Агромелиоративное обоснование страхового орошения склоновых земель в центральной нечерноземной зоне рф
На правах рукописи
Климахина Марина Владимировна АГРОМЕЛИОРАТИВНОЕ ОБОСНОВАНИЕ СТРАХОВОГО ОРОШЕНИЯ СКЛОНОВЫХ ЗЕМЕЛЬ В ЦЕНТРАЛЬНОЙ НЕЧЕРНОЗЕМНОЙ ЗОНЕ РФ Специальность: 03.02.13 – почвоведение 06.01.02 – мелиорация, рекультивация и охрана земель
Автореферат на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук
Москва 2010
Работа выполнена на кафедре мелиорации и геодезии ФГОУ ВПО РГАУ МСХА имени К.А. Тимирязева
Научный консультант: академик РАСХН, профессор, доктор сельскохозяйственных наук Дубенок Николай Николаевич
Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук, профессор Савич Виталий Игоревич доктор сельскохозяйственных наук, профессор Шуравилин Анатолий Васильевич
Ведущая организация: Почвенный институт имени В.В.Докучаева.
Защита диссертации состоится 20 декабря 2010 г в 14 часов 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 220.043.02 при Российском государст венном аграрном университете – МСХА имени К.А.Тимирязева.
Адрес: 127550, г. Москва, Тимирязевская ул., 49. Ученый совет РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева.
С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ РГАУ – МСХА имени К.А.Тимирязева Автореферат диссертации разослан «19» ноября 2010 г. и размещен на сайте университета www.timacad.ru
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук Шнее Т.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Для решения задачи стабильного производства высококачественных продуктов питания необходимо не только использование новейших технологий в сельском хозяйстве, но и адаптация сельскохозяйст венного производства к изменившимся природным условиям, оценка совре менного состояния земельных ресурсов и применяемых технологий с экологи ческих позиций и природных условий их формирования.
Неустойчивый режим увлажнения в Нечерноземной зоне отмечен с нача ла 90-х годов прошлого века, что неблагоприятно сказывается на развитии сельскохозяйственных культур в период вегетации. Теплый период года стано вится более продолжительным и жарким, в результате увеличивается суммар ное испарение, а сумма осадков в теплый период остается неизменной или уменьшается. Опасным становится рост вероятности низких урожаев в резуль тате увеличения частоты и повторяемости засушливых периодов в этой зоне.
Снижение урожайности и валовых сборов зерна в засушливые годы достигает 40 % и более по сравнению с благоприятными годами по увлажнению.
По данным Госучета в Нечерноземной зоне РФ на 01.01.2007 г. 12. млн.га сельхозугодий расположено на склоновых землях.
Смягчение отрицательных последствий роста засушливости климата и улучшение водного режима почв Нечерноземной зоны РФ можно осуществить за счет мобильных систем орошения.
Цель и задачи исследований. Цель исследования – обоснование необ ходимости применения страхового орошения в Центральном районе Нечерно земной зоны РФ для получения оптимальных урожаев сельскохозяйственных культур и оценка его влияния на агроэкологические показатели дерново подзолистых почв склоновых земель.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
1. Выявить изменения параметров плодородия эродированной дерново подзолистой среднесуглинистой почвы под действием природных факторов.
2. Разработать прогнозную модель сезонного изменения плотности почв склоновых земель.
3. Обосновать необходимость применения страхового орошения склоно вых земель для изменившихся климатических условий Нечерноземной зоны РФ.
4. Оценить влияние изменения климата на агроэкологические показатели дерново-подзолистых среднесуглинистых почв.
5. Оценить влияние страхового орошения в условиях изменения климата на агроэкологические показатели дерново-подзолистых среднесуглинистых почв.
Научная новизна. Изучены водно-физические свойства дерново-подзо листых почв и их изменения в пространстве и во времени: плотность, водопро ницаемость, структура, количество водопрочных агрегатов.
Усовершенствована прогнозная модель для расчета сезонного изменения плотности почв сельскохозяйственных земель в течение календарного года с учетом рельефа.
Определены размеры оросительных норм для обеспечения благоприятно го процесса почвообразования и микробиологической деятельности в почвах Нечерноземной зоны РФ на основе оптимальных значений гидротермического коэффициента.
Выявлена тенденция и периоды образования дефицитов влаги в почвах за вегетацию в Нечерноземной зоне РФ. Обоснована необходимость применения страхового орошения в Центральной Нечерноземной зоны РФ в условиях изме нения климата для получения гарантированных урожаев сельскохозяйственных культур.
Основные положения диссертационной работы, выносимые на защи ту.
- закономерности влияние изменения климатических условий на агроэко логическое состояние дерново-подзолистых почв склоновых земель: плотности и связанных с ней водно-физических свойств;
- прогнозная модель сезонного изменения плотности дерново подзолистых почв склоновых земель в условиях ЦНЗ РФ;
- обоснование необходимости применения страхового орошения в усло виях потепления климата в зоне неустойчивого увлажнения.
Практическая ценность. Результаты исследований позволяют:
- принимать научно-обоснованные решения при оценке необходимости использования орошения в Центральной Нечерноземной зоне РФ;
- получать оптимальные урожаи за счет применения страхового орошения склоновых земель в Центральной Нечерноземной зоне РФ;
- осуществлять прогноз изменения плотности дерново-подзолистых почв склоновых земель, как на фоне страхового орошения, так и без него с учетом климатических условий и рельефа местности;
- выбирать оптимальные режимы орошения склоновых земель для созда ния оптимальных агроэкологических показателей эродированных дерново подзолистых почв.
Апробация. Основные положения и результаты докладывались и обсуж дались на научных конференциях в РГАУ – МСХА им. К.А.Тимирязева в 2006, 2010 гг. Материалы работы используются при проведении курсового проекти рования со студентами РГАУ – МСХА им. К.А. Тимирязева по специальностям «Агрономия», «Агрохимия и почвоведение», а также при написании УМК дис циплины «Землеустройство». По теме работы опубликовано 6 работ и получен 1 патент на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введе ния, обзора литературы, описания объектов и методов исследования, 6 глав, выводов, списка используемой литературы, включающего 244 наименований, в том числе 21 источник иностранных авторов. Материалы диссертации изложе ны на 155 страницах машинописного текста, содержит 33 таблицы, 25 рисунков и 6 приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ГЛАВА 1. Особенности орошения сельскохозяйственных культур на скло новых землях.
1.1. Влияние орошения на почвенный покров склоновых земель Важное значение для получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур имеет создание оптимального водного, воздушного, теплового и пита тельного режимов таких почв. Потребность во влаге сельскохозяйственных культур для формирования урожая в Нечерноземной зоне составляет от 440 до 560 мм за сезон, что может быть обеспечено только дополнительным увлажне нием. Количество атмосферных осадков в этот период чаще всего значительно меньше и составляет с мая по сентябрь от 223 до 452 мм.
Продолжительность засух колеблется в зависимости от зоны от несколь ких дней до 3-4 месяцев (лесная зона – средняя за год – 15 дней, наибольшая за сезон – 38-52 дня).
Страховое орошение – периодическое увлажнение активного слоя почвы с целью покрытия дефицитов влаги при отсутствии атмосферных осадков и/или их неравномерном распределении в период вегетации сельскохозяйственных культур, направленное на получение необходимого минимума сельскохозяйст венной продукции в неблагоприятные по погодным условиям периоды вегета ции без отрицательного влияния на плодородие почв и окружающую среду. А в связи с увеличением засушливости климата в Нечерноземной зоне - создание благоприятного водного режима почв, являющегося «страховкой» от полной потери урожаев сельскохозяйственных культур в периоды роста и развития растений при неблагоприятных климатических условиях.
1.2. Водная эрозия склоновых земель. Противоэрозионные мероприя тия и приемы.
Территория Центрального района Нечерноземной зоны расположена в центральной части Среднерусской возвышенности, разнообразна по рельефу, климатическим и гидрогеологическим условиям. В районе заметно выражены эрозионные процессы, 3,5 млн.га земель эродированы, из них 2,5 млн.га пашни.
Поверхностный (склоновый) сток является ведущим фактором, вызы вающим эрозию. Интенсивность его определяется естественными и антропо генными факторами. Из естественных факторов необходимо отметить: климат, почвенный покров и его гидрологические свойства, геологическое строение, растительный покров, рельеф, величину площади водосбора.
Заметное влияние на снижение интенсивности эрозионных процессов оказывает технология возделывания сельскохозяйственных культур. Для пре дотвращения водной эрозии широко применяются различные способы и техни ческие средства. Наиболее широко применяемым способом является почвоза щитная обработка. Основные способы обработки направлены на увеличение пористости и влагоемкости почвы, чтобы задержать осадки на месте.
ГЛАВА 2. Цель, задачи, условия, схема опыта и методика проведения исследований Условия, схема опыта и методика проведения исследований Экспериментальные данные получены в 2001-2003 г.г. на стационарном полевом опыте М-01-18-ОП, заложенном в 1980 г. на Конаковском поле учеