Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Ресурсосберегающая техника поверхностного самотечного полива сельскохозяйственных культур

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата технических наук, Гасанова, Эльмира Аятовна, Москва

¥

„ 3 . % „Г— . £> «V -5»

V «. ^ / г кг

Министерство сельского хозяйства и продовольствия РФ

На правах рукописи УДК 6 31.4,6

ГАСАНОВА ЭЛЬМИРА АЯТОВНА

РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНИКА ПОВЕРХНОСТНОГО САМОТЕЧНОГО ПОЛИВА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР

Специальность 06.01.02 - «Сельскохозяйственная мелиорация»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: Действительный член РАСХН, д. т. н., профессор И.П. Айдаров Действительный член академии водохозяйственных наук, д.т.н.,

профессор В.А. Сурин

МОСКВА -

1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ............................4

ГЛАВА 1.ОБОБЩЕНИЕ И АНАЛИЗ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ

ПОВЕРХНОСТНЫХ САМОТЕЧНЫХ ПОЛИВОВ ПО БОРОЗДАМ ...... 8

1.1. Общие положения..................................8

1.2. Область наиболее целесообразного применения поверхностных самотечных способов полива по бороздам . 10

1.3. Основные положения теории поверхностного самотечного полива по бороздам.....................15

1.4. Пути совершенствования техники поверхностных самотечных поливов по бороздам .................... 19

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ОБОСНОВАНИЯ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ПОВЕРХНОСТНЫХ САМОТЕЧНЫХ ПОЛИВОВ ПО БОРОЗДАМ ..... 22

2.1. Методы обоснования техники полива...............22

2.2. Требования к составу и методам экспериментальных исследований техники полива........................34

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ТЕХНИКИ ПОЛИВА ПО БОРОЗДАМ.......................38

3.1. Географическое положение и климат............... 39

3.2. Геоморфологические особенности и почвы..........44

3.3. Почвы опытного участка..........................46

3.4. Исследуемая сельскохозяйственная культура и ее требования к факторам внешней среды................50

3.5. Методика исследований...........................57

3.6. Ресурсосберегающая технология сельскохозяйственного производства.......................................60

3.7. Результаты исследований техники бороздкового

полива.............................................61

3.7.1. Оценка точности определения водопроницаемости

почв.............................................85

3.8.Влияние поливов по бороздам на физические свойства

сероземов..........................................88

ГЛАВА 4. ПРОДУКТИВНОСТЬ И ЭКОЛОГО-МЕЛИОРАТИВНОЕ

СОСТОЯНИЕ ОРОШАЕМЫХ ЗЕМЕЛЬ ...................... 105

4.1. Формирование площади листьев ................... 105

4.2. Урожай виноградника............................107

4.3. Влияние орошения на природную среду............112

ГЛАВА 5. ОЦЕНКА ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ТЕХНИКИ ПОВЕРХНОСТНЫХ ПОЛИВОВ ПО БОРОЗДАМ ....... 120

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................126

ЛИТЕРАТУРА...........................................128

Список работ,опубликованных по теме диссертации ...... 140

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из основных элементов технологии орошения сельскохозяйственных культур является техника полива, обеспечивающая наряду с системой земледелия управление факторами жизни растений. Техника полива является, по существу, замыкающим звеном в общей системе во-дообеспечения сельскохозяйственных растений и в отличие от других элементов оросительных систем имеет не линейный, а площадной характер, а следовательно, оказывает непосредственное влияние на все компоненты природных ландшафтов - приземный слой атмосферы, растения, почвы, поверхностные и подземные воды. Влияние техники полива на атмосферу выражается в увеличении влажности и снижении недостатка насыщения приземного слоя воздуха; на почву -в увеличении влажности; на растительность - в увеличении транспирации и продуктивности; на подземные воды - в увеличении влагообмена между почвенными и грунтовыми водами; на поверхностные воды - в сбросе поверхностных вод. При этом характер и степень этого влияния зависит от способов и техники полива и особенностей природно-хозяйственных условий.

В связи с этим, разработка и обоснование элементов техники поверхностных самотечных поливов, обеспечивающей рациональное использование водных, земельных и других материальных ресурсов, а также минимальное негативное воздействие на природную среду, является одной из важнейших задач орошаемого земледелия в аридной зоне.

Тема диссертационной работы является составной частью исследований МГУП по разработке эффективных направлений и

методов комплексных мелиораций сельскохозяйственных зе-'мель.

Цели и задачи исследований. Работа посвящена исследованию и обоснованию элементов ресурсосберегающей техники поверхностных самотечных поливов по бороздам.

В задачи исследований входило:

• Изучение в опытно-производственных условиях различных элементов техники полива по бороздам;

• Изучение процессов формирования водного и питательного режимов орошаемых почв;

• Изучение влияния техники полива на урожайность виноградника и состояние природной среды;

• Оценка эколого-экономической эффективности техники полива и разработка методов обоснования наиболее целесообразного сочетания ее элементов (длина борозд, расход в голове борозды и др.)

Объекты исследований. Полевые исследования техники поверхностных самотечных поливов по бороздам проводились в 1993-94 гг. на опытно-производственном участке в совхозе «Шаны», расположенном на Апшеронском полуострове в Азербайджане.

Методика исследований. В основу методики исследований положен системный подход, включающий совместное рассмотрение компонентов природной среды и технологии полива, в том числе: изучение динамики водного и питательного режимов и балансов орошаемых почв при различном сочетании элементов техники полива, изучение роста и развития виноградника на опытном участке, а также анализ влияния раз-

личного сочетания элементов техники полива на компоненты природной среды.

Аналитические исследования (определение влажности и химического состава почв) выполнялись с использованием стандартных методик, оценка точности опытов производилась с использованием статистических методов.

Научная новизна заключается в установлении основных закономерностей формирования водного и питательного режи-

п

мов почв и эффективности полива по бороздам при различном сочетании элементов техники полива. На основании выполненных исследований и обобщений разработаны методы расчета и обоснования элементов техники полива по бороздам, обеспечивающей наиболее эффективное использование водных, земельных и других материальных ресурсов и снижение негативного воздействия на природную среду.

Практическая значимость заключается в разработке методов расчета элементов техники полива по бороздам при заданном коэффициенте неравномерности увлажнения почв по длине борозды с учетом требований минимизации негативного воздействия на природную среду.

На защиту выносится:

1. Результаты экспериментальных исследований техники поверхностных самотечных поливов по бороздам и оценка их влияния на с/х культуру и состояние природной среды.

2. Методы расчета элементов техники полива по бороз-дам, обеспечивающей наиболее эффективное использование водных и земельных ресурсов и минимизацию негативного воздействия на природную среду.

Апробация. Основные результаты работы докладывались на научно-технической конференции МГУП в 1998 г.

Работа состоит из введения, 5 глав, выполнена на 140 страницах машинописного текста и включает 42 таблицы и 17 рисунков.

Список использованной литературы включает 138 наименований.

ГЛАВА 1.ОБОБЩЕНИЕ И АНАЛИЗ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ПОВЕРХНОСТНЫХ САМОТЕЧНЫХ ПОЛИВОВ ПО БОРОЗДАМ

1.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Необходимость совершенствования техники и технологии орошения сельскохозяйственных земель обусловлена большими переменами в обществе и природной среде. Разрушились стереотипы, основанные на требовании коренного преобразования природной среды, пришло осознание конечности природных ресурсов, появились количественные методы оценки пределов антропогенной нагрузки на природную среду. Стало очевидным, что существующая система природопользования, в том числе и орошаемого земледелия, не отвечает принципам, сформулированным еще В.Р.Вильямсом и А. Н.Костяковым, в соответствии с которыми основной задачей мелиорации сельскохозяйственных земель является управление направлением и скоростью биологического и геологического круговоротов воды и химических элементов с целью повышения плодородия почв и охраны природной среды [13,18,31,67].

Одним из основных элементов технологии орошения сельскохозяйственных земель является техника полива, обеспечивающая управление биологическим круговоротом и в то же время существенно влияющая на геологический круговорот воды и химических элементов. Роль техники полива в общей системе мелиоративных мероприятий определяется ее задачами, которые включают подачу на орошаемые поля нужного количества воды в определенные сроки, равномерное ее распределение по поверхности поля и обеспечение поглощения в почву с целью создания нужного водного и других режимов

почв в увязке с остальными природными и хозяйственными факторами [31,67]. Техника полива является, по существу, замыкающим звеном в общей системе водообеспечения сельскохозяйственных растений и в отличие от других элементов оросительных систем (водозаборные и регулирующие сооружения, оросительные, водосборно-сбросные, и коллекторно-дренажные каналы) имеет не локальный, а площадной характер, а следовательно, оказывает существенное влияние на все компоненты природных ландшафтов, а именно - приземный слой атмосферы, почву, растительность, поверхностные и подземные воды.

Влияние техники полива на атмосферу выражается в увеличении влажности и снижении недостатка насыщения приземного слоя воздуха; на почву - в увеличении влажности; на растительность - в увеличении транспирации и продуктивности; на подземные воды - в увеличении влагообмена между почвенными и грунтовыми водами и подъеме последних; на поверхностные воды - в сбросе поверхностных и коллектор-но-дренажных вод и ухудшение их качества. Причем, характер и степень влияния зависят от способа и техники полива и особенностей природных условий.

Таким образом, при оценке способов и техники полива, необходимо использовать идеи и методы ландшафтного и деятельности© -природного подходов, позволяющих рассматривать изменение природной среды на фоне конкретной хозяйственной деятельности (т.е. техники полива) [18,91].

1.2. ОБЛАСТЬ НАИБОЛЕЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОГО ПРИМЕНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ САМОТЕЧНЫХ СПОСОБОВ ПОЛИВА ПО БОРОЗДАМ

Как было указано выше, оценку области применения поверхностных самотечных поливов по бороздам необходимо проводить с учетом влияния техники полива на все компоненты природной среды, по отдельным природным зонам, характеризующимся общностью процессов поступления и расходования тепла и влаги, лимитирующих плодородие почв [13,33,34 и ДР-]. При оценке области применения поверхностных самотечных способов полива по бороздам использованы имеющиеся методы расчета величин оросительных и поливных норм, характерные особенности природных условий и различных способов полива, основные лимитирующие факторы и пределы их регулирования, а также технические возможности. При этом лимитирующими факторами в общем случае являются те, для которых характерны узкий диапазон регулирования и значительная изменчивость во времени и пространстве [13,67, 78а, 105а, 108а].

Используя многолетние ряды данных по дефициту водного баланса и пределы регулирования влажности почв, оценим пределы величин оросительных и поливных норм и изменчивость их во времени [7,8,9,36,74,105-109].

Таблица 1.1.

Пределы величин и изменчивости оросительных и поливных норм для различных природно-климатических зон.

Природно-климатическая зона Оросительная норма нетто, мм Коэффициент вариации оросительной нормы нетто, по годам Пределы регулирования влажности почв, в долях ППВ Величины поливных норм, мм

Степная 0-150 < 1,00 0,60 - 0,70 <20-30

Сухостепная 100-250 < 0,43 0,65 - 0,80 <30-40

Полупустынная 270-450 < 0,25 0,70 - 0,90 < 80 - 100

Пустынная 600-800 <0,14 0,70 - 0,90 < 80 - 120

Приведенные данные показывают, что для степной и су-хостепной зон характерна наиболее высокая изменчивость величин оросительных норм нетто во времени и малые величины поливных норм, обеспечить которые путем проведения поверхностных самотечных поливов по бороздам чрезвычайно трудно, а во многих случаях практически невозможно. Отсюда следует, что поверхностные самотечные поливы по бороздам целесообразны в полупустынной и пустынной зонах.

Однако, такая оценка будет неполной, если не учитывать запасы продуктивной влаги в почвах и дефицит влажности приземного слоя воздуха, вызываемые воздушными засухами и суховеями. Используя многолетние данные по запасам продуктивной влаги в почвах и дефициту влажности воздуха, оценим пределы их изменения и вариацию [7,8,9,74,105-109].

Таблица 1.2.

Пределы изменения и вариация запасов влаги в почве И дефицита влажности воздуха.

