях хлопковой зоны бассейна р. Сырдарьи.

Для количественного описания динамики агроэкосистемы выделен набор переменных величин, характеризующих агрозкологические пооцес-сы (биомасса растения; продолжительность Фенологических фаз; влажность корнеобитаемого слоя почвы; содержание элементов минерального питания; наличие токсичных солей в активном слое почвы; метеорологические условия и т.д.), положенный в основу разработанной модели

формирования урожая хлопчатника. Общий вид разработанной модели: ; ' п. ' •

K'(t+1) U'(t> + % IT(t) п Ut [ xt(t)j At

P'(t) + <p(tl + K(t) - J(t) - E(t)

W (t+1) = W(t) + --Ц- At ( 1 )

10 7 H(t) Sjjg

Kit) - [ M*(t) + fe Am ] \ (a,S)

H(0) = K*(0) ; ■ W(0)=W0: t = iTn

где M(t) - биомасса урожая, сформировавшая к моменту времени t от начала,периода вегетации, it/га; H(t) - влажность корнеобитаемого. слоя почвы 11 долях от НВ; т^ - потенциальная суточная продуктивность культуры, ц/гй; ut £ xt(t) J - функция, пока?"ваадая степень

уменьшения потенциальной продуктивности сельскохозяйственной культуры при отклонении величины х((1;) от биологически оптимального значения, описываемая формулой, предложенной в работах Е.П.Галями-п, С.О.Сиптица, В.В.Шабанова:

и

г - х Р X - X

1ХорГ*

2 ~ а

,( 2 )

Параметр р определяет ширину максимума. Для того, чтобы"функция И на краях интервала (х, х) была бы гладкой (т.е. чтобы отсутствовали разрывы первой производной) параметры ее должны удовлетворять усло-

виям:

Р > 1

X - X

•орг

хор1Г, -

Р > *

( з )

Аналогичной зависимость» описана интенсивность накопления биомассы в зависимости от предшествующего состояния растения. Максимум функции соответствует приросту биомассы при оптимальных значениях температуры воздуха и влажности почвы, а минимум функции соответствует условиям стресса, т.е. когда главные факторы, определяющие прирост, достигают значений, при которых функционирование ^посева прекращается. Таким образом, характер ростовой функции определяется

двумя параметрами, и она имеет следующий вид:

^И-ИОН

их и)

0.01 + 0.99 [тй!НС1р} • ]°Р ;. ( 4 >

где РЙ1Н - прирост биомассы на предыдущем шаге ^а счет изменения основных факторов; а^, - искомые параметры, н^ - наименьшая влагоемкость в долях от массы абсолютно сухой почвы; К(1) - мощность активного слоя почвы, м; 7 - объемный вес почвы, г/см3; Р* (Ь) - эффективные осадки, мм; ф(Ю - поливная норма, №..; КЦ) - подпитывание расчетного слоя почвы из нижележащих гори-.^ зонтов, мм; <1(1:) - инфильтрация из расчетного слоя, мм; ЕШ - сум-

марное ис прение сельскохозяйственной культуре, мм; к ш - прибавка урожая в зависимости от доз ыосчых удобрений для различных пс I-венных условий (фонового плодородия), ц/га; и (г) - функция возрастного изменения интенсивности прироста биомассы, определяемая по уравнению роста Ричардса, опубликованной в работе Франса и Торнли:

(ккг) исг> ( и" - и<г>П) (5)

'<11 " " п и? "

где иг - значения ЩЮ при г -*• <» т.е. в допущении, что система .со временем приходит в стабильное состояние; 1с, п - пара^-тра уравнения; к, п, и - постоянные величины, причем -к и и^ -положительны, а п ^ -1 (при п < -1 уравнение теряет физиологический смысл, демонстрируя при ЩЪ) 0 бесконечный рост). Ма.Б) - функция", зависящая от типа засоления почвы о и величины плотного остатка 5, полученная на основе обработки опытного материала и литературных данных: -

х (а, Б) =

а(3-Э0)

в • При Б >

° \ (а, 5) < 1 ( б )

1 при 5 « Б0

где о - параметр, зависящий от типа засоления, Э - плотный остаток, 30 - максимальное значение плотного остатка, не влиящего на урожай отрицательно; ДЪ - расчетный интервал времени, равный одним суткам.

