Ресурсы почвенных вод и водообеспеченность агроценозов в условиях юга Русской равнины

Шумова, Надежда Афанасьевна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Ресурсы почвенных вод и водообеспеченность агроценозов в условиях юга Русской равнины
ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Ресурсы почвенных вод и водообеспеченность агроценозов в условиях юга Русской равнины"

На правах рукописи

Шумова Надежда Афанасьевна

РЕСУРСЫ ПОЧВЕННЫХ ВОД И ВОДООБЕСПЕЧЕННОСТЬ АГРОЦЕНОЗОВ В УСЛОВИЯХ ЮГА РУССКОЙ РАВНИНЫ

25.00.27 - Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

Воронеж 2010 1 4 0 КТ 2010

004610239

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук «Институт водных проблем РАН»

Официальные оппоненты: доктор географических наук

Короикевич Николай Иванович

доктор географических наук Нестеренко Юрий Михайлович

доктор географических наук Мишон Виталий Михайлович

Ведущая организация: ФГОУВПО «Московский государственный

Защита состоится « 12 » октября 2010 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.036.02 при Воронежском государственном педагогическом университете по адресу: 394043, г.Воронеж, улЛенина, д.86, ауд. 408.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке научных работников ВГПУ по адресу: 394043, г.Воронеж, улЛенина, д.86, к.34.

Автореферат разослан « 7 » сентября 2010 г.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по адресу: 394043, г.Воронеж. улЛенина, д.86. Естественно-географический факультет, ученому секретарю диссертационного совета ДМ 212.036.02. Факс: 8 (4732) 55-27-27. E-mail: shmykov@vspu.ac.ru

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук, доцент

университет природообустройства»

В.И.Шмыков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Сочетание обилия света и тепла с высоким плодородием почв способствовало превращению лесостепной и степной зон Русской равнины в агроландшафт. В лесостепной и степной зонах производится наибольшее количество товарного зерна и продуктов животноводства. Засухи в этих регионах представляют обычное явление и для различных частей этой территории отличаются лишь интенсивностью и повторяемостью. Результатом развития орошения как радикального средства борьбы с засухами в ряде регионов лесостепной и степной зон стало локальное переувлажнение земель и часто сопутствующее ему засоление, что явилось причиной деградации высокопродуктивных черноземов и сделало эти земли непригодными для сельскохозяйственного использования. Это делает актуальным разработку гидрологических основ управления ресурсами почвенных вод, которые используются недостаточно эффективно, и поиск вариантов оптимизации их режима, направленного на снижение интенсивности и повторяемости засух. Разразившийся к настоящему времени кризис продовольствия на мировых рынках, приведший к резкому скачку цен на сельскохозяйственную продукцию, а также наметившийся в последнее время переход на альтернативные источники энергии - биологическое топливо - придают еще большую актуальность проблеме рационального использования ресурсов почвенных вод с целью получения достаточно высоких, а тем более устойчивых урожаев возделываемых культур.

Снижение интенсивности и повторяемости засух на посевах неорошаемых культур в принципе возможно за счет более полного использования атмосферных осадков в вегетационный период. Это связано с решением задач о задержании снега и талых вод на полях для повышения весенних запасов почвенных вод, а также с уменьшением испарения воды почвой в период от схода снежного покрова до смыкания посевов и после уборки урожая до наступления зимы. Основы научной базы в решение этих задач были заложены В.В.Докучаевым и развивались его учениками и последователями П.А.Костычсвым, А.А.Измаильским, Г.Н.Высоцким, А.Н.Костяковым, А.А.Роде, В.А.Ковдой, Ф.Ф.Давитая, С.А.Вериго, Л.А.Разумовой, Л.С.Кельчевской, С.В.Зонном и др. Исследования, связанные с развитием предложенного комплекса мероприятий «сухого земледелия», направленных на снижение интенсивности и повторяемости засух, а также поиском новых приемов по борьбе с засухами, продолжаются по настоящее время. Обычно эти исследования проводятся на уровне агрономических опытов путем сравнения урожая опытного участка с контролем. Обобщение и перенос полученных результатов на другие условия, существенно изменяющиеся в пространстве и во времени, встречает большие трудности.

место в этом направлении занимают исследования М.ИЛьвовича, который считал, что почвенные воды играют ведущую роль в формировании водного баланса территории. Эти идеи получили развитие в работах Е.П.Чернышева, Н.И.Коронкевича и др.

В 1980-х годах А.И.Будаговским было введено понятие ресурсов почвенных вод и намечены основные направления развития учения о почвенных водах и их ресурсах: биофизическое (физика почвенных вод), географическое и прикладное (инженерно-агрономическое). Задачей биофизического направления является изучение физической сущности процессов формирования почвенных вод. В рамках этого направления А.И.Будаговским разработана модель формирования почвенных вод в безморозный период. Исследования в области формирования почвенных вод были продолжены и существенно углублены Е.М.Гусевым. Им была дана экологическая трактовка понятая ресурсов почвенных вод, разработан полный комплекс моделей формирования почвенных вод в осеннее-весенний период, разработаны динамико-стохастические модели формирования почвенных вод при мульчировании.

Достижения, полученные в области физики почвенных вод, легли в основу настоящей работы, которая выполнена в рамках развития географического и прикладного направлении учения о почвенных водах и их ресурсах. Если геофизические и биофизические законы, лежащие в основе формирования почвенных вод, установлены достаточно точно, то они справедливы для любых условий. При этом одни и те же законы, действующие в разных условиях, могут приводить к существенно различным результатам. Задача географического и прикладного направления - это раскрытие закономерностей формирования почвенных вод на более высоких (ландшафтном и зональном) уровнях организации окружающей среды и получение обоснованных оценок влияния изменения режима почвенных вод на соответствующее состояние растительного покрова.

Использование в данной работе модели формирования почвенных вод, разработанной в рамках учения о почвенных водах и их ресурсах, существенно повышает научный уровень агрономических опытов и позволяет оценить ресурсы почвенных вод и водообеспеченность агроценозов как при применении традиционной агротехники, так и при проведении различных мероприятий «сухого земледелия», таких как задержание стока талых вод на полях, зяблевая пахота, парование полей и мульчирование почвы растительными остатками. Использование данного подхода позволяет не только оценить эффективность проводящихся мероприятий по повышению водообеспеченности посевов, но и служить обоснованием целесообразности постановки исследований по поиску или реализации более сложных мероприятий, детальная разработка которых требует большого труда и средств.

Цель и задачи исследований. Целью работы являются оценка и анализ закономерностей формирования ресурсов почвенных вод и водообеспеченности агроценозов в условиях юга Русской равнины.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

1. Выбор подхода к оценке ресурсов почвенных вод и водообеспеченности посевов сельскохозяйственных культур.

2. Адаптация и проверка модели формирования ресурсов почвенных вод для условий юга Русской равнины, включая оценку параметров модели, описывающих водно-физические свойства почвы и растительный покров.

3. Изучение пространственной, межгодовой и внутригодовой динамики составляющих баланса почвенных вод сельскохозяйственных полей юга Русской равнины.

4. Оценка и выявление закономерностей формирования водообеспеченности агроценозов.

5. Определение дефицита водопотребления (оросительная норма нетто) посевов

сельскохозяйственных культур.

6. Оценка гидрологической эффективности задержания стока талых вод на полях, зяблевой пахоты, парования и мульчирования почвы.

Объектом исследований являются сельскохозяйственные поля лесостепной и степной зон Русской равнины - основных зернопроизводящих регионов России.

Предмет исследований - почвенные воды и управление ими с целью повышения водообеспеченности посевов сельскохозяйственных культур.

На защиту выносятся:

1. Методический подход к оценке ресурсов почвенных вод и водообеспеченности агроценозов в рамках учения о почвенных водах и их ресурсах.

2. Результаты оценки и анализ условий формирования ресурсов почвенных вод

на юге Русской равнины. Метод определения локальной неоднородности пространственного распределения суммарного испарения.

3. Результаты оценки и анализ водообесеченности агроценозов на юге Русской

равнины.

4. Результаты оценки гидрологической эффективности приемов «сухого

земледелия», направленных на снижение интенсивности и повторяемости засух. Метод расчета испарения воды почвой при мульчировании.

Научная новизна и практическая значимость работы. Работа выполнена в рамках развития географического и прикладного направлений учения о почвенных водах и их ресурсах. При оценке ресурсов почвенных вод и водообеспеченности агроценозов реализуется принципиально новый подход, при котором почвенные воды рассматриваются как гидрологический ресурс, необходимый для существования и развития растительного покрова. Показаны масштабы возможного использования этого ресурса для юга Русской равнины.

Выявлены и проанализированы закономерности географического распределения и временной изменчивости параметров, показывающих: - эффективность использования ресурсов почвенных вод агроценозами;

- водообеспеченность агроценозов, оцениваемую через величину транспирации

исходя из потребности растений во влаге и из того, насколько эта потребность удовлетворяется в конкретных природно-климатических условиях;

- резервы возможного повышения водообеспеченноста агроценозов.

Предложен метод оценки локальной неоднородности пространственного распределения суммарного испарения сельскохозяйственных полей.

Впервые эффективность приемов «сухого земледелия» оценивается с позиций гидрологии, а не сравнением урожаев опытных участков с контролем. Это позволило выйти на зональный уровень обобщения. Разработан упрощенный метод оценки испарения воды почвой при мульчировании.

Результаты исследований могут представлять интерес для агроклиматического районирования, использоваться при планировании различных агротехнических мероприятий по повышению водообеспеченности посевов сельскохозяйственных культур, а также при разработке экологических программ рационального природопользования.

Реализация результатов диссертационной работы. Основные положения диссертационной работы вошли в заключительные отчеты по различным тематикам государственных планов НИР, выполняемых Институтом водных проблем РАН; по грантам РФФИ № 03-05-64238 «Развитие теории экологического нормирования в применении к водному режиму экосистем и экотонов речных пойм», № 06-05-6464159 «Современный гидроморфизм и биоразнообразие степной зоны России», № 07-05-00593 «Тенденции увлажнения зональных ландшафтов Европейской России в ситуации глобального потепления XX-XXI веков» и ряду других проектов.

Разработанная методика оценки ресурсов почвенных вод используется в лекционном курсе и на практических занятиях студентов по экологии агроландшафтов в Донском государственном аграрном университете.

Апробация работы и публикации. Результаты исследований были доложены на следующих семинарах и конференциях: Заседание Гидрологической комиссии Московского отделения Русского географического общества (Москва, 2008), 7th International Conference "Influence of anthropogenic activities of water regime of lowland territory" and 17th Slovak-Czech-Polish Scientific Seminar "Physics of soil water" (Michalovce, Slovak Republic, 2008), IV Международный симпозиум "Степи Северной Евразии" (Оренбург, 2006), Международное совещание "Биоресурсы и биоразнообразие экосистем Поволжья: прошлое, настоящее, будущее" (Саратов, 2005), Ежегодная молодежная научная конференция "Актуальные проблемы экологии в сельскохозяйственном производстве" (пос. Персиановский, Ростовская обл., 2003 и 2004), Всероссийский конгресс работников водного хозяйства (Москва, 2003), Всемирная конференция по изменению климата (Москва, 2003), Международная конференция "Взаимодействие общества и окружающей среды в условиях глобальных и региональных изменений" (Барнаул, 2003), International Conference on Water Problems in the Mediterranean countries (Nicosia,

North Cyprus, 1997), European Geophysical Society, 22nd General Assembly (Vienna, Austria, 1997), European Conference on Applied Climatology (Norrkoping, Sweden, 1996), Regional workshop on climate variability and climate change vulnerability and adaptation (Praha, Czech Republic, 1995), V школа-семинар "Системные исследования водных проблем" (Москва, 1993), International Symposium "Advances in water sciences" (Stara lesna, Slovakia, 1993), Научно-практическая конференция "Стратегия экологической безопасности России" (Санкт-Петербург, 1992), а также на семинарах Лаборатории физики почвенных вод и Лаборатории наземных экосистем под влиянием водного фактора ИВП РАН, совместном заседании лабораторий гидрологии и климатологии Института географии РАН, совместном заседании секций Ученого совета ИВП РАН «Водные ресурсы и управление ими» и «Качество вод и экология». Основные положения диссертации отражены в 47 статьях и монографии; в журналах, рекомендованных ВАКом, опубликовано 10 статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка использованной литературы. Работа содержит 237 страниц компьютерного текста, включая 114 рисунков и 14 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 212 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Изложен краткий анализ состояния проблемы, обоснование актуальности темы диссертационной работы, ее цели и задачи, научная новизна и практическая значимость, апробация полученных результатов, структура и объем работы.

Глава 1

ПОЧВЕННЫЕ ВОДЫ И ИХ РЕСУРСЫ

1.1. Общие положения

Рассматривается общая схема взаимного обмена вод суши, в котором активная роль принадлежит почвенным водам. Основной функцией почвенных вод является то, что они необходимы для существования и развития растительного покрова, синтезирующего органическое вещество из неорганического. В свою очередь органическое вещество, создаваемое растительным покровом, является первичным звеном в трофической цепи наземных экосистем. Отсюда вытекает глобальное значение почвенных вод, их роль в формировании и развитии окружающей среды.

1.2. Основы учения о почвенных водах

Задачи и содержание учения о почвенных водах как одном из важнейших компонентов гидрологического цикла были сформулированы А.И.Будаговским (1973). При рассмотрении проблемы почвенных вод выделено три основные направления исследований (рис. 1). Первое направление - биофизическое (или

физика почвенных вод), изучающее физическую сущность процессов формирования почвенных вод, в основе которого лежит понятие гидрологического цикла. Второе направление - географическое, раскрывающее закономерности формирования почвенных вод на более высоких уровнях организации окружающей среды (на ландшафтном и зональном уровнях). Третье направление - прикладное (инженерно-агрономическое). Настоящее исследование выполнено в рамках развития географического и прикладного направлений учения о почвенных водах и их ресурсах.