Почвенно- Запасы продуктивной влаги в Дефицит влажности

климатиче- слое 1м, мм воздуха, ГПа

ская зона пределы сред- коэффициент среднее коэффициент

изменения нее вариации Q/1 вариации С/

Степная 70 - 150 102 0,22 10, 3 0,32

Сухостепная 50 - 120 85 0,24 17,1 0,38

Полупустынная 40 - 100 77 0,34 25, 0 0,33

Пустынная 0-42 16 0, 62 51, 0 0,18

Данные таблицы 1.2. показывают, что в степной и сухо-степной зонах одним из факторов, лимитирующих урожайность сельскохозяйственных культур, наряду с влажностью почв, является недостаток влажности приземного слоя воздуха (частые воздушные засухи и суховеи). Для полупустынной зоны изменчивость дефицита влажности почв и приземного слоя воздуха примерно одинакова. Для пустынной же зоны основным лимитирующим фактором является влажность почв. Отсюда следует, что в задачу техники полива в степной и сухостепной зон должно входить увлажнение приземного слоя воздуха и корнеобитаемого слоя почв, а следовательно, основным способом полива является дождевание, в том числе и аэрозольное.

В полупустынной зоне, в принципе можно использовать и дождевание, и поверхностный самотечный полив по бороздам и капельное орошение. В пустынной зоне наиболее целесообразен поверхностный самотечный способ полива по бороздам, а также капельное орошение, т.е. способы полива, обеспечивающие увлажнение почвы и рациональное использование земельных и водных ресурсов.

Таким образом, область наиболее целесообразного

»

применения поверхностных самотечных способов полива по бороздам ограничивается в основном пустынной и отчасти полупустынной зонами. В качестве критериев,

характеризующих область применения полива по бороздам,

можно принять средообразующий фактор - радиационный индекс

_ ^

сухости Будыко =->2,5 (Я - радиационный баланс,

1-0

с

ккал/см2 в год, 0С - атмосферные осадки, см, Ь - скрытая теплота парообразования, ккал/см3) [76] и соотношение

Св

—— <1,0 (где СуВ и С/Л - коэффициенты вариации дефицита

Сп

V

влажности воздуха и запасов продуктивной влаги в почве).

Приведенные данные дают возможность оценить только область применения поверхностных самотечных способов полива по бороздам, капельного орошения и дождевания. Для более детальной оценки конкретных способов и технологии полива необходимо учитывать особенности природных условий и сельскохозяйственных культур (запасы продуктивной влаги в почве и дефицит влажности воздуха, водопотребление и соотношение Суя) , а также характер влияния техники

полива на компоненты природной среды, в частности, на атмосферу и почву [90].

Таблица 1.3.

Влияние техники полива на атмосферу и почву [90]

Виды техники и технологии полива Соотношение объемов влаги, идущей на увлажнение почвы и воздуха, в долях от объема

Внутрипочвенное орошение (все технологии) 0,98/0,02

Капельное внутрипочвенное орошение 0,98/0,02

Капельное приповерхностное орошение 0,96/0,04

Поверхностный самотечный полив:

по полосам 0,96/0,04

по бороздам большим расходом 0,95/0,05

по бороздам малым расходом 0,94/0,Об

Дождевание с постоянной подачей воды: (0,8 - 0,9)/(0,2 - 0,1)

с устойчивым дождевым облаком (КДУ) 0,9/0,1

с фронтальным перемещением (ДДА, Кубань и др.) 0,85/0,15

с угловым перемещением (ДДН и др.) 0,85/0,15

с фронтальным угловым перемещением 0,8/0,2

Дождевание прерывистое с цикличной водоподачей (0,7 - 0,8)/(0,3 - 0,2)

Дождевание синхронно-импульсное (0,5 - 0,7)/(0,5 - 0,3)

Дождевание мелкодисперсное (аэрозольное) (0,02 - 0,05)/(0,98 - 0,95)

Комбинированное орошение (0,1 - 0,9)/(0,9 - 0,1)

Зная оросительную и поливную нормы, величину И и соотношение С^ / , можно выбрать соответствующую технику и технологию полива, обеспечивающую необходимое регулирование влажности приземного слоя воздуха и почвы. Вместе с тем, приведенные выше данные недостаточны для обоснования элементов техники полива с учетом общей системы мелиоративных мероприятий.

В настоящей работе рассмотрены вопросы обоснования ресурсосберегающей техники поверхностных самотечных поливов по бороздам в пустынной зоне для автоморфных почв, исходя из идей и методов ландшафтного и деятельностно-природного подходов.

1.3. ОСНОВНЫ