Одной из важнейших и наиболее трудно определяемых составляющих водного баланса является суммарное испарение, включающее в себя испарение почвой и транспирацию. Несмотря на всеобъемлющую роль испарения в процессе жизнедеятельности растений, его непосредственное измерение на сети метеорологических .станций, а тем более на орошаемых полях, осуществляется крайне редко. Поэтому на практике используют чаще всего расчетные метода. В данной работе использован метод-

- и -

расчета суммарного испарения, предложенный А.И.Будвговским.. в его основу положено решение системы уравнений тепло- к чагообмена в растительном покрове, из которой получены следующие выражения для «"'■ммерного испарения, транспирации испарения воды почвой:

(7)

- ' V + ьг[к0(1-Ф2е_П"]-(1Л]в] - МУ < 8 > ^кГа1ьЛ<*+ Vе) < 9 )

где Ес - суммарное испарение, мм; - транспирация, мм; Е^, Ед -испарение вода почвой, мм; а - дефицит влажности воздуха на высоте 2м, мО; Нд -радиационный баланс растительного покрова, кал/см2 сут.; йд - радиационный баланс на поверхности почвы; Сс, Е^, Ф1, ®2 и Фп - функции скорости ветра в относительной площади листьев; Ъ^ и Ъ£ - <$рнкции температура воздуха; а^ - переводной множитель, мб~1. , Формулы (_8 ) и (*9 ) применимы в случае, когда V > ;;

V = е + 0.« 4о ' ( 10 >

где Ч - .влажность почвы в % от объема; - транспирация при - сомкнутом растительном покрове, определяемая по формуле;

. 4 = аЛ ^ М + Ь (Ко"8) < 11 >

* где Ф1 и Ф2 - функции скорости ветра и относительной площади листьев.

В процессе проведения расчетов возможны два случая: 1)задается предполивная (критическая) влажность ) и режим ороаёния опре- . деляется на основе уравнения годного баланса, 2)задаются сроки а нормы поливов, а предполивная влажность определяется из уравнения ванного баланса. Под критической влажностью (^¡ф) понимают запас продуктивной влаги в почве, при котором создаются наилучшие условия

для трансгщрацки растений. 5 условиях орошения влажность почвы не должна опускаться ниже критических значений.При поливе запас влаги в корнесбитаемом слое почвы восполняется от критической влажности до наименьшей влагоемкости нормоЯ- ф(t).

Для определения величины капиллярного подпитывания корнеоби-таемого слоя почвы использовалась формула Харченко. — Рамдаса: О , если P(t) > 0 или q>(t) > 0 или HG(t) >5м

K{t>-=

. -C(t)C(t) е . если

p(t) «О. ( 12 )

<f>(t) « О, HG(t) $ 5 к

где BG(t) - глубина залегания грунтовых вод, м; C(t) - параметр, значение которого зависит от типа почвы и фазы развития райтерча.

/ Ддя определения величины инфильтрации 'за пределы корнеобитаэ-мого слоя почвы принята приближенная.расчетная схема.

>f(t) 7 H(t) P(t) 10 э, если W(t) Я

J(t):<

( 13 >

с , если W(t).« i

В зависимости от гидрогеологической обстановки величина ¿(Ъ) может ■ вызвать ели "не вызвать подъем уровня фунтовых вод на величину: ДНС<1>=-»Т(1)1и при отсутствии естественного или искусственного дренирования, где ЛЙО^) - подье-' уровня грунтовых вод за счет инфильтрации, мм; НД - коэффициент водоотдачи почвогрувтов. Если же дренирование существует.то & НС (г) =■ о.

Полученные в блоке водного баланса корнеобитаемого слоя почвы значения влажности передаются в,блок расчета формирования биомассы посева, где возникает необходимость нахождения^ параметров первого уравнения системы ( 1 ). Как видно из уравнений { 2)1(4) параметры, подлежащие идентификации в этом блоке, входят в первое уравнение системы ( 1 ) нелинейно, поэтому возникает необходимость в

применении методов нелинейного поиска экстремума.

В качестве искомых параметров выступают величины и^ ( 1 ); коэффициенты р при температуре воздуха, влажности почвы, скорости прироста биомассы ( 2 ) и коэффициенты к, пи величина иг, которая при проведении расчетов по суточным интервалам принимает значения п^, в функции роста Ричардса ( 4 ). Для нахождения этих неизвестных параметров использован'метод конфигураций, представлящий собой модификацию метода покоординатного спуска. В основу этой модифшагли положена гипотеза локальной неизменности направления поиска. Успешным считаеюя поиск, который приводит к уменьшению дисперсии:

кий (экспериментальный) урожай; N - количество вариантов опытов (наблкц^шй). Таким образом критерием качества разработанной модели выбрано соответствие теорети1:^ских (вычисленных по модели) и экспериментальных урожаев культуры.

Иденги4г"сация параметров модели формирований урокая хлопчатника и верификация модели проведены по результатам полевых опытов за многолетний период (1965 - 1983 гг.), поставленных при различных условиях возделывания хлопчатника по единой методике, разработанной СоюзЖлМ, в баспйне р. Сырдарьи (хлопковая зона) с привлечением данных прилегающих метеостанций. Рассматриваемый период наблюдений достаточно продолжителен и охватывает ши^лай спектр погодных условий возделывания хлопчатника. Рассматривался средневолокнис. ЛХ хлопчатник ташкентских сортов. Используемые данные наблвдешй пяти оштны" станций хлопководства " прилегавдих метеостанций хареятери-

N

зуют see основные тшш почт ^ино-мелиоративных условий хлопковой зоны бассейна р. Сырдарьи.

Идентификация параметров модели формирования урожая хлопчатника проводилась отдельно для каждой опытной станции. При этом оказалось, что для станций, расположенных в области обеспеченного оттока грунтовых вод на незасоленшх тяжелосуглинистых почвах искомые параметры близки и их можно принять одинаковыми (ЦЭБ СОШНИХИ -Акка-■ вак и Андижанский филиал). То же самое показывают и результаты идентификации для Голодностепских станций (Пактааральская OCX и ЦОМС) с полугидроморфным грунтовым увлажнением, с той только разницей, что при идентификации используются различные кривые снижения урожайности в зависимости от степени и характера засоленности почв на начало вегетационного периода. Несколько отличаются параметры для почв с гидроморфным грунтовым питанием • (Фергане..ля OCX). Таким образом, идентификация неизвестных параметров модели показала, что они различаются длг почв разного механического состава, степени засоления и режима грунтового увлажнения, при этом для сходных условий параметры можно принимать одинаковыми. ' -

Проверка модели была осуществлена на независимом материале, вклкчащем в себя около 50 опытов. Дисперсия (относительная ошибка расчетов) для различных станций оказалась в. пределах от 12 до 215!. (Дисперсия фактических урожаев и расчетных при идентификации не превышает 9$). Таким образом, рассматриваемая модель признана при' годной для проведения численных экспериментов с целью исследования влияния природно-климатических и почвенно-мелиоративных условий на урожай сельскохозяйственных культур.

Цри помощи модели формирования урожая хлопчатника.была проведена оценка влияния еодного режима и почвенно-мелиоративных условий

на продуктивность хлопчатника по экспериментальным данным опытных-' станций для средкеволокнистого хлопчатника, результаты которой представлены в четвертой главе.

Основным показателем для проведений полива служит влажность корнеойитаемого слоя почвы. Когда ее величина опускается ниже некоторого (критического) значения назначается полив нормой, восполняющей влажность в расчетном слое до предельной полевой влагоемкости (ППВ). Кроме того, были также использовал опытные данные о предпс -ливной влажности корвдобитаемого слоя почвы, сроках и величинах поливных вор«. При разработке режима орошения райошруемь.. сортов хлопчатника на опытных станциях СовзНИХИ исштывалось влияние на урожайность нескольких вариантов режима орошения с различными фаС-

КЛИ* та

1 -м -

«.I -».7 -11 -

* .1,5 1Щ ■ ■ I

Рис. 1. Зависимость урожайности ( 2 ) и суммарного испарения ( 1 1 хлопчатника от' предполивной влажности (в относительных единицах).

сированными значениями пред^-»ливной влажности в расчетном слое почвы по фазам развития хлопчатника в % от гтименьшей влагоемкости.

Результаты численного эксперимента по изменению влажности поч вы перед поливами показывают, насколько существенно влияет на про-

■ . дуктивность хлопчатника снижение предполивной влажности за пределы

критических значений.На рис. 1 приведены зависимости урожая и суммарного испарения от предполивной влажности корнеобитаемого слоя почвы (в относительных величинах), которые показывают, что при снижении предполивной влажности за пределы ^ее критических значений снижение урожая происходит быстрее, чем снижение расхода волы на сушарное испарение, (Снижение предполивной влажности на 15-20% ш сравнению о оптимальной приводит к снижению урожая на 30-40%, а

сушар'юго испарения на 14-205, ]г, из чего Ьледует, что наименьший ■ г. * * расход вода на единицу продукции, соответствует опть-алытой оросительной корме, ориентированной на Получение максимального урожая.

... Сравнение величин оросительной нормы за вегетационный период,

■ рассчитанных при различной предполивной влажности, показывает, что их значения достаточно близки между собой для оптимальных режимов оршения, причем оросительная норма при наилучшем режиме орошения (по критической влажнеет) в сравнении со сниженными вариантами далеко не всегда максимальна. Это объясняется тем, что при более высокой предполивной границе требуется проведение больного числа по-

■ ливов, но меньшими нормами, а при редких-поливах поливная норма V ~ значительно вше и в сумме оросительная норма может оказаться боль-

■ ше, что подтверждается также данными полевых опытов. Колебания ве-дичт ороептвльшх норм за вегетационный период от года к году более значительны, чем в зависимости от обеспечения оптимального режима орощения.'Таким образом, проведенные исследования показали.

что концепция ограничения, водоподачи на орошение в дефицитные го-" воде годы приводит к значительно большим затратам вода на единицу полученной продукции.

Урожай хлопчатника имеет значительный диапазон колебаний , не только в зависимости от предполивной влажности корнеобитаемого слоя почва, но также и от других факторов и их сочетания: погодних условий конкретной вегетации, начального плодородия почвы, внесения удобрений,, засоленности почвогрунтов. Для исследования влияния прс-странственно-временной изменчивости гидро-метеорологическкх и поч-венно-мелио^тивных условий на формирование урожая хлопча. лика использовались рассчитанные по модели урожаи хлопчатника и его суммарное водогготребление за многолетний период (1955-80 гг. ЦЭБ СиоэНЮЭч, Пахтааральская OCX; 1961-80 гт. Ферганская OCX, Андижанский филиал СоюзНШ; 1Э57-80 гг. ЦОМС), При этом были определены

' . >

урожаи хлопчатника при оптимальной предполивной влажности (W^) и при ее снижении на 5, 10 в 15 %.

По полученным результата.« можно сделать вывод, что временная изменчивость урожаев при оптимальных условиях водообеспвчевия незначительна изменяется в диапазоне от О.Об'до 0.11). Пространственная изменчивость урожаев цри оптимальном водообеспечении в большей степени.определяется почвенно-мелиоративнши условиями, чем изменчивостью метеорологических характеристик.

На рис. 2 прлзедены осредненные за многолетний пг~®од относительные величина снижения уро&ая и суммарного водопотребленпя хлопчатника при поливах по сниженной (по сравнению с оптимальной) предполивной влажности. Как видно■из рис. 2, наиболее резкое снижение урожая при сниюнии предполивной влакностк наблюдается на тякело-суглини-гых почвах о автом^нь i и полуавтоморфным типом грунтово-

■-с -эг>

- 40

iilti t. I

Рис. 2. Зависимость снижения урожая хлопчатника от уменьшения сушврного водопотре Олевия при поливах по сниженной предполивной . влажности (среднемноголетние данные)

1 - тяжелосуглинистыэ, незаселенные, евтоморфше типичные сероземы (ЦЭБ СоюзНИХИ); 2 - тяже лосуглинистые, незасолешые, полу-автоморфные светлые сероземы и^ндижанский филиал СоюзНИХИ); 3,- тяжелосуглинистые, слабозасоленные; сазовые луговые гидроморфяые почвы (Ферганская OCX); 4'- срвднесуглиннстые, слаОозасолвнные, полу-гидроморфные светлые сероземы: (Пахтааралъская OCX); 5 - среднесу-глинистые, среднезасоленные,. толугидроморфные светлые сероземы (ЦОМС). ■'..

delta у = У° уоУсн % ; delta 2 = $ % '

го увлажнения (ЦЭБ и Андижанский филиал СоюзНИХИ). Так, например,-* при снижении предю дивной влажности на 10% по сравнению с оптимальной урожай снижается в среднем на 20%, в то время как суммарное во-допотреОление хлопчатника уменьшается всего на 10% и 13Ж соответственно, а при снижений предполивной влажности на 15% урожай уменьшается на" 33-35%, при этом суммарное водопотребление уменьшается на 14-20%. Меньшее снижение урожая наблюдается на-почвах средне- и тя- ■ желосуглинистого механ"ч'еского состава с полугидр^юрфиым тик * грунтового увлажнения (Пахтааральская OCX, ЦОМС) и гидроморфшм (Ферганская OCX). Однако, на подверженных засолению средне-угливис-тих почвах урожай падает более интенсивно по сравнению с суммарным водопотребленивм. Даже при сравнительно незначительном снижении предполивгой влажности (5%) урожай снижается вдвое быстрее расхода вода на сушарное испарение, а при больших отклонениях предполивной вг хности от оптимальной скорость снижения урожая по сравнении с расходом воды на суммарное испарение еще. более увеличивается.

Одним из главных фвгторув, определяющих продуктивность хлопчатника является обеспечение оптимального' водного режима растений в посеве, нарушение которого может привести к значительным потерям урожая. При■этом резервы экономии водных ресурсов следует изыскивать не в сокращении оросительной нормы, а в снижении непродуктивных затрат воды в оросительной сета, а на поле - в снижении непродуктивных потерь на испарение воды почвой. ■.'■■".

; ЗАКЛЮЧЕНИЕ '

1. Щж долгосрочном планировании орошаемого земледелия одной из, основных задач является получение количественных оценок продуктивности оротеедах земель в зависимости от пространственно-временной изменчивости опре -ел^лщх ее управляемых» главным образом

водных ресурсов, и неуправляемых факторов внешней среди.

2. Наилучшими свойствами для решения этой задачи' обладают достаточно агрегированные модели с малым числом параметров, т.к. они лучше охватывают свойства агро экосистемы как целостного объекта управления, чем модели высокой степени детализации.

3. ' Основой для получения функциональных характеристик агроэкосистемы (функций отклика) является ороааемый массив.

4. Разработана агрегированная динамическая модель формирования урожая сельскохозяйственной культуры на примере хлопчатника, в которой для количественного описания динамики вгроэкосистемы выделен набор переменных величин, характеризующих агроаколошческие процессы (биомасса растения; продолжительность фенологических фаз; влажность корнеобитаемого слоя почвы; содержаний элементов минерального питания; наличие токсичных солей.в активно» слое то:зы; метеорологические условия и т.д.).

5. Иденти4ика1'чя неизвестных параметров модели и проверка ее на независимом материале осуществлена с использованием данных опытных станций СоюзНИХИ и прилегащих метеостанций для различных поч-венно-мелиоративных условий Оассейна'р. Сырдарьи.

6. Разработано алгоритмическое и програшное' обеспечение рассматриваемой динамической модели, а также создана информационная база для ее реализации. ■

7. Исследование влияния водного режима на урожай хлопчатника показывает* что наименьший расход вода на единицу продукции соответствует оптимальной оросительной норме, ориентированной на получение максимального урожая.

8. Основным показателем водного режима корнеобитаемого слоя : почвы, влияющим на урожай ■ сельскохозяйственной культуры является

предпиливная влажность почвы. При снижении уровня предполивнай-влажности за пределы оптимальных значений снижение урожая происходит быстрее, чем снижение расхода вода на суммарное испарение Скорость снижения урожая и суммарного испарения зависит от почвенно-мелиоративных условий,« главным образом от водно-солевого режима.

СЛИЗОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Анализ факторов водэпотребления и урожайности сельскою- . зяйственных культур. - "еп. во БШЦ 27.12.05, Я 1542-85, 1985. /в соавторстве с Т.Ю.Ролубаш/. - й с.

2. Влияние природво-хозяйственных факторов на водопс.ребленив орошаемого земледелия при управлении водными ресурсами в бассейнах с развитым орошением. - В сб.: Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Гидрология 2000 года". ИБП АН СССР, Н., 1986. - с. 54-56,

3. Оценка влияния орошения на продуктивность и плодородие кс в. - В сб.: Тезисы докладов х школа-семинара "Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования",.НИШиШ Ш, Ростов-на-Дону, 19Г1. /в соавторстве с Г.Ю.Голубам/ - о. 192-193.

4. оценьа влияния влагообеспеченности на продуктивность хлопчатника. - В сб.: Тезисы докладов П школы-семшара "Математическое моделирование • в проблемах рационального природопользования", ВИИМиНП РТУ, Ростов-на-Дону, 19871 - с. "188-189.

5. мелиоратынай блок в водохозяйственных моделяг аридной зоны. - Водные ресурсы, 1989, Т 5. /в соавторстве о Г.ЭС.Ксмайыловым и Т.Ю.ГОЛубаш/.-'О. 144-155.

6. Оценка продуктивности сельскохозяйственных культур на мелиорированных землях бассейне р. Сырдарьи. - Вестник сельскохозяйственное науки, 1969.N 9. /в -оа-юрстве с Т.Ю.Голубаш/ - с. 124-128.

: Подписано в печать 29,04.1393 г. ; Зак. 766' Форшт SQxüi/16. Тир, 100

Москва. Типография РАСЛ1