Рис. 1. Основные направления развития учения о почвенных водах и их ресурсах

1.3. Ресурсы почвенных вод и подходы к их оценке

Почвенные воды являются жизненно необходимым природным ресурсом и рассматриваются в качестве важной части ресурсов вод суши. При обосновании количественной меры ресурсов почвенных вод анализируется уравнения водного баланса речного бассейна за средний многолетний период

Р = Е + УС + УГ (1)

где: Р - атмосферные осадки; Е - испарение; Ус и Уг - поверхностная и подземная составляющие речного стока. Два последних члена в правой части уравнения (1) фигурируют во многих работах в качестве оценок ресурсов поверхностных и подземных вод. Таким образом, если почвенные воды -необходимый природный ресурс, используемый растительным покровом, а Ус и Уг - меры ресурсов других составляющих вод суши, то естественно принять в качестве оценки ресурсов почвенных вод величину суммарного испарения Е, а атмосферные осадки Р при данном подходе будут мерой ресурсов естественного увлажнения (Будаговский, 1985).

Ресурсы почвенных вод характеризуются тремя параметрами (Будаговский, 1985), дающими представление о возможных масштабах их использования: (¡) параметр водообеспеченности растительного покрова Ег I Ето; (П) параметр структуры ресурсов почвенных вод Ет/Ес; (Ш) параметр резервов ресурсов почвенных вод Ес / Ето. Здесь Ет - фактическая транспирация данного растительного покрова, Ет - потенциальная транспирация (транспирация при оптимальном водоснабжении растений), Ес -

суммарное испарение за безморозный период (за период от полного схода снежного покрова весной до наступления отрицательных температур воздуха осенью).

1.4. Экологический подход к понятию ресурсов почвенных вод

Показано, что циркуляция воды в системе почва - растительный покров -атмосфера осуществляет круговорот биоэлементов во всей системе биоценозов суши, являясь необходимым экологическим ресурсом, используемым биоценозами суши (Гусев, 1993). Экологическая роль почвенных вод дает возможность подойти к понятию об их ресурсах как к одному из важнейших возобновляемых ресурсов, используемых не только человеком, сколько биосферой в целом.

Глава 2

ВОДНЫЙ БАЛАНС ПОЧВЫ И МЕТОДЫ ЕГО РАСЧЕТА

2.1. Уравнение водного баланса почвы

Рассматривается уравнение водного баланса корнеобитаемого слоя почвы, которое в общем случае записывается в виде (Будаговский, 1973)

НК^ = Р-Гс-Гп-Ес±Ои (2)

где Ьк - глубина корнеобитаемого слоя почвы; ¡V - средняя влажность по глубине корнеобитаемого слоя почвы; / - время; Р - интенсивность атмосферных осадков; Ус - интенсивность поверхностного (склонового) стока; Уп - интенсивность почвенного стока; Ес - интенсивность суммарного испарения; - интенсивность вертикального водообмена корнеобитаемого слоя почвы с лежащими ниже его слоями зоны аэрации или с грунтовыми водами.

Анализируются подходы к оценке основных элементов водного баланса корнеобитаемого слоя почвы: атмосферных осадков, вертикального водообмена корнеобитаемого слоя почвы с лежащими ниже горизонтами, склонового стока и почвенного стока. Дается краткий обзор и анализ основных методов расчета суммарного испарения, в результате чего для решения поставленных задач был выбран метод, подробное описание которого приводится ниже.

2.2. Метод расчета суммарного испарения, его составляющих и запасов воды в почве

2.2.1. Расчетные зависимости

Для оценки ресурсов почвенных вод и их параметров используется модель суммарного испарения, позволяющая определить его структуру (Будаговский, 1964). Суммарное испарение Ес в общем случае включает в себя испарение воды почвой Еп и транспирацию ЕТ

ЕС = ЕП + ЕТ (3)

Испарение воды почвой Еп определяется (Будаговский, Шумова, 1976)

Еп = Епа{уУе-р/Е"о+1-е-р/Е'-) (4)

Епо - Ь,ФпОп(1 + Ь2{Ке~*ш - В) (5)

Ф„-е,ы (6)

л °-8и

, 0.7 , 0.02б<р 24513

Ь.=- Ь, =-— <р= 7-Vе Ш

' 1 + 1.56<р' 1 + 1.56<р' (235 + Г/

где Епо - потенциальное испарение воды почвой (испарение со смоченной поверхности почвы); у - эмпирический параметр, зависящий от водно-физических свойств почвы; У - запасы воды в расчетном слое почвы; Р -атмосферные осадки; Ь, и Ь2 - функции температуры воздуха; Фп - функция относительной площади листьев; Оп - функция скорости ветра; с1 - дефицит влажности воздуха; II - радиационный баланс; $ - коэффициент, зависящий от географической широты и времени года; со - относительная площадь листьев; В - поток тепла в почву; и - скорость ветра; <р - производная насыщающей упругости водяного пара от температуры воздуха Т.

Транспирация Ет определяется (Будаговский, Шумова, 1976)

(Е при

то г кр

Е =\ У (а\

г Е — при У<Уа (9>

го V *

«р

Его =Ъ№^ + Ь2[к{1-Ф2е™)--{1-Ф2)в\-{1-Ф2)Еп (Ю) Укр=60 + 4.2Ео (11)

Ео^Ьр&а + Ь^Я-В) (12)

°а = с2и'иг "=и+0-4 (13)

Ф,=(/-е-и), Ф2=е~*»а (14)

где Укр - критические запасы воды в почве, Е0 - потенциальное испарение (при о—► <»); и и - функции скорости ветра; Ф, и Ф2 - функции

относительной площади листьев; с, и с2 — эмпирические коэффициенты.

Расчет запасов воды в почве по интервалам времени г производится по формуле (Будаговский, Шумова, 1976)

Ук={Ун+к/т)г""-к/т (15)

где V4 и VK - запасы воды в почве в начале и конце расчетного интервала времени г соответственно. При У„ & У^ кит определяются по соотношениям

k = + -Р (16)

т = Ф2уЕпос'М£"0 (17)

при К, < Кр кит принимают вид

k = (l-e-'*">)Em-P (18)

т = -¡г^Md + b.Rif-Ф2е-)~)епо + Ъ2в}+ уЕпое~м:"° (]9) ч>

В принципе модель формирования почвенных вод универсальна, то есть может быть использована для оценки динамики суммарного испарения и продуктивных запасов воды в почве в разных физико-географических зонах.

2.2.2. Исходные материалы и техника расчетов

Для расчета суммарного испарения, его составляющих (испарения воды почвой и транспирации) и запасов воды в почве используются средние многолетние материалы стандартных наблюдений 45 агрометеорологических станций, равномерно освещающих территорию лесостепной и степной зон и частично выходящих за ее пределы (рис. 2). Исследуемая территория отличается высокой пространственной неоднородностью. Средний многолетний коэффициент увлажнения (Высоцкий, 1960), полученный по материалам наблюдений указанных выше станций, изменяется от 1,12 на северо-западе исследуемого региона до 0,18 на юго-востоке в низовьях Волги; значения гидротермического коэффициента (Селянинов, 1958) изменяются соответственно от 1,68 до 0,30 (Шумова, 2005). Для характеристики межгодовой изменчивости выбрано 6 характерных станций (Безенчук, Ершов, Каменная Степь, Мироновка, Гигант, Одесса), отражающих все многообразие природных условий исследуемого региона.

Подробно описываются все параметры, входящие в расчетные зависимости, и техника расчетов. Расчет проводится по декадным интервалам времени с начала первой декады после схода снежного покрова весной до конца последней декады с положительной температурой воздуха осенью. Для южных районов, где в зимнее время в среднем за декаду отрицательные температуры воздуха не наблюдаются, расчет проводится за календарный год.

Рис. 2. Схема расположения агрометеорологических станций

Точечные линии - границы лесостепной и степной зон (Берг, 1947; Берг, 1952). Светлые кружки - агрометеорологические станции, для расчетов по которым используются средние многолетние данные; темные - данные за ряд лет. 1 - Нолинск, 2 - Ройка, 3 -Казань, 4 - Немчиновка, 5 - Шокино, 6 - Михайлов, 7 - Самара, 8 - Безекчук, 9 -Ростоши, 10 - Ушаково, 11 - Оренбург, 12 - Воронеж, 13 - Глухое, 14 - Саратов, 15 -Нижнедевицк, 16 - Ершов, 17 - Уральск, 18 - Чикгирлау, 19 - Каменка, 20 - Каменная Степь, 21 - Владимир-Волынский, 22 - Белогоркя, 23 - Мироновка, 24 - Полтава, 25 -Джаныбек, 26 - Беловодск, 27 - Эльтон, 28 - Новая Ушица, 29 - Капустин Яр, 30 -Кировоград, 31 - Черный Яр, 32 - Волноваха, 33 - Константиновский, 34 - Харабали, 35 -Мариуполь, 36 - Кишинев, 37 - Херсон, 38 - Гигант, 39 - Одесса, 40 - Аскания-Нова, 41 -Кирилловна,, 42 - Сарата, 43 - Кореновск, 44 - Краснодар, 45 - Золотушка

2.3. Биометрические параметры растительного покрова

В расчетные зависимости входит величина относительной площади листьев, являющаяся одной из важнейших характеристик растительного покрова. Описывается методика и результаты прямой и косвенной экспериментальной оценки биометрических параметров растительного покрова (Бусарова, Шумова, 1987). Выполненные обобщения экспериментального материала в сочетании с данными стандартных наблюдений агрометеорологических станций позволяют получить значения относительной площади листьев с различной степенью точности в зависимости от наличия материалов наблюдений за посевами сельскохозяйственных культур и учитывая конкретные климатические условия (Шумова, ¡994; 81идтоуа, 1994). Проведенные оценки ошибок показали, что использование в расчетах величин относительной площади листьев, полученных с различной степенью точности, не приводит к существенным погрешностям в расчетах суммарного испарения и его составляющих.

2.4. Оценка точности метода расчета

Оценка точности метода расчета проведена путем сравнения вычисленных запасов воды в метровом слое почвы с измеренными, а также путем сравнения

вычисленных величин суммарного испарения с величинами, полученными по уравнению водного баланса, для полей яровой пшеницы, кукурузы и полей, занятых под пар по девяти станциям лесостепной и степной зон (Омск, Самара, Безенчук, Ершов, Семипалатинск, Мироновка, Черный Яр, Гигант, Одесса) в общей сложности за 76 лет (Шумова, 2003). Среднее квадратическое отклонение рассчитанных величин продуктивных запасов воды в метровом слое почвы от измеренных равно 21 мм, систематическая ошибка составляет 2,5%, что находится в пределах ошибки измерений запасов воды в почве (рис. 3). Среднее квадратическое отклонение рассчитанных величин испарения и величин испарения, полученных по уравнению водного баланса на основе измеренных значений запасов воды в почве и атмосферных осадков, близки аналогичным оценкам точности расчета запасов воды в почве (рис. 4).

Рис. 3. Сравнение измеренных Уи1М и рассчитанных Ур продуктивных запасов воды в метровом слое почвы

Рис. 4. Сравнение нарастающих сумм испарения, полученных по уравнению водного баланса Ее 6 и рассчитанных Ер

Выполненные оценки показывают, что модель обладает достаточной точностью и может быть использована для расчетов суммарного испарения и запасов воды в почве как в условиях применения традиционной агротехники, так и при оценке эффективности различных приемов управления водным режимом почвы.

Глава 3

РЕСУРСЫ ПОЧВЕННЫХ ВОД И ИХ ФОРМИРОВАНИЕ

3.1. Ресурсы почвенных вод лесостепной и степной зон

Как было сказано выше, количественной оценкой ресурсов почвенных вод является величина суммарного испарения за безморозный период. В результате проведенных по зависимостям (3) - (19) расчетов получены средние многолетние величины суммарного испарения посевов яровой пшеницы, представленные на рис. 5. На этом рисунке довольно четко прослеживается

тенденция уменьшения испарения с северо-запада на юго-восток. Кроме того, обнаруживается локальная пестрота, когда две близко расположенных друг от друга станций имеют заметно различные значения исследуемой величины (Шумова, 1991).

Рис. 5, Средние многолетние величины суммарного испарения полей яровой пшеницы за безморозный период, мм

Рис. 6. Средние многолетние величины весеннего пополнения продуктивных запасов воды в метровом слое почвы АУ3, мм

Для лесостепной и степной зон, где сток дождевых осадков наблюдается редко и пренебрежимо мал по сравнению с годовым стоком, а водообмен между почвенными и грунтовыми водами на сельскохозяйственных полях практически отсутствует, для периода от полного схода снежного покрова и стекания талых вод до наступления отрицательных температур воздуха осенью (безморозный период) справедливо соотношение

Ее = ^ , - Уеес - Кх (20)

где Ес - суммарное испарение за безморозный период; Ртет - осадки безморозного периода; ДУ„,ет - изменение запасов воды в почве за безморозный период; Уеес и Уж - запасы воды в почве в начале (весной) и в конце (осенью) безморозного периода. Для средних многолетних условий справедливо соотношение АУтет где ЛУЪ - изменение запасов воды в

почве за зиму (весеннее пополнение запасов воды в почве).

В результате выполненных расчетов для полей яровой пшеницы лесостепной и степной зон получены средние многолетние величины продуктивных запасов воды в почве на момент полного схода снежного покрова весной У^ и на момент перехода температуры воздуха через 0°С осенью Уж и оценены величины весеннего пополнения запасов воды в почве (рис. 6). Величины весеннего пополнения запасов воды в почве АУ3 отличаются значительной пространственной изменчивостью, основные причины которой анализируются на примере результатов расчетов для трех

сравнительно близко расположенных агрометеорологических станций -Воронежа, Нижнедевицка и Каменной Степи (Шумова, 1991). Наименьшие значения весеннего пополнения запасов воды в почве наблюдаются на северо-западе исследуемого района, составляя во Владимире-Волынском 4 мм, в Шокипо - 25 мм, наибольшие - на востоке, достигая в Оренбурге 164 мм. Межгодовая изменчивость величин весеннего пополнения запасов воды в почве ЛУ3 отличается значительными величинами средних квадратических отклонений, которые изменяются для характерных станций от42 до 55 мм при средних значениях от 30 до 79 мм, а коэффициенты вариации для станций Мироновка, Гигант и Одесса равны или превышают единицу. На всех шести характерных станциях имеют место случаи, когда к моменту полного схода снежного покрова запасы воды в почве У,ес оказываются ниже, чем их осенние значения Ух.

На основании эмпирической зависимости между средними многолетними значениями суммарного испарения за безморозный период Ес и осадками того же периода Ртеы (рис. 7) оценены зональная и локальная величина весеннего пополнения запасов воды в почве (Шумова, 1991). На рис. 7 пунктиром показана прямая, отвечающая случаю, когда суммарное испарение за безморозный период равно осадкам за тот же период Ес = Ртет. Отрезок ординаты между пунктирной прямой и кривой Ес = /(Ртеш,) равен средней

(зональной) величине весеннего пополнения запасов воды в почве АУ,. А такой же отрезок между пунктирной прямой и конкретной точкой равен локальной величине весеннего пополнения запасов воды в почве АУ3. Разность между указанными величинами можно рассматривать в качестве величины, характеризующей локальную пространственную неоднородность весеннего пополнения запасов воды в почве ЗУ, причинами которой являются различия локальных условий снегораспределсния и водопроницаемости почв в период снеготаяния и стекания талых вод. Значения величин локальных отклонений весеннего пополнения запасов воды в почве 8У на исследуемой территории (рис. В) находятся в диапазоне от -54 мм (Владимир-Волынский) до +49 мм (Капустин Яр).

Показано, что средняя многолетняя величина ресурсов почвенных вод (суммарного испарения с сельскохозяйственных полей за безморозный период) практически не зависит от вида возделываемой культуры и, что существенно важно, для их приближенной оценки можно использовать средние многолетние величины суммарного испарения с речных бассейнов, вычисленных по уравнению водного баланса на основе материалов измерения речного стока и атмосферных осадков (Шумова, 2005). Различия между величинами суммарного испарения с сельскохозяйственных полей за безморозный период и испарения с речных бассейнов за год лежат в пределах ошибок измерения зимних осадков или вводимых в них поправок.

Рис. 7. График связи между средними многолетними осадками Рщепл и суммарным испарением с сельскохозяйственных полей Е^ за безморозный период

&Уз и ЛК, - соответственно зональная и локальная величина весеннего пополнения запасов воды в почве

Рис. 8. Средние многолетние величины локальной пространственной неоднородности весеннего пополнения запасов воды в метровом слое почвы 8У, мм Темными кружками отмечены станции, на которых 8У > О

Выполненное сравнение средних многолетних величин ресурсов почвенных вод лесостепной и степной зон и величин валового увлажнения территории (Дрейер, 1969; Львович, 1969), которое в лесостепной и степной зонах практически равно величине испарения, показало, что значения валового увлажнения выше соответствующих значений ресурсов почвенных вод в среднем на 38%. Вероятной причиной отмеченных расхождений могут быть осадки, используемые для оценок: при расчетах валового увлажнения территории использовались осадки с поправками к показаниям осадкомера, а при расчетах ресурсов почвенных вод - без поправок.

Оценки межгодовой изменчивости суммарного испарения за безморозный период показали, что при средних для характерных станций величинах испарения от 456 мм (Мироновка) до 305 мм (Ершов) значения среднего квадратического отклонения для всех станций (за исключением Ершова) изменяются в довольно узких пределах от 56 до 62 мм при среднем значении равном 58 мм; для засушливого юго-востока его величина возрастает до 78 мм. Коэффициент вариации изменяется в пределах от 0,13 до 0,16 при среднем значении равном 0,15; исключение также составляет Ершов, где коэффициент вариации достигает 0,26.

Выявлена тенденция увеличения суммарного испарения с сельскохозяйственных полей лесостепной и степной зон во второй половине XX века (рис. 9).

Рис. 9. Межгодовая динамика суммарного испарения с сельскохозяйственных полей на станциях Ершов, Каменная Степь и Гигант

3.2. Струкггура суммарного испарения

В результате выполненных расчетов наряду с суммарным испарением Ес были определены величины испарения воды почвой Еп и транспирации Ет полей яровой пшеницы лесостепной и степной зон. Средние многолетние величины испарения воды почвой полей яровой пшеницы Еп за безморозный период (рис.10) лежат в диапазоне от 354 мм (Краснодар) до 150 мм (Харабали). При средних многолетних величинах испарения воды почвой для характерных станций от 256 мм (Мироновка) до 183 мм (Ершов) среднее квадратическое отклонение величин Еп находится в диапазоне 27-41 мм; коэффициент вариации изменяется от 0,13 до 0,22.

РисЛО. Средние многолетние величины испарения воды почвой полей яровой пшеницы за безморозный период Еп, мм

Рис.П. Средние многолетние величины транспирации посевов яровой пшеницы Ет, мм

Представленные на рис.Ю средние многолетние величины испарения воды почвой полей яровой пшеницы за безморозный период заметно ниже оценок величин непродуктивного испарения с сельскохозяйственных полей, занятых зерновыми культурами, представленными в работе (Чернышев, Коронкевич, Иванова, 1994), и в отдельных районах исследуемой территории различия достигают 100-150 мм. Возможными причинами указанных расхождений в оценках величин непродуктивного испарения могут являться как различия в методических подходах к их оценке, так и использование исходной информации - в частности использования данных об осадках.

Средние многолетние величины транспирации посевов яровой пшеницы Ет в лесостепной и степной зонах изменяются от 230 мм в Новой Ушице до 57 мм в Джаныбеке (рис.11). При средних значениях транспирации для характерных станций от 201 мм (Мироновка) до 123 мм (Ершов) среднее квадратическое отклонение лежит в пределах от 29 до 42 мм, а коэффициент вариации - от 0,16 до 0,35.

Величины потенциальной транспирации посевов яровой пшеницы Ето для исследуемого региона находится в пределах от 191 во Владимире-Волынском до 335 мм в Джаныбеке (рис. 12). Среднее квадратическое отклонение величин Ето для характерных станций лежит в пределах от 16 до 41 мм при средних значениях от 246 мм в Мироновке до 300 мм в Ершове; коэффициент вариации изменяется от 0,07 до 0,15.

Имеющиеся данные позволяют определить, насколько продуктивно расходуются ресурсы почвенных вод (ЗЬишоуа, 2000). Диапазон изменения параметра структуры ресурсов почвенных вод Ет / Ес составляет 0,49-0,24 (рис. 13). Иными словами в средний по водности год доля транспирации в суммарном испарении полей яровой пшеницы за безморозный период составляет от 49 до 24 %, что согласуется с данными, приведенными в работе

(Ананьева, Самарина. 1986), согласно которым для зерновых культур доля транспирации в суммарном испарении за безморозный период составляет 3238%. При средних для характерных станций значениях параметра Ет / Ес от 0,46 до 0,39 среднее квадраткческое отклонение изменяется в пределах от 0,04 до 0,06; коэффициент вариации - от 0,09 до 0,16.

Рис. 12. Средние многолетние величины потенциальной транспирации посевов яровой пшеницы Ето, мм

Рис. 13. Средние многолетние значения параметра структуры ресурсов почвенных вод Ет / Ес посевов яровой пшеницы за безморозный период

Анализ структуры суммарного испарения позволяет сделать вывод о том, что большая часть ресурсов почвенных вод идет на испарение воды почвой - то есть расходуется непродуктивно.

3.3. Влияние антропогенно изменяемых факторов на величину суммарного испарения и его составляющие

К антропогенно изменяемым факторам суммарного испарения отнесены весенние запасы воды в почве и относительная площадь листьев - эти величины могут задаваться по соображениям практического характера. Весенние запасы воды в почве можно увеличить за счет задержания весеннего стока талых вод на сельскохозяйственных полях или за счет влагозарядковых поливов, а величина относительной площади листьев может быть задана из практических соображений варьируя густотой посева. Выполненные исследования показали, что изменение на определенную величину весенних запасов воды в почве приводит практически к такому же изменению величины суммарного испарения, при этом лишь 65% от увеличения весенних запасов воды в почве пойдет на увеличение транспирации (Будаговский, Шумова, 1983). Что касается относительной площади листьев со^ка то при ее изменении от 5 до 1 суммарное испарение поля яровой пшеницы за безморозный период уменьшается лишь на 4%, то сеть практически остается неизменным (ЭЬитоУа, 1994). В то же время структура суммарного испарения претерпевает значительные изменения - доля транспирации в суммарном испарении

снижается с 44% при &шкс = 5 до 24% при <откс = 1. Из этого следует, что при разреженных посевах ресурсы почвенных вод расходуются менее эффектитвно.

3.4. Внутригодовая динамика составляющих баланса почвенных вод

На основе обширного материала, полученного в результате расчетов, выполненных с декадным временным шагом и охватывающих период от полного схода снежного покрова весной до наступления отрицательных температур воздуха осенью, анализируется динамика суммарного испарения, его составляющих (испарения воды почвой и транспирации) и продуктивных запасов воды в метровом слое почвы полей яровой пшеницы в разные по водности годы (Шумова, 2010).

3.5. Весенние запасы почвенных вод и их формирование

Анализируется пространственная и временная изменчивость весенних продуктивных запасов воды метрового слоя почвы , сформировавшихся к моменту полного схода снежного покрова (Шумова, 1993). На фоне явно прослеживающейся тенденции уменьшения с северо-запада на юго-восток, их распределение на территории лесостепной и степной зон характеризуется сильной пестротой (рис. 14). К северной границе лесостепной зоны значения средних многолетних величин весенних продуктивных запасов воды в почве достигают наименьшей влагоемкости. А в низовьях Волги, за пределами степной зоны, они близки к критическим, которые приняты за критерий достаточности продуктивных запасов воды в почве для нормального развития растений. Естественно, что к моменту посева яровой пшеницы, а тем более всходов, в этих районах продуктивные запасы воды в почве становятся еще меньше. На рис. 14 выделено три зоны: влажная (150-200 мм), умеренно влажная (100-150 мм) и недостаточно влажная (50-100 мм), что согласуется с данными (Вериго, Разумова, 1973; Сикицина, 1959). При средних для характерных станций значениях продуктивных запасов воды в почве Увес от 124 до 169 мм среднее квадратическое отклонение изменяется в пределах от 31 до 50 мм; коэффициент вариации составляет 0,22-0,37, что согласуется с данными (Кельчевская, 1983). Оценивается, насколько обеспечены запасы воды в почве Укс, равные наименьшей влагоемкости и их критические значения.

Базой, на которой происходит формирование весенних запасов воды в почве Увес, являются запасы воды в почве, сформировавшиеся на момент перехода температуры воздуха через 0°С осенью предыдущего года Уж (Шумова, 1993). Средняя многолетняя величина осенних запасов воды метрового слоя почвы Ум для рассматриваемой территории изменяется от очень высоких значений на северо-западе (Шокино - 235 мм, Владимир Волынский - 178 мм) до крайне низких значений на юго-востоке, опускаясь ниже 20 мм, причем прослеживается явная тенденция их уменьшения с северо-запада на юго-восток (рис.15). Средние квадратические отклонения

продуктивных запасов воды в почве Уж для характерных станций довольно высокие и изменяются от 23 мм (Ершов) до 59 мм (Мироновка) при средних значениях Уж от 43 до 118 мм; коэффициент вариации изменяется в узких пределах и принимает значения от 0,46 до 0,53.

Рис. 14. Средние многолетние весенние продуктивные запасы воды в метровом слое почвы полей яровой пшеницы, мм

Пунктиром показаны границы зон: I — влажная, II — умеренно-влажная, III ~ недостаточно влажная

Рис. 15. Средние многолетние осенние продуктивные запасы воды в метровом слое почвы полей яровой пшеницы , мм

Показано влияние основных климатообразующих факторов на формирование величины весенних запасов воды в почве. Проведено сравнение составляющих баланса почвенных вод в осеннее-зимний период с данными (Комаров, 1959; Коронкевич, 1970; Атлас мирового водного..., 1974). Обсуждается использование физико-математических моделей (Гусев, 1993) для вычисления характеристик режима почвенных вод в зимне-весенний период.

ВОДООБЕСПЕЧЕННОСТЬ ПОСЕВОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР

4.1. Подходы к оценке водообеспеченности

Приводится краткая характеристика основных методов оценки водообеспеченности посевов сельскохозяйственных культур (Алпатьев, 1954; Будыко, 1971; Константинов, 1968; Селянинов, 1958; Харченко, 1975; Шашко, 1967; Allen, Pereira, Raes, Smith, 1998). В данной работе для оценки водообеспеченности посевов сельскохозяйственных культур используется параметр Ет/ Его (Шумова, 2001). Если величина отношения Ег/ Ет0 равна 1, это значит, что растения не испытывают недостатка влаги. Если отношение Ет / Ето меньше единицы, то запасы воды в почве ограничивают транспирацию, а, следовательно, рост и развитие растений, то есть имеет место

Глава 4.

засуха.

Представление об абсолютных величинах влаги, которой не хватает растениям, можно получить через дефицит транспирации, определяемый как разность между величиной потенциальной транспирации Ет0 и ее фактическим значением Ет (БЬштхл'а, 2000).

4.2. Методы расчета потенциального испарения и их оценка

Дается краткий обзор наиболее известных методов определения потенциального испарения (Будаговский, 1964; Будыко, 1956; Будыко, Зубенок, 1961; Иванов, 1954; Константинов, 1968; Мезенцев, 1962; Ольдекоп, 1911; Тюрк, 1958; Holdridge, 1959; МоШекЬ, 1985; ТЬогп&угаие, 1948) и приводятся результаты расчетов средних многолетних годовых величин потенциального испарения для лесостепной и степной зон, полученные по этим методам (Черенкова, Шумова, 2007). Выполненный анализ полученных результатов позволил сделать вывод, что из тринадцати рассмотренных методов расчета наиболее надежными для использования на территории лесостепной и степной зон являются методы А.И.Будаговского, Пенмана-Монтейта, Н.Н.Иванова, А.Р.Константинова, М.И.Будыко (на основе дефицита влажности воздуха) и Э.М.Ольдекопа.

4.3. Водообеспеченность посевов сельскохозяйственных культур в лесостепной и степной зонах

Рассчитанные величины транспирации Ет и потенциальной транспирации Ето позволили оценить значения параметра водообеспеченности и дефицита транспирации посевов яровой пшеницы как средние многолетние, так и за отдельные годы. На рис. 16 представлены средние многолетние величины водообеспеченности посевов яровой пшеницы за периоды всходы - полная спелость и по основным фазам развития растений (Шумова, 2001). В средний по водности год за вегетационный период в целом параметр водообеспеченности Ет / Ето не достигает единицы на всей территории лесостепной и степной зон и изменяется в пределах от 0.8 на северо-западе лесостепной зоны до 0.3 в низовьях Волги. Это свидетельствует о том, что засухи здесь распространены повсеместно и отличаются только интенсивностью.

В начальные фазы развития растений - всходы и третий лист - величина Ет / Ето не достигает единицы лишь за пределами степной зоны в низовьях Волги. Но уже с фазы кущение засуха пересекает юго-восточную границу степной зоны и начинает свое движение в более северные районы. К фазе колошения засухой охвачена уже практически вся исследуемая территория за исключением северо-запада и юга. Такое пространственное распространение засухи прослеживается до фазы молочная спелость, усиливается лишь ее интенсивность. К фазе полной спелости засухой охвачена уже вся территория лесостепной и степной зоны.

Рис. 16. Средняя многолетняя водосбеспсчениость посевов яровой пшеницы Ет / Е10 всего вегетационного периода (всходы - полная спелость) и по основным фазам развития растений. Темные кружки - растения не испытывают недостатка влаги (ЕТ1ЕТ0=\), светлые кружки - водообеспеченность растений ниже оптимальной (имеет место засуха), цифрами показаны величины отношений Ет IЕт0

Между водообеспеченностью всего вегетационного периода и водообеспеченностью в отдельные фазы развития растений существует довольно тесная зависимость (рис. 17).

1 02

Р 0.4 ы

0 02 0.4 06 0.8 1 ЕТ/ЕТО

О 02 0.4 0.6 0.8 1 ЕТ/ЕТО

° Р

0.8 °

I" И Р 0.4 ы ОЛ оГ4 -О ¿г о Тъ

02 у хохош*кие

0 02 0.4 0.6 0«

ЕТ/ЕТО

Г*

02 О

1НХОД1 туубху

0.8 лтолочяах Р

сие коса /

ё06 /о

Ё 04 охг

0 0.2 0.4 0.6 08 1

ЕТ/ЕТО

О 02 0.4 0.6 0.8 1 ЕТЛГГО

О 02 0.4 0£ 0.8 1 ЕТ/ЕТО

Рис. 17. Зависимость величины водообеспеченности посевов яровой пшеницы в основные фазы развития растений ЕТ1ЕТ0Ф от водообеспеченности всего

вегетационного периода ЕТ!ЕТ0

Что касается межгодовой изменчивости, то за вегетационный период в целом величина Ет / Ето достигает единицы лишь в 20% случаев даже в наиболее благоприятной по увлажнению Мироновке, в 14% случаев в Каменной Степи, и в 4% случаев в Гиганте и никогда не достигает единицы в Безенчуке, Ершове и Одессе. Другими словами в Безенчуке, Ершове и Одессе засуха наблюдается каждый год, отличаясь лишь интенсивностью. При средних значениях водообеспеченности вегетационного париода посевов яровой пшеницы для характерных станций от 0,42 (Ершов) до 0,82 (Мироновка) коэффициент вариации соответственно изменяется от 0,43 до 0,20.

На рис. 18 показаны кривые обеспеченности параметра Ет/Ет для всего вегетационного периода (всходы - полная спелость) и в основные фазы развития яровой пшеницы в Каменной Степи. Если рассматривать водообеспеченность посевов яровой пшеницы по отдельным фазам развития растений, то из шести характерных станций растения полностью обеспечены влагой в начальные фазы развития (всходы, третий лист) лишь в Гиганте. На остальных пяти станциях на фазу всходов засуха имеет место в 4% случаев в Безенчуке, Каменной Степи, Мироновке и Одессе и около 30% случаев - в Ершове. Полностью охвачены засухой все годы в Безенчуке к фазе цветения, в Ершове - к фазе молочная спелость, в Одессе - к фазе восковая спелость.

Рис. 18. Кривые обеспеченности параметра ЕТ1ЕТ09 по основным фазам развития яровой пшеницы в Каменной Степи

Критическим периодом к влаге для яровой пшеницы в засушливых регионах считается период от фазы кущения до колошения. Так называемое понятие «продуктивное использование растениями влаги» включает формулу: 30% урожая планируется в период кущения зерновых, 60% - в период колошения, 10% - в период налива. Расчеты показывают, что в фазу кущения засуха наблюдается в 25% случаев в Безенчуке, в 42% - в Ершове, в 9% - в Каменной Степи, и в 4% случаев - в Мироновке, Гиганте и Одессе. В фазу колошения засуха отмечается в 88% случаев в Безенчуке и Ершове, в 54% случаев в Каменной Степи, в 33% - в Мироновке, в 62% - в Гиганте и 46% - в Одессе. К фазе молочной спелости засуха наблюдается ежегодно в Безенчуке и Ершове, в 82% случаев в Каменной Степи, в 58% - в Мироновке, в 88% - в Гиганте и в 83% - в Одессе. По мере снижения водообеспеченности при переходе от одной фазы развития растений к другой возрастает изменчивость водообеспеченности. Наибольший диапазон изменения коэффициента вариации характерен для Ершова - от 0,15 в фазу всходов до 0,81 в фазу молочной спелости, а наименьший для Мироновки (от 0,03 в фазу всходов до 0,48 в фазу полной спелости).

Средняя многолетняя величина дефицита транспирации посевов яровой пшеницы ¿Ет (рис. 19) равна нулю только на севере за пределами лесостепной зоны (Немчиновка, Шокино), то есть здесь растения не испытывают недостатка влаги. В низовьях Волги дефицит транспирации составляет 246 мм (Харабали). На рис. 20 представлена зависимость между параметром водообеспеченности Ет / Ето и дефицитами транспирации <1ЕГ.

Наибольшие значения дефицита транспирации посевов яровой пшеницы (1ЕГ для характерных станций наблюдаются в Ершове и достигают 346 мм, в наиболее увлажненные годы дефицит транспирации может снизится до 50 мм.

Более благоприятные условия обеспечены в Мироновке, где максимальная величина дефицита транспирации <1ЕТ не превышает 120 мм, а каждый шестой год посевы яровой пшеницы вовсе не испытывают недостатка в воде. При средних значениях дефицита транспирации ¿Ет для характерных станций 45177 мм значения среднего квадратического отклонения лежат в пределах 41-72 мм, а коэффициенты вариации изменяются в пределах от 0,40 в Ершове до 0,90 в Мироновке.

Рис. 19. Средние многолетние величины дефицита транспирации посевов яровой пшешщы за период вегетации ёЕт, мм

Рис. 20. Зависимость между параметром водообеспеченности Ет1Его и дефицитом транспирации ¿Ет

Построена зависимость (Шумова, 2001) между урожаем зерна яровой пшеницы, полученным при использовании традиционной агротехники, и водообеспеченностью Ет/Ею (рис. 21), в основе которой лежат подходы, предлагаемые в (Кириличева, 1967) - темные точки и в (Мещанинова, 1971) -светлые точки. Коэффициент корреляции между значениями водообеспеченности Ет / Ет0 и урожаем в первом случае равен 0,98, во втором 0,90 при среднем значении 0,93. Для обеспечения минимального урожая зерна яровой пшеницы в лесостепной и степной зоне величина отношения Ет / Ето в среднем за вегетационный период должна быть не менее 0.2. В условиях оптимального увлажнения (когда Ет / Ег0 = 1) урожай зерна яровой пшеницы на исследуемой территории может достигать 25 центнеров с гектара.

Наблюдаемые с начала 1950-х годов климатические изменения привели к увеличению водообеспеченности посевов сельскохозяйственных культур на юге Русской равнины (рис. 22). Повысилась урожайность всех зерновых и зернобобовых культур, в том числе за годы перестройки с обвальным ухудшением культуры земледелия, что свидетельствует об улучшении агроклиматических условий территории, среди которых ведущая роль принадлежит водному фактору.

0,4 0,6 Ет/Нто

Рис. 21. Зависимость урожая зерна яровой пшеницы от водообеспеченпости вегетационного периода Ет/ Ето Светлые кружки - урожай зерна рассчитан по уравнению Н.Б.Мещаниновой, темные - по уравнению К.В.Кириличевой.

1.о

0.8

£ <>.6 ¡гЧ 1-;

ш 0.4

14511

1,0

0,8

1980

о 0,6

Ы 0.4 (О

и'

0.«

2 о.о (а

ш 0.-1

Каменная Степь

|<)чо 2000

о.Ч

Рис. 22. Межгодовая динамика водообеспеченности посевов яровой пшеницы на станциях Ершов, Каменная Степь и Гигант

4.4. Резервы возможного повышения водообеспеченности

Количественное представление о резервах возможного повышения водообеспеченности (резервах, ресурсов почвенных вод) посевов сельскохозяйственных культур (Shumova, 2000) дает параметр Ес / Ею (рис. 23), величина которого для наиболее увлажненных северо-западных районов рассматриваемой территории достигает 2,0, для средне засушливых районов она не менее 1,5 и только для острозасушливых районов юго-востока она снижается до 1,0; и лишь для таких уникальных районов как низовья Волги -до 0,8. Для характерных станций величина параметра Ес / Ето больше 1 и находится в пределах от 1,87 (Мироновка) до 1,05 (Ершов), что свидетельствует об имеющихся резервах повышения водообеспеченности посевов. Величина среднего квадратического отклонения параметра резервов ресурсов почвенных вод для характерных станций лежит в пределах 0,29-0,37, а коэффициент вариации составляет от 0,16 (Мироновка) до 0,32 (Ершов).

Рис. 23. Средние многолетние значения параметра резервов ресурсов почвенных вод посевов яровой пшеницы за безморозный период Ес/Ето Темными кружками отмечены станции, на которых Ес 1Ет < 1

Приведенные материалы показывают, что в средний по водности год практически на всей территории лесостепной и степной зон для яровой пшеницы или любой другой культуры с такой же продолжительностью вегетационного периода в принципе можно довести водообеспеченность посевов до оптимальной не прибегая к дополнительным затратам воды на орошение, а используя лишь имеющиеся резервы ресурсов почвенных вод, то есть за счет изменения структуры суммарного испарения путем снижения непродуктивной составляющей.

Глава 5.

ДЕФИЦИТ ВОДОПОТРЕБЛЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР

5.1. Проблемы использования водных ресурсов в орошаемом земледелии

Площадь орошаемых земель в нашей стране за последние годы (2000-2005) составила 3,6% от площади пашни (Охрана окружающей среды..., 2006).

Сосредоточены орошаемые земли в основном на юге Европейской территории России. В нижнем течении Волги и Дона густота оросительной сети, вычисленная по аналогии с густотой речной сети, составляет от 0,16 до 12.9 км/км2, что позволяет говорить о чрезвычайно высокой антропогенной нагрузке в южных регионах России. Рассматриваются негативные последствия орошения и эффективность использования воды, забираемой из природных источников. Анализируются традиционные подходы к оценке безвозвратного водопотребления в орошаемом земледелии, которое является важнейшей составляющей водохозяйственного баланса.

5.2. Методика расчета дефицита водопотребления

Из уравнения водного баланса дефицит водопотребления (оросительная норма нетто) записывается в виде (Шумова. 1994)

с1Е~Еор-Р-{Уи-Ук) (21)

где ЛЕ - дефицит водопотребления; Еор - суммарное испарение орошаемого

поля; Р - атмосферные осадки; Уч и Ух - продуктивные запасы воды в почве на начало и конец расчетного периода. Расчет проводится по декадным интервалам времени и начинается с начальных продуктивных запасов воды в почве по соотношению (15), где к и т определяются согласно (16) и (17) соответственно. Когда продуктивные запасы воды в почве снижаются до критических, которые определяются по соотношению (11), назначается полив, при котором величина продуктивных запасов воды в почве доводится до наименьшей влагоемкости. Нормы поливов и их число определяются по соображениям принципиального и практического характера при условии, что в течение всего вегетационного периода продуктивные запасы воды в почве не должны опускаться ниже критических.

Суммарное испарение при орошении Еор складывается в общем случае из транспирации ЕТ0, определяемой по зависимости (10), и испарения воды почвой Еп, определяемого по соотношению (4)

К = Ею+Е п (22)

Дефицит водопотребления (оросительная норма нетто) определяется по соотношению (21).

При расчетах суммарного испарения при орошении и оросительных норм нетто используются материалы стандартных наблюдений метеорологических станций и величины радиационного баланса, рассчитанные по методике (Берлянд, 1960; Берлянд, Берлянд, 1952). При расчетах дефицита водопотребления задается оптимальная величина относительной площади листьев (о^.

5.3. Безвозвратное водопотребление при орошении

С использованием приведенной методики получены средние многолетние величины составляющих водного баланса орошаемых полей яровой пшеницы

по материалам 45 агрометеорологических станций лесостепной и степной зон, по материалам шести из которых проведена оценка межгодовой изменчивости (Шумова, 1994). Средние многолетние величины дефицита водопотребления посевов яровой пшеницы с1Е равны нулю (то есть посевы яровой пшеницы в средний по водности год полностью обеспечены влагой) на северо-западе, за пределами лесостепной зоны, а в низовьях Волги дефицит водопотребления достигает 400 мм и более (рис. 24).

Анализ величин дефицита водопотребления (IЕ характерных станций показывает, что лишь в Каменной Степи и Мироновке в отдельные годы посевы яровой пшеницы полностью обеспечены влагой, чего вовсе не наблюдается на остальных характерных станциях. Значения среднего квадратического отклонения величин дефицита водопотребления с1Е. на характерных станциях изменяются довольно значительно (от 70 до 106 мм) при средних величинах от 123 мм (Мироновка) до 325 мм (Ершов). Наименьшие коэффициенты вариации (0,31-0,32) характерны для засушливых Безенчука и Ершова, средние (0,41-0,38) - Гиганта и Одессы и высокие (0.56) - наиболее благополучных по увлажнению Каменной Степи и Мороновке.

Рис. 24. Средний многолетний дефицит водопотребления (оросительная норма нетто) посевов яровой пшеницы йЕ, мм

Рис. 25. Среднее многолетнее суммарное испарение с орошаемых полей яровой пшеницы за безморозный период Емм

Величины среднего многолетнего суммарного испарения с орошаемых полей яровой пшеницы за безморозный период Еор составляют 500-600 мм на северо-западе лесостепной зоны, увеличиваясь к южной границе степной зоны до 700 мм и более (рис. 25). Те же тенденции в пространственном

распределении характерны для транспирации ЕТор, которая изменяется от 251 до 450 мм, и испарения воды почвой ЕПор, изменяющегося от 201 до 368 мм (рис. 26 и 27).

Рис. 26. Средняя многолетняя транспирация орошаемых посевов яровой пшеницы за период вегетации £г„р, мм

Рис. 27. Среднее многолетнее испарение воды почвой орошаемых полей яровой пшеницы за безморозный период ЕЯор, мм

Статистические оценки величин дефицита водопотребления, суммарного испарении (включая транспирацию и испарение воды почвой), выполненные по материалам шести характерных станций, позволили сделать вывод, что среди составляющих элементов водного баланса орошаемого поля яровой пшеницы величина дефицита водопотребления с1Е характеризуется наибольшей изменчивостью, коэффициент вариации составляет 0,31-0,56; суммарное испарение Еор, испарение воды почвой ЕПор и транспирация ЕТор имеют изменчивость, характеризующуюся коэффициентами вариации 0,06-0,16.

Глава 6.

АГРОГИДРОЛОГИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИЕМОВ «СУХОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ» В ЛЕСОСТЕПНОЙ И СТЕПНОЙ ЗОНАХ РОССИИ

6.1. Агротехнические приемы регулирования почвенных вод

Снижение интенсивности и повторяемости засух на посевах неорошаемых культур в принципе возможно лишь за счет воды, которая теряется для земледелия в виде поверхностного стока, сносимого с полей снега и непродуктивного испарения (испарения воды почвой). На использование именно этих резервов направлены широко проводящиеся агротехнические мероприятия и снежные мелиорации. Приводится обзор агротехнических приемов обработки почвы, парования полей и применения мульчирования, направленных на накопление и сохранение запасов воды в почве. Рассматриваются климатические (Шикломанов, Георгиевский, 2003) и антропогенные (Государственный национальный доклад, 2007) причины увеличения стока с сельскохозяйственных полей, начавшиеся с 1990-х годов.

6.2. Задержание стока талых вод на полях

Задержание стока талых вод на полях не только является несомненным

резервом повышения водообеспеченности посевов сельскохозяйственных культур, но может рассматриваться и как средство борьбы с водной эрозией почвы и смывом удобрений и ядохимикатов с сельскохозяйственных полей. При оценках влияния задержания стока талых вод на сельскохозяйственных полях в лесостепной и степной зонах на водообеспеченность посевов яровой пшеницы принято, что величина задержанного стока составляет 80% от стока весеннего половодья по В.Д.Комарову (Комаров, 1959), и увеличение транспирации в этом случае будет равно 65% от величины задержанного стока. Значения водообеспеченности посевов яровой пшеницы при задержании 80% стока весеннего половодья на сельскохозяйственных полях показаны на рис. 28 (вЬишоуа, 1997). На рис. 29 представлен график связи между величинами параметра водообеспеченности посевов яровой пшеницы в условиях применения традиционной агротехники Ет / Ею и при задержании на сельскохозяйственных полях 80 % стока весеннего половодья ЕТсток / ЕТ0. Для районов, где весенний сток больше, параметр водообеспеченности возрастает на 20%, а где меньше - на 10%.

0 0,2 0,4 0,6 0,8

Ет/Его

Рис. 28. Средние многолетние значения параметра водообеспеченности посевов яровой пшеницы при задержании 80 % стока весеннего половодья ЕТшш< / Ето Рис. 29. График связи между величинами водообеспеченности посевов яровой пшеницы в условиях применения традиционной агротехники Ет/Ето и при задержании 80 % стока весеннего полок од 1-я Е1Ъп1ш / Его

В основу оценки влияния зяблевой пахоты на водообеспеченность посевов яровой пшеницы положена кривая коэффициента уменьшения склонового с тока в зависимости от годовой величины осадков (Коронкевич, 1970), согласно которой в лесостепной зоне величина стока с сельскохозяйственных полей под влиянием зяблевой пахоты в среднем уменьшается в 2,7 раза, а в степной зоне -в 8,8 раз. Увеличение транспирации составит в данном случае 65% от величины стока, задержанного в результате применения зяблевой пахоты. Выполненные исследования показали, что эффективность применение зяблевой пахоты в

целях повышения водообеспеченности посевов и мероприятий по задержанию 80% стока весеннего половодья практически одинакова (ЗЬишоуа, 1997).

6.3. Парование полей

В основе оценки эффективности влияние чистых паров на водообеспеченность посевов лежат результаты расчетов запасов воды в почве и испарения на паровых полях и полях, занятых посевами яровой пшеницы (ЗЬштюуа, 1997). Метод расчета испарения и запасов воды в почве парового поля является частным случаем метода расчета суммарного испарения, при котором расчет сводится к определению испарения поды оголенной почвой по зависимости (4), в которой величина потенциального испарения Епо определяется как

Епо=Ь,Опй + Ь2{Я-В) (23)

Запасы воды в почве рассчитываются по зависимости (15), где к и т принимают следующие значения

к = (/ - е'р/Ет )епо - Р (24)

т = уЕпое-''/Е"" (25)

Расчет испарения и запасов воды в почве парового поля выполнен на основе тех же метеорологических элементов и начальных запасов воды в почве как и для полей яровой пшеницы в условиях применения традиционной агротехники. Различие состояло в том, что при расчете по пару относительная площадь листьев принималась равной нулю, а на поле, занятом яровой пшеницей, относительная площадь листьев а>мтс принималась равной трем.

Средние многолетние величины испарения парового поля Етр на исследуемой территории изменяются в пределах от 473 до 211 мм (рис. 30). Разница в испарении парового поля и поля, занятого посевом яровой пшеницы, доходит в довольно увлажненных районах до 22%. В засушливых районах юго-востока разница в испарении парового поля и поля, занятого посевом яровой пшеницы, составляет лишь 5%. Например, на станции Харабали (низовья Волги) средняя многолетняя величина испарения поля, занятого яровой пшеницей, составляет 222 мм, а парового поля - 211 мм. Средние значения испарения парового поля для характерных станций лежат в диапазоне от 270 мм (Ершов) до 385 мм (Мироновка). Среднее квадратическое отклонение изменяется от 42 до 63 мм, коэффициент вариации лежит в пределах 0,12-0,15. Исключение, как и в случае поля, занятого посевами яровой пшеницы, составляет Ершов, где коэффициент вариации равен 0,23.

В районах с большим количеством осадков с парового поля испаряются только осадки безморозного периода Ртепя, а в засушливых районах на испарение парового поля наряду с осадками безморозного периода расходуются и весенние запасы почвенных вод Увес. На рис. 31 показаны

границы, в пределах которых на испарение парового поля расходуются не только осадки безморозного периода, но и весенние запасы воды в почве. Сохранение весенних запасов воды в почве на паровом поле к моменту наступления отрицательных температур воздуха осенью может наблюдаться за пределами указанной зоны, а в ее пределах осенние запасы воды в почве парового поля ниже, чем те, которые наблюдаются весной.

Рис. 30. Средние многолетние величины испарении парового поля Е^ за безморозный период, мм

Рис. 31. Средние многолетние значения разностей продуктивных запасов воды в метровом слое почвы на чистом пару и на полях яровой пшеницы к моменту наступления отрицательных температур воздуха осеньюИ^,,^ -К^мм Штриховой линией показаны границы, внутри которых отношение осадков безморозного периода к испарению парового поля меньше единицы

На рис. 31 также представлены изолинии средних многолетних разностей продуктивных запасов воды в метровом слое почвы к моменту наступления отрицательных температур воздуха осенью на чистом пару и полей яровой пшеницы У„С1Шр — У ос. Хорошо прослеживается тенденция уменьшения указанных разностей с северо-запада на юго-восток; диапазон этого изменения находится в пределах от 97 до 14 мм запасов воды метрового слоя почвы. Средние значения величин Vк пар ~ для характерных станций изменяются от 34 мм (Ершов) до 87 мм (Одесса). Средние квадратические отклонения величин Ужпар — У ос колеблются в пределах от 14 до 25 мм. Наибольший коэффициент

вариации наблюдается в Ершове и составляет 0,49, затем следует Безенчук и Каменная Степь (0,34 и 0,32 соответственно) и остальные станции Гигант, Одесса и Мироновка (0,24-0,21).

Анализируется внутригодовая динамика продуктивных запасов воды в почве парового поля и поля, занятого посевами яровой пшеница на характерных станциях.

При оценках влияния посева яровой пшеницы по пару на ее водообеспеченность принято, что весенние запасы воды в почве увеличиваются

на величину разности запасов воды метрового слоя почвы парового поля и поля, занятого посевом яровой пшеницы, на момент наступления отрицательных температур воздуха осенью Ухшг-У„. Анализ материалов расчетов показал, что практически одного и того же эффекта повышения водообеспеченности посевов яровой пшеницы можно достичь мероприятиями по задержанию 80% весеннего стока на сельскохозяйственных полях, зяблевой пахотой и парованием полей, но при этом задержание стока и зяблевая пахота сочетаются с получением урожая в тот же год.

6.4. Снижение непродуктивного испарения

6.4.1. Подходы к оценке испарения воды почвой

Рассматриваются гидрологические аспекты применения поверхностно-активных веществ (ПАВ) на сельскохозяйственных полях, в результате обработки которыми почва приобретает гидрофобные свойства, и приводится зависимости для расчета испарения воды почвой, обработанной ПАВ (Будаговский, Шумова, 1976). Приводится детальная методика оценки испарения воды почвой при наличии соломенной мульчи, в основе которой лежат данные о числе дней с осадками различной величины.

Разработан упрощенный метод оценки испарения воды почвой при наличии мульчи (Шумова, 2010), в основе которого лежит график (рис. 32), на оси абсцисс которого отложены величины ЕП0 / п0 ( Епо - месячные значения потенциального испарения воды почвой, п0 - число дней с осадками >0.1 мм), на оси ординат - значения Еш / п0 (Ет - месячные величины испарения воды почвой при мульчировании). Данный трафик позволяет по рассчитанной величине Епо/па определить значение Еш / п0, а затем Еш за месяц. Выбор ветви на графике осуществляется в соответствие с месяцем, для которого производится расчет.

0 20 40 60 80 100 120

Рис. 32. График связи между приведенными потенциальным испарением воды почвой Епо /па и испарением воды почвой при мульчировании Ет1п0 I - июнь, июль, август; II - май, сентябрь, октябрь; Ш-апрель, ноябрь; IV-март

Использование графика (рис. 32) намного упрощает расчет испарения воды почвой при мульчировании, сохраняя при этом приемлемую точность. Коэффициент корреляции между величинами испарения воды почвой при мульчировании, полученными с использованием подробных данных о числе

дней с осадками различной величины и по графику (рис. 32), равен 0.94.

6.4.2. Испарение и водообеспеченпость посевов при мульчировании почвы

Анализируются результаты расчетов составляющих водного баланса сельскохозяйственных полей лесостепной и степной зоны при мульчировании почвы (Шумова, 2010). Величина суммарного испарения за безморозный период при мульчировании почвы или сохраняет свое первоначальное значение, или же уменьшается по сравнению с суммарным испарением в условиях применения традиционной агротехники. То есть для средних многолетних условий можно записать Емут / Ес < 1, где Ещ.т - суммарное испарение при мульчировании почвы. Для засушливой части исследуемой территории характерно равенство Емут / Ес = 1, а для более влажных регионов - Е^ / Ес < \ (рис. 33).

В среднем при мульчировании почвы величина отношения Емуп / Ес на территории лесостепной и степной зон может составить 0,94, то есть суммарное испарение при мульчировании почвы может уменьшиться на 6%. Если рассматривать конкретные станции, то в среднем многолетнем разрезе уменьшение суммарного испарения за безморозный период может доходить до 23-25% (Владимир-Волынский и Краснодар), что в абсолютных величинах составляет 105 и 135 мм соответственно.

При анализе динамики суммарного испарения на характерных станциях можно отметить, что в отдельные годы мульчирование приводит к снижению суммарного испарения, а в последующие накопленная в почве вода может привести к его увеличению (за счет увеличения транспирации), что характерно, например, для Ершова (рис. 34), где средние величины суммарного испарения в условиях применения традиционной агротехники Ес и при мульчировании почвы Емулч практически одни и те же. В Каменной Степи снижение суммарного испарения при мульчировании почвы может составить 7% или 25 мм.

Рис. 33. Средние многолетние величины отношений Е^„/Ес

Темными кружками показаны случаи, когда Ем^„ = Ес

Рис. 34. Межгодовая динамика суммарного испарения полей яровой пшеницы за безморозный период в условиях применения традиционной агротехники Ес (светлые кружки) и при мульчировании почвы Е (темные кружки) в Ершове и Каменной Степи

Анализируется межгодовая изменчивость суммарного испарения при мульчировании почвы. Показано, что доля транспирации в суммарном испарении при мульчировании почвы в исследуемом регионе может в среднем составить 62%.

Выполненные расчеты величин транспирации и потенциальной транспирации посевов яровой пшеницы при мульчировании почвы позволили получить параметры водообеспеченности как средние многолетние так и за ряд лет (БЬитоуа, 1997; Шумова, 2010). При мульчировании почвы на значительной части лесостепной зоны засухи в средний по водности год могут полностью прекратиться, а на остальной территории рассматриваемого региона их интенсивность станет меньше (рис. 35).

Рис. 35. Средняя многолетняя водообеспеченность посевов яровой пшеницы при мульчировании почвы ЕТ1 ЕТОщш для всего вегетационного периода (всходы - полная

спелость)

Рис. 36. График связи между величинами водообеспеченности посевов яровой пшеницы в условиях применения традиционной агротехники Ег/Ето и при наличии мульчи

Ет / Е То кулч

Соотношение между средними многолетними величинами водообеспеченности посевов яровой пшеницы за период вегетации в условиях применения традиционной агротехники Ет / Ет0 и при мульчировании почвы Ет / ЕЮмулч (рис. 36) показывает, что в случаях, когда в условиях применения традиционной агротехники параметр Ет / Ет не опускается ниже 0,6, при наличии мульчи растения не будут испытывать недостатка влаги. В других же случаях при наличии мульчи водообеспеченность посевов возрастает в 1,6 раза.

Если рассматривать отдельные фазы развития растений, то при мульчировании почвы к моменту всходов яровой пшеницы растения полностью обеспечены влагой. В начальные фазы развития растений (третий лист, кущение, выход в трубку) засуха проявляется лишь на юго-востоке исследуемой территории за пределами степной зоны. И только к фазе колошения начинается медленное продвижение засухи в степную зону. К фазе полной спелости засуха распространяется на степную и часть лесостепной зоны, охватывая немногим более половины всей исследуемой территории.

Получена зависимость между параметрами водообеспеченности посевов яровой пшеницы при мульчировании почвы для отдельных фаз развития растений ЕТ / Етфмут в зависимости от его значения за вегетационный период в условиях применения традиционной агротехники ЕТ / Ет0 (81штоуа, 2002).

При средних для характерных станций значениях водообеспеченности посевов яровой пшеницы при мульчировании почвы от 1,00 в Мироновке до 0,71 в Ершове среднее квадратическое отклонение составляет 0-0,19, коэффициент вариации 0-0,27.

При мульчировании почвы удается полностью избежать засух в Мироновке. В Каменной Степи каждые два года их трех растения не будут испытывать недостатка влаги, в Гиганте - каждый второй год, в Одессе — каждый третий. В Безенчуке 1 раз в 12 лет и в Ершове 1 раз в 24 года водообеспеченность яровой пшеницы может достичь оптимального уровня.

Проведенные расчеты показывают, что снижение непродуктивного испарения в исследуемом регионе позволяет использовать для повышения водообеспеченности посевов яровой пшеницы (как и других ранних яровых культур) 104 км3 резервов ресурсов почвенных вод, что составляет около 56% от потребности воды на орошение всех засушливых земель исследуемой территории (Будаговский, Шумова, 1983).

Заключение

положений модели для практического применения в лесостепной и степной зонах, включая определение отдельных параметров. В целях обоснования достоверности основных выводов и точности полученных количественных величин проведена оценка точности модели, которая показала, что среднее квадратическое отклонение рассчитанных величин продуктивных запасов воды метрового слоя почвы от измеренных равно 21 мм, а систематическая ошибка равна 2,5%, что находится в пределах ошибки измерений влажности почвы. Характер и величина случайных расхождений между значениями испарения, определенными расчетным путем и по методу водного баланса, близки аналогичным оценкам точности расчета запасов воды в почве.

Количественной мерой ресурсов почвенных вод является суммарное испарение за безморозный период. Полученные в результате расчетов величины суммарного испарения и его составляющих позволили выявить закономерности их пространственного распределения, межгодовой и внутригодовой изменчивости. Предложен метод, на основании которого выполнена оценка и анализ локальной неоднородности пространственного распределения суммарного испарения, обусловленной различиями условий снегораспределения и водопроницаемости почв в период снеготаяния.

Посевы сельскохозяйственных культур в лесостепной и степной зонах подвержены систематическим засухам. Расчеты показывают, что потребность в воде ранних яровых культур в средний по водности год обеспечивается на 80% на северо-западе исследуемой территории, снижаясь до 30% к низовьям Волги. Построена зависимость урожая зерна яровой пшеницы от водообеспеченности посева. Отмечается, что ресурсы почвенных вод расходуются крайне непродуктивно. Доля транспирации в суммарном испарении полей яровой пшеницы составляет 30-40%. Анализ полученных данных показал, что практически полного снижения засух можно достичь при изменении структуры суммарного испарения за счет снижения его непродуктивной составляющей.

В результате применения наиболее известных приемов агрогидрологического регулирования почвенных вод - задержание стока талых вод на сельскохозяйственных полях, зяблевая пахота, применение черных паров - происходит увеличение весенних запасов воды в почве. Вследствие этого практически на ту же величину возрастает суммарное испарение. В случае посева ранних яровых культур 65% от увеличения весенних запасов воды в почве идет на транспирацию, а 35% - на испарение воды почвой. Выполненные исследования показывают, что задержание стока талых вод, зяблевая пахота и парование полей могут привести к увеличению водообеспеченности посевов ранних яровых культур на юге Русской равнины на 10-20%. Это позволяет в средний по водности год избежать засух на северо-западе лесостепной зоны. При применении мульчирования почвы на значительной части лесостепной зоны в средний по водности год возможно полное прекращение засух, а на остальной части рассматриваемой территории водообеспеченность посевов может возрасти на 60%. Разработан метод, существенно упрощающий расчет испарения воды почвой при мульчировании, сохраняя при этом приемлемую точность.

Основные результаты работы отражены в следующих публикациях.

В рецензируемых журналах:

1. Шумова Н.А. Влияние мульчирования на суммарное испарение полей яровой

пшеницы на юге Русской равнины // Метеорология и гидрология. 2010. № 2. С. 82-91.

2. Shumova N.A. Crop water supply and its relation to yield of spring wheat in the

south of Russian plane // Journal of Hydrology and Hydromechanics. 2009. Vol. 57. N I. P. 26-39.

3. Черенкова ЕЛ., Шумова H.A. Испаряемость в количественных показателях

климата // Аридные экосистемы. 2007. Том 13. № 33-34. С. 57-69.

4. Шумова Н.А. Оценка уязвимости гидротермических условий и зональных

границ аридных территорий при различных сценариях изменения климата // Аридные экосистемы. 2007. Том 13. № 32. С. 34-46.

5. Шумова Н.А. Оценка точности модели для расчета динамики запасов воды в

почве // Метеорология и гидрологтя. 2003. № 10. С. 97-106.

6. Shumova N.A. The impact of soil mulching on the intensity and occurrence of

droughts in wheat crops of the former Soviet Union // International Journal of Ecohydrology and Hydrobiology. 2002. Vol. 2. No 1-4. P. 315-317.

7. Шумова H.A. Исследование естественной водообеспеченности посевов в

лесостепной и степной зонах // Метеорология и гидрология. 2001. № 11 С. 79-89.

8. Shumova N.A.Approach and evaluation of soil water resources in an arid region of

the European steppe zone territory // Journal of Hydrology and Hydromechanics. 2000. Vol. 48. N 6. P. 381-398.

9. Shumova N.A. Validation of a model for estimation of the available soil water

storage II Journal of Hydrology and Hydromechanics. 1999. Vol. 47. N 2. P. 103-116.

10. Шумова H.A. Относительная площадь листьев в расчетах испарения

посевов яровой пшеницы И Водные ресурсы. 1994. Том 21. N 6. С. 697703.

11. Шумова Н.А. Оценка оросительных норм для посевов яровой пшеницы //

Водные ресурсы. 1994. Том 21. N 2. С. 225-230.

12. Shumova N.A. The leaf area index and évapotranspiration from spring wheat

crops // Journal of Hydrology and Hydromechanics. 1994. Vol. 42. N 4-5. P. 297-314.

13. Шумова Н.А. Весенние запасы продуктивной влаги в почве на полях яровой

пшеницы // География и природные ресурсы. 1993. N 1. С. 100-107.

14. Шумова Н.А. Водообеспеченность посевов яровой пшеницы лесостепной и

степной зон европейской территории Советского Союза // Геогорафия и природные ресурсы. 1991. N 1.С. 112-117.

15. Бусарова О.Е., Шумова Н.А. Экспериментальная проверка функции

относительной площади листьев в модели суммарного испарения // Водные ресурсы. 1990. N 1. С. 175-178.

16. Бусарова О.Е., Шумова Н.А. Биометрические характеристики посевов

некоторых сельскохозяйственных культур и их использование для расчетов испарения // Водные ресурсы. 1987. N 2. С. 130-135.

17. Будаговский А.И., Шумова H.A. Методы анализа структуры суммарного

испарения и оценки эффективности его регулирования // Водные ресурсы. 1976. N6. С. 83-98.

В монограф иях:

18. Шумова H.A. Закономерности формирования водопотребления и

водообеспеченности агроценозов в условиях юга Русской равнины. М., Наука. 2010.239 с.

19. Шумова H.A. Прогноз воздействия возможных изменений климата на

гидротермические условия и урожай сельскохозяйственных культур лесостепной и степной зон // Оценка влияния изменения режима вод суши на наземные экосистемы. М.: Наука, 2005. С. 71-107.

В других изданиях:

20. Шумова H.A. Суммарное испарение в южных регионах России // Степи

Северной Евразии. Оренбург, ИПК «Газпромпечать», 2006. С. 799-802.

21. Шумова H.A. Оценка воздействия возможных изменений климата на

динамику гидротермических условий Прикаспийского региона // Биоресурсы и биоразнообразие экосистем Поволжья: прошлое, настоящее, будущее. Саратов, Изд-во Саратовского университета, 2005. С. 72-75.

22. Шумова НА. Оценка адекватности климатических моделей условиям

лесостепной и степной зон II Заповедное дело России: проблемы охраны и экологической реставрации степных экосистем. Оренбург, ИПК "Газпромпечать", 2004. С. 197-199.

23. Шумова H.A. Локальная неоднородность весеннего пополнения запасов

воды в почве в лесостепной и степной зонах // Степи Северной Евразии. Эталонные степные ландшафты: проблемы охраны, экологической реставрации и использования. Оренбург, ИПК "Газпромпечать", 2003. С. 593-596.

24. Шумова H.A. Динамика гидротермических условий Прикаспия при

различных сценариях изменения климата // Эколого-биологические проблемы бассейна Каспийского моря. Астрахань, Изд-во Астраханского государственного университета, 2003. С. 204-206.

25. Шумова H.A. Об испарении с сельскохозяйственных полей и речных

бассейнов в лесостепной и степной зонах // Экология речных бассейнов. Владимир, Изд-во Владимирского государственного университета, 2002. С. 109-112.

26. Shumova N.A. Soil water resources assessment for agricultural fields in the

forest-steppe and steppe zones // Agriculture and Natural Resources. Moscow, Timiriazev Agricultural Academy, 2002. Vol. 2. P. 1033-1037.

27. Shumova N.A. Influence of soil mulching on crop water supply regime // Physics

of soil water. Slovak Republic, Michalovce, 2001. P. 60-64.

28. Shumóva N.A. On intensity and recurrence of droughts in the forest-steppe and

steppe zones // Reconstructions of climate and its modelling. Poland, Crakow, Instytut Geograffi UJ, 2000. P. 423-428.

29. Shumova N.A. On the evaluating the effectiveness of the soil water management

in the forest-steppe and steppe zones // Stochastic Hydraulics 2000. China, Beijing, 2000. P. 429-435.

30. Shumova N.A. On the determination of nonreturnable consumption of water in

inigation agriculture // Water Resources - Use and Protection. Bulgaria, Sofia, 1998. P. 94-99.

31. Shumova N.A. Generalize estimates of the effectiveness of the agrohydrological

methods of the soil water management // Management of Landscapes Disturbed by Channel Incision. Oxford Campus, The University of Mississippi, 1997. P. 433-438.

32. Shumova N.A. On tentative estimates of normal evapotranspiration from

agricultural fields during frost-free period // Meteorological Processes in the boundary layer of the atmosphere. Bratislava, 1996. P. 173-178.

33. Shumova N.A. The effect of the leaf area index on the values of

evapotranspiration and its components // Proceedings The Second International Study conference on GEWEX in Asia and GAME. Thailand, Pattaya, 1995. P. 331-334.

34. Shumova N.A. The estimation of soil water resources // Advances in Hydro-

Science and -Engineering. 1995. Vol. 2. Part A. China, Beijing, TSINGHUA, University Press. P. 930-937.

35. Shumova N.A. The spatial and temporal variation of the available soil water

storage in spring, autumn and changes in the available soil water storage over the winter // Hydrological Processes in the Catchment. Poland, Cracow, 1995. P. 381-390.

36. Shumova N.A. Estimation of the changes in the available soil water storage over

the winter. International GEWEX Workshop on Cold-season/region Hydrometeorology. Canada, Alberta, Banff, 1995. P. 88-92.

37. Shumova N.A. Estimation of the spring available soil water storage // Ground

Water Ecology. Atlanta, Georgia, 1994. P. 359-364.

38. Будаговский А.И., Шумова H.A. Ресурсы почвенных вод и их роль в

решении водохозяйственных задач // Научные основы рационального использования, охраны и управления водными ресурсами. Ч. 1. Москва, Изд-во Московского Университета, 1983. С. 166-175.

Подписано в печать:

25.08.2010

Заказ № 4013 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Содержание диссертации, доктора географических наук, Шумова, Надежда Афанасьевна

Введение.

Глава 1. Почвенные воды и их ресурсы.

1.1. Общие положения.

1.2. Основы учения о почвенных водах.

1.3. Ресурсы почвенных вод и подходы к их оценке.

1.4. Экологический подход к понятию ресурсов почвенных вод.

Глава 2. Водный баланс почвы и методы его расчета.

2.1. Уравнение водного баланса почвы.

2.2. Метод расчета суммарного испарения, его составляющих и запасов воды в почве.

2.2.1. Расчетные зависимости.

2.2.2. Исходные материалы и техника расчетов.

2.3. Биометрические параметры растительного покрова.

2.4. Оценка точности метода расчета.

Глава 3. Ресурсы почвенных вод и их формирование.

3.1. Ресурсы почвенных вод лесостепной и степной зон.

3.2. Структура суммарного испарения.

3.3. Влияние антропогенно изменяемых факторов на величину суммарного испарения и его составляющие.

3.4. Внутригодовая динамика составляющих баланса почвенных вод.

3.5. Весенние запасы почвенных вод и их формирование.

Глава 4. Водообеспеченность посевов сельскохозяйственных культур.

4.1. Подходы к оценке водообеспеченности.

4.2. Методы расчета потенциального испарения и их оценка.

4.3. Водообеспеченность посевов сельскохозяйственных культур в лесостепной и степной зонах.

4.4. Резервы возможного повышения водообеспеченности.

Глава 5. Дефицит водопотребления посевов сельскохозяйственных культур.

5.1. Проблемы использования водных ресурсов в орошаемом земледелии

5.2. Методика расчета дефицита водопотребления.

5.3. Безвозвратное водопотребление при орошении.

Глава 6. Агрогидрологическая эффективность приемов «сухого земледелия» в лесостепной и степной зонах России.

6.1. Агротехнические приемы регулирования почвенных вод.

6.2. Задержание стока талых вод на полях.

6.3. Парование полей.

6.4. Снижение непродуктивного испарения.

6.4.1. Подходы к оценке испарения воды почвой при мульчировании.

6.4.2. Испарение и водообеспеченность посевов при мульчировании почвы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Ресурсы почвенных вод и водообеспеченность агроценозов в условиях юга Русской равнины"

Актуальность проблемы. Сочетание обилия света и тепла с высоким плодородием почв способствовало превращению лесостепной и степной зон Русской равнины в агроландшафт. В лесостепной и степной зонах производится наибольшее количество товарного зерна и продуктов животноводства. Засухи в этих регионах представляют обычное явление и для различных частей этой территории отличаются лишь интенсивностью и повторяемостью. Результатом развития орошения как радикального средства борьбы с засухами в ряде регионов лесостепной и степной зон стало локальное переувлажнение земель и часто сопутствующее ему засоление, что явилось причиной деградации высокопродуктивных черноземов и сделало эти земли непригодными для сельскохозяйственного использования. Это делает актуальным разработку гидрологических основ управления ресурсами почвенных вод, которые используются недостаточно эффективно, и поиск вариантов оптимизации их режима, направленного на снижение интенсивности и повторяемости засух. Разразившийся к настоящему времени кризис продовольствия на мировых рынках, приведший к резкому скачку цен на сельскохозяйственную продукцию, а также наметившийся в последнее время переход на альтернативные источники энергии -биологическое топливо - придают еще большую актуальность проблеме рационального использования ресурсов почвенных вод с целью получения достаточно высоких, а тем более устойчивых урожаев возделываемых культур.

Снижение интенсивности и повторяемости засух на посевах неорошаемых культур в принципе возможно за счет более полного использования атмосферных осадков в вегетационный период. Это связано с решением задач о задержании снега и талых вод на полях для повышения весенних запасов почвенных вод, а также с уменьшением испарения воды почвой в период от схода снежного покрова до смыкания посевов и после уборки урожая до наступления зимы. Основы научной базы в решение этих задач были заложены В.В.Докучаевым и развивались его учениками и последователями П.А.Костычевым, А.А.Измаильским, Г.Н.Высоцким, А.Н.Костяковым, А.А.Роде, В.А.Ковдой, Ф.Ф.Давитая, С.А.Вериго, Л.А.Разумовой, Л.С.Кельчевской, С.В.Зонном и др. Исследования, связанные с развитием предложенного комплекса мероприятий «сухого земледелия», направленных на снижение интенсивности и повторяемости засух, а также поиском новых приемов по борьбе с засухами, продолжаются по настоящее время. Обычно эти исследования проводятся на уровне агрономических опытов путем сравнения урожая опытного участка с контролем. Обобщение и перенос полученных результатов на другие условия, существенно изменяющиеся в пространстве и во времени, встречает большие трудности.

В 1950-х годах с возрастанием масштабов хозяйственной деятельности человека актуальными становятся разработки, позволяющие выявить приемлемость различных вариантов изменения гидрологического режима территории и учета последствий таких изменений для почвенных вод. Особое место в этом направлении занимают исследования М.И.Львовича, который считал, что почвенные воды играют ведущую роль в формировании водного баланса территории. Эти идеи получили развитие в работах Е.П.Чернышева, Н.И.Коронкевича и др.

В 1980-х годах А.И.Будаговским было введено понятие ресурсов почвенных вод и намечены основные направления развития учения о почвенных водах и их ресурсах: биофизическое (физика почвенных вод), географическое и прикладное (инженерно-агрономическое). Задачей биофизического направления является изучение физической сущности процессов формирования почвенных вод. В рамках этого направления А.И.Будаговским разработана модель формирования почвенных вод в безморозный период. Исследования в области формирования почвенных вод были продолжены и существенно углублены Е.М.Гусевым. Им была дана экологическая трактовка понятия ресурсов почвенных вод, разработан полный комплекс моделей формирования почвенных вод в осеннее-весенний период, разработаны динамико-стохастические модели формирования почвенных вод при мульчировании.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

1. Выбор подхода к оценке ресурсов почвенных вод и водообеспеченности посевов сельскохозяйственных культур.

4. Оценка и выявление закономерностей формирования водообеспеченности агроценозов.

5. Определение дефицита водопотребления (оросительная норма нетто) посевов сельскохозяйственных культур. 6. Оценка гидрологической эффективности задержания стока талых вод на полях, зяблевой пахоты, парования и мульчирования почвы.

На защиту выносятся:

2. Результаты оценки и анализ условий формирования ресурсов почвенных вод на юге Русской равнины. Метод определения локальной неоднородности пространственного распределения суммарного испарения.

3. Результаты оценки и анализ водообесеченности агроценозов на юге Русской равнины.

4. Результаты оценки гидрологической эффективности приемов «сухого земледелия», направленных на снижение интенсивности и повторяемости засух. Метод расчета испарения воды почвой при мульчировании.

Выявлены и проанализированы закономерности географического распределения и временной изменчивости параметров, показывающих:

- эффективность использования ресурсов почвенных вод агроценозами;

- водообеспеченность агроценозов, оцениваемую через величину транспирации исходя из потребности растений во влаге и из того, насколько-эта потребность удовлетворяется в конкретных природно-климатических условиях;

- резервы возможного повышения водообеспеченности агроценозов.

2005), Ежегодная молодежная научная конференция "Актуальные проблемы экологии в сельскохозяйственном производстве" (пос. Персиановский, Ростовская обл., 2003 и 2004), Всероссийский конгресс работников водного хозяйства (Москва, 2003), Всемирная конференция по изменению климата (Москва, 2003), Международная конференция "Взаимодействие общества и окружающей среды в условиях глобальных и региональных изменений" (Барнаул, 2003), International Conference on Water Problems in the Mediterranean countries (Nicosia, North Cyprus, 1997), European Geophysical Society, 22nd General Assembly (Vienna, Austria, 1997), European Conference on Applied Climatology (Norrkoping, Sweden, 1996), Regional workshop on climate variability and climate change vulnerability and adaptation (Praha, Czech Republic, 1995), V школа-семинар "Системные исследования водных проблем" (Москва, 1993), International Symposium "Advances in water sciences" (Stara lesna, Slovakia, 1993), Научно-практическая конференция "Стратегия экологической безопасности России" (Санкт-Петербург, 1992), а также на семинарах Лаборатории физики почвенных вод и Лаборатории наземных экосистем под влиянием водного фактора ИВП РАН, совместном заседании лабораторий гидрологии и климатологии Института географии РАН, совместном заседании секций Ученого совета ИВП РАН «Водные ресурсы и управление ими» и «Качество вод и экология». Основные положения диссертации отражены в 47 статьях и монографии; в журналах, рекомендованных ВАКом, опубликовано 10 статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка использованной литературы. Работа содержит 237 страниц компьютерного текста, включая 114 рисунков и 14 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 213 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

Заключение Диссертация по теме "Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия", Шумова, Надежда Афанасьевна

всходы

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Ет/Ето жхж!о>о-ооср

0 02 0,4 0,6 0,8 1 Ет/Ето

0 0,2 0,4 0,6 0,8

Ет/Ето

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Ег/Ето

Рис. 6.4.10. Зависимость величины водообеспеченности посевов яровой пшеницы в основные фазы развития растений при мульчировании почвы Ет/Етфмулч от водообеспеченности в условиях применения традиционной агротехники Ет / Ето

Представление о межгодовой изменчивости параметра водообеспеченности посевов яровой пшеницы при мульчировании почвы Ет / ЕТО{М) дают кривые обеспеченности (рис. 6.4.11). Расчеты показывают, что при мульчировании почвы удается полностью избежать засух в Мироновке. В Каменной Степи каждые два года их трех растения не будут испытывать недостатка влаги, в Гиганте - каждый второй год, в Одессе - каждый третий. В Безенчуке один раз в 12 лет и в Ершове один раз в 24 года водообеспеченность яровой пшеницы может достичь оптимального уровня. 1

0.75 с; Г

В 0,5 ■8 w 0,25 0

JOOoo,

OOOOQ

3Ооо

Оо

Безенчук

25 50 75

Обеспеченность, %

100 1 0,75 | о 0,5 Щ й0.25 0

Роо,

Ооо,

О0|

00о-о,

ООООо

Ершов V

25 50 75

Обеспеченность, % 1 г 0,75 с: г

О 0,5 ш0,25 О гОООООООООО ООО ООО

Каменная Степь

25 50 75 100

Обеспеченность, %

1 ¡ОООООООООООООООООООООООО] хО,75 4 5

В 0,5 ш0,25

Мироновка

25 50 75

Обеспеченность, %

100 г 0,75

8 0,5 Щ

0,25

ЭООООООООООООоо0000 Л

25 50 75

Обеспеченность, %

100

Рис. 6.4.11. Кривые обеспеченности параметра водообеспеченности посевов яровой пшеницы при мульчировании почвы

Более осторожные оценки эффективности влияния мульчирования почвы на водообеспеченность посевов яровой пшеницы на юге Русской равнины, выполненные по модифицированной методике, представлены в работе (Джоган, Гусев, 2003). Это касается как средних многолетних величин, так и данных за отдельные годы. Причина расхождений может заключаться в способе определения начальных запасов воды в почве, с которых начинается расчет. Согласно (Гусев, Джоган, 2000), в расчетах в качестве начальных запасов воды в почве как для случая применения традиционной агротехники, так и при мульчировании почвы использовались одни и те же значения - первые измеренные на агрометеорологической станции запасы воды в почве. В настоящей работе реализуется иной подход к оценке начальных запасов воды в почве при мульчировании, описание которого приводится в предыдущем разделе 6.4.1.

Следует отметить, что при оценках влияния мульчирования почвы на водообеспеченность посевов яровой пшеницы на юге Русской равнины (Джоган, Гусев, 2003) как в случае отсутствия мульчирующего покрытия так и при его наличии лежит зависимость (2.2.2), в основу которой положены выводы теории тепломассообмена. Здесь испарение воды почвой рассчитывается по двум разным алгоритмам: при отсутствии мульчирующего покрытия по эмпирической формуле (2.2.9), а при мульчировании почвы по зависимости (2.2.2).

Для оценки того, как методическая неоднородность моделирования процесса испарения воды почвой может сказаться на точности его (испарения воды почвой) определения, проведены расчеты испарения воды почвой для случая отсутствия мульчирующего покрытия по эмпирической формуле (2.2.9) ЕП(229) и по формуле

2.2.2) ЕП(222). В первом случае (при расчетах Еп(220)) использовались измеренные декадные величины осадков, во втором (при расчетах ЕП(222)) — сумма осадков за месяц и число дней с осадками различной величины, то есть месячные данные. Для расчетов использованы материалы метеорологических наблюдений характерных станций за отдельные годы.

Результаты сравнения величин испарения воды почвой полей яровой пшеницы за безморозный период, полученные по формулам (2.2.9) и (2.2.2) показаны на рис. 6.4.12. Коэффициенты корреляции между ЕП(229) и ЕП(222) для станций Безенчук, Ершов, Гигант и Одесса лежат в пределах 0,91-0,94. Более низкие коэффициенты корреляции отмечаются на станциях Каменная Степь - 0,84 и Мироновка - 0,48. Из этого можно сделать вывод, что чем больше увлажнена территория, тем больше расхождения между значениями испарения воды почвой, полученными разными методами. Если исходить из того, что мульчирование не должно изменять структуру гидрологического цикла (то есть не должно приводить к переувлажнению земель), то при его применении должно выполняться условие Ес = Е. Как было показано выше, это условие в среднем выполняется в

Безенчуке и Ершове, небольшие расхождения (8-11 мм) наблюдаются в Гиганте и Одессе, и более значительные - в Каменной Степи (25 мм) и Мироновке (82 мм). Поэтому в данном случае, когда выполняется условие Ес = Емулч, правомерно обратиться для расчета испарения воды почвой как к формуле (2.2.9), так и (2.2.2).

Рис. 6.4.12. Сравнение рассчитанных за отдельные годы значений испарения воды почвой полей яровой пшеницы за безморозный период по эмпирической формуле ЕП(229) и по формуле, учитывающей просохший слой ЕП(222) для характерных станций

Проведенные расчеты показывают, что снижение непродуктивного испарения в исследуемом регионе позволяет использовать для повышения водообеспеченности посевов яровой пшеницы (как и других ранних яровых о культур) 104 км резервов ресурсов почвенных вод, это составляет около 56% потребности воды на орошение всех засушливых земель исследуемой территории (Будаговский, Шумова, 1983).

Заключение

В основе выполненных исследований лежат теоретические положения модели формирования почвенных вод, разработанной А.И.Будаговским в рамках учения о почвенных водах и их ресурсах. При данном подходе почвенные воды рассматриваются как гидрологический ресурс, необходимый для роста и развития растительного покрова. Этот ресурс имеет количественную оценку и набор параметров, дающих представление о возможных масштабах его использования. Выполнена адаптация основных положений модели для практического применения в лесостепной и степной зонах, включая определение отдельных параметров. В целях обоснования достоверности основных выводов и точности полученных количественных величин проведена оценка точности модели, которая показала, что среднее квадратическое отклонение рассчитанных величин продуктивных запасов воды метрового слоя почвы от измеренных равно 21 мм, а систематическая ошибка равна 2,5%, что находится в пределах ошибки измерений влажности почвы. Характер и величина случайных расхождений между значениями испарения, определенными расчетным путем и по методу водного баланса, близки аналогичным оценкам точности расчета запасов воды в почве.

В результате применения наиболее известных приемов агрогидрологического регулирования почвенных вод - задержание стока талых вод на сельскохозяйственных полях, зяблевая пахота, применение черных паров — происходит увеличение весенних запасов воды в почве. Вследствие этого практически на ту же величину возрастает суммарное испарение. В случае посева ранних яровых культур 65% от увеличения весенних запасов воды в почве идет на транспирацию, а 35% - на испарение воды почвой. Выполненные исследования показывают, что задержание стока талых вод, зяблевая пахота и парование полей могут привести к увеличению водообеспеченности посевов ранних яровых культур на юге Русской равнины на 10-20%. Это позволяет в средний по водности год избежать засух на северо-западе лесостепной зоны. При применении мульчирования почвы на значительной части лесостепной зоны в средний по водности год возможно полное прекращение засух, а на остальной части рассматриваемой территории водообеспеченность посевов может возрасти на 60%. Разработан метод, существенно упрощающий расчет испарения воды почвой при мульчировании, сохраняя при этом приемлемую точность.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора географических наук, Шумова, Надежда Афанасьевна, Москва

1. Агрогидрологические свойства основных типов почв Украинской ССР. Вып. 2. Киев, 1955. 95 с.

2. Агрогидрологические свойства почв центральных областей нечерноземной полосы Европейской территории СССР. JL: Гидрометеоиздат, 1952. 267 с.

3. Аллен Х.П. Прямой посев и минимальная обработка почвы. М.: Агропромиздат, 1985.208 с.

4. Алпатьев A.M. Влагооборот культурных растений. Л.: Гидрометеоиздат, 1954. 246 с.

5. Алпатьев A.M. Влагообороты в природе и их преобразование. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. 323 с.

6. Алпатьев С.М. О поливных режимах сельскохозяйственных культур // Орошаемое земледелие в Европейской части СССЗ. М.: Колос, 1965. С. 185-190.

7. Ананьева Л.М., Самарина H.H. Структура радиационно-теплового баланса естественных и природно-антропогенных геосистем лесостепи // Геоситемный мониторинг. М.: Ин-т географии АН СССР, 1986. С. 35-45.

8. Атлас географический справочный. М.: ГУГК, 1987. 296 с.

9. Атлас мирового водного баланса. М.-Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 65 с.

10. Атлас теплового баланса земного шара. М.: МГК, 1963. 69 с.

11. Базилевич Н.И., Родин Л.Е. Географические закономерности продуктивности и круговорота химических элементов в основных типах растительности Земли // Общие теоретические проблемы биологической продуктивности. Л.: Наука, 1969. С. 24-33.

12. Безднина С.Я. Проблемы использования водных ресурсов в агропромышленном комплексе // Тезисы докладов Всероссийского конгресса работников водного хозяйства. М.: Министерство природных ресурсов РФ, 2003. С. 40-41.

13. Берг Л.С. Географические зоны Советского Союза. М.: Географгиз, 1947. 397 с.

14. Н.Берг Л.С. Географические зоны Советского Союза. М.: Географгиз, 1952. Т. 2.510 с.

15. Берлянд Т.Г. Методика климатологических расчетов суммарной радиации // Метеорология и гидрология. 1960. № 6. С. 9-12.

16. Берлянд М.Е., Берлянд Т.Г. Определение эффективного излучения Земли с учетом влияния облачности // Изв. АН СССР. Сер. Географическая. 1952. № 1. С. 10-30.

17. Будаговский А.И. Водопотребление растений и его связь с гидроклиматическими факторами // Гидроклиматический режим лесостепной и степной зон СССР в засушливые и влажные годы. М.: Изд-во АН СССР, 1960. С. 5-25.

18. Будаговский А.И. Впитывание талых вод в почву // Формирование ресурсов вод суши. М.: Наука, 1972. С. 54-85.

19. Будаговский А.И. Значение исследований физики почвенных вод, их современное состояние и основные задачи // Водные ресурсы. 1973. № 1. С. 7694.

20. Будаговский А.И. Испарение воды почвой // Тепловой баланс леса и поля. М.: Изд-во АН СССР, 1962. С. 25-77.

21. БудаговскийА.И. Испарение почвенной влаги. М.: Наука, 1964. 242 с.

22. Будаговский А.И. Испарение почвенных вод // Физика почвенных вод. М.: Наука, 1981. С. 13-95.

23. Будаговский А.И. Методы оценки параметров моделей испарения почвенных вод // Водные ресурсы. 1986а. №6. С. 3-15.

24. Будаговский А.И. Ресурсы почвенных вод и водообеспеченность растительного покрова // Водные ресурсы. 1985. № 4. с. 3-13.

25. Будаговский А.И. Уточнение моделей испарения почвенных вод // Водные ресурсы. 19866. №5. С. 58-69.

26. Будаговский А.И., Бусарова O.E. Основы метода оценки изменений ресурсов почвенных вод и речного стока по различным сценариям изменения климата // Водные ресурсы. 1991. № 2. С. 5-16.

27. Будаговский А.И., Григорьева Н.И. Пути повышения эффективности использования ресурсов почвенных вод//Водные ресурсы. 1991. № 1. С. 131142.

28. Будаговский А.И., Григорьева Н.И., Шурхно Е.А. Формирование режима и ресурсов почвенных вод в условиях высокой антропогенной нагрузки // Водные ресурсы. 1999. Том 26. № 6. С.676-685.

29. Будаговский А.И., Гусев Е.М. Почвенные воды // Водные ресурсы. 1989. № 5. С. 16-27.

30. Будаговский А.И., Джоган Л.Я. Пути последовательного уточнения методики расчета оросительных норм // Водные ресурсы. 1980. № 6. С. 29-51.

31. Будаговский А.И., Лозинская Е.А. Теория суммарного испарения и ее приложения // Водные ресурсы. 1976. № 2. С. 34-55.

32. Будаговский А.И., Шумова H.A. Методы анализа структуры суммарного испарения и оценки эффективности его регулирования // Водные ресурсы. 1976. N 6. С. 83-98.

33. Будаговский А.И., Шумова H.A. Ресурсы почвенных вод и их роль в решении водохозяйственных задач // Научные основы рационального использования, охраны и управления водными ресурсами. М.: Издательство Московского Университета, 1983. Ч. I. С. 166-175.

34. Будаговский А.И., Шутор Ю. Физика почвенных вод и ее задачи // Физика почвенных вод. М.: Наука, 1981. С. 3-12.

35. Будыко М.И. Глобальная экология. М.: Мысль, 1977. 327 с.

36. Будыко М.И. Климат и жизнь. Л.: Гидрометеоиздат, 1971. 472 с.

37. Будыко М.И. Тепловой баланс земной поверхности. Л.: Гидрометеоиздат, 1956. 254 с.

38. Будыко М.И., Зубенок Л.И. Определение испарения с поверхности суши // Изв. АН СССР. Серия геогр. 1961. № 6. С. 3-17.

39. Бусарова O.E. Оценка вертикального водообмена между верхними слоями почвы // Водные ресурсы. 1992. № 3. С. 163-165.

40. Бусарова O.E., Гусев Е.М. Использование результатов моделирования изменения климата для оценки изменений суммарного испарения на территории Европы // Метеорология и гидрология. 1995. № 10. С. 29-34.

41. Бусарова O.E., Шумова H.A. Биометрические характеристики посевов некоторых сельскохозяйственных культур и их использование для расчетов испарения // Водные ресурсы. 1987. № 2. С. 130-135.

42. Бусарова O.E., Шумова H.A. Экспериментальная проверка функции относительной площади листьев в модели суммарного испарения // Водные ресурсы. 1990. № 1. С. 175-178.

43. Быков Н.И. Агрогидрологические свойства почв Среднего Поволжья. Л.: Гидрометеоиздат, 1962. 227 с.

44. Великанов М.А. Гидрология суши. Л.: Гидрометеоиздат, 1948. 530 с.

45. Вериго С.А., Разумова Л.А. Почвенная влага. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. 328 с.

46. Вернадский В.И. История природных вод. М.: Наука, 2003. 752 с.

47. Выгодская H.H., Горшкова И.И., Теория и эксперимент в дистанционных исследованиях растительности. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 248 с.

48. Высоцкий Г.Н. Избранные труды. М.: Сельхозгиз, 1960. 435 с.

49. Высоцкий Г.Н. Степи Европейской России. Полная энциклопедия русского сельского хозяйства и соприкасающихся с ним наук. Т. 9. СПб., Девриен, 1905. 1386 с.

50. Гаевский В.Л. Альбедо больших территорий // Труды ГГО. 1961. Вып. 109. С. 61-75.

51. Гаевский В.Л. К вопросу о роли альбедо в формировании радиационного режима поверхности // Труды ГГО. 1953. Вып. 39 (101). С. 150-163.

52. Голубев B.C., Сперанская H.A., Цыценко К.В. К оценке суммарного испарения в бассейне Волги по данным режимных наблюдений на сети водно- и почвенно-испарительных станций // Метеорология и гидрология. 2002. № 4. С. 74-84.

53. Гальперин, Б.М. Радиационный баланс Нижнего Поволжья за теплый период // Труды ГГО. 1949. Вып. 18 (80). С. 61-86.

54. Государственный (национальный) доклад о состоянии и использовании земель в Российской Федерации в 2006 году. М.: Роснедвижимость, 2007. 238 с.

55. Гришин И.С. Снежный покров и расчет снеговых паводков в лесостепной истепной зонах. M.: Наука, 1966. 128 с.

56. Гусев Е.М. Испарение воды просыхающей почвой // Почвоведение. 1998. № 8. С. 921-927.

57. Гусев Е.М. Формирование режима и ресурсов почвенных вод в зимнее-весенний период. М.: Физматлит, 1993. 160 с.

58. Гусев Е.М. Экологическая роль почвенных вод и их ресурсы // Водные ресурсы. 1990. №5. С. 110-121.

59. Гусев Е.М., Бусарова O.E. Моделирование динамики относительной площади листьев злаковых культур // Метеорология и гидрология. 1998. № 1. С. 100-107.

60. Гусев Е.М., Бусарова O.E. Определение коэффициента эффективной диффузии водяного пара в соломенной мульче II Почвоведение. 1966. № 6. С. 789-792.

61. Гусев Е.М., Бусарова O.E., Шурхно A.A., Ясинский C.B. Влияние соломенной мульчи на термический режим почвы после схода снежного покрова // Почвоведение. 1992. № 5. С. 49-59.

62. Гусев Е.М., Джоган JI.Я. Методика оценки влияния мульчирования почвы растительными остатками на формирование водного режима агроэкосистем // Почвоведение. 2000. № 11. С. 1403-1414.

63. Гусев Е.М., Ясинский C.B. Влияние мульчи из растительных остатков на формирование термического режима почвы в зимний период // Почвоведение. 1990. № 12. С. 46-54.

64. Гэлстон А., Девис П., Сэттер Р. Жизнь зеленого растения. М.: Мир, 1983. 550 с.

65. Даддингтон К. Эволюционная ботаника. М.: Мир, 1972. 307 с.

66. Данилова H.A. Суммарное испарение с полей озимых и яровых культур за вегетационный период // Тепловой и радиационный баланс естественной растительности и сельскохозяйственных полей. М.: Наука, 1965. С. 117-126.

67. Джеке Д., Бринд У., Смит Р. Мульчирование. М.: ИЛ, 1958. 218 с.

68. Джоган Л.Я. Испарение с орошаемых полей Средней Азии. М.: Наука, 1990. 88 с.

69. Джоган Л.Я., Гусев Е.М. Воздействие мульчирования на водообеспеченность и урожайность яровой пшеницы в центральных и южных регионах Русской равнины//Почвоведение. 2003. № 11. С. 1371-1382.

70. Джоган Л.Я., Лозинская Е.А. Способ осреднения относительной площадилистьев при мезомасштабной оценке тепло- и влагообмена подстилающей поверхности с атмосферой // Водные ресурсы. 1993. Том 20. № б. С. 693-700.

71. Докучаев В.В. Наши степи прежде и теперь. СПб., 1892. М.: Государственное издательство сельскохозяйственной литературы, 1953. 152 с.

72. Дрейер H.H. Новая карта испарения с территории СССР // Известия АН СССР. Серия геогр. 1966. № 5. С. 68-73.

73. Дрейер H.H. Распределение элементов водного баланса по территории СССР //Водный баланс СССР и его преобразование. М.: Наука, 1969. С. 24-53.

74. Дроздов A.B. Продуктивность зональных наземных растительных сообществ и показатели вводно-теплового режима территории // Общие теоретические проблемы биологической продуктивности. Л.: Наука, 1969. С. 33-39.

75. Дрыгина Т.Ф. Справочник агрогидрологических свойств почв Северного Кавказа, Волгоградской и Астраханской областей. Л.: Гидрометеоиздат, 1967. 234 с.

76. Ефимова H.A. Радиационные факторы продуктивности растительного покрова. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. 216 с.

77. Зайков Б.Д. Средний сток и его распределение в году на территории СССР // Труды НИУ ГМС. Серия IV. Вып. 24. 1946. 148 с.

78. Зубенок Л.И. Испарение на территории Советского Союза // Влагооборот в природе и его роль в формировании ресурсов пресных вод. М., Стройиздат, 1974. С. 100-113.

79. Иванов H.H. Об определении величин испаряемости // Известия Всесоюзного географического общества. 1954. Т. 86. № 2. С. 189-196.

80. Измаильский A.A. Влажность почвы и грунтовая вода в связи с рельефом местности и культурным состоянием поверхности почвы. Полтава, 1894. Избранные сочинения. М.: Сельхозгиз, 1949. 336 с.

81. Кельчевская Л.С. Влажность почв Европейской части СССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 184 с.86

Информация о работе

Шумова, Надежда Афанасьевна
доктора географических наук
Москва, 2010
ВАК 25.00.27

Диссертация

Ресурсы почвенных вод и водообеспеченность агроценозов в условиях юга Русской равнины - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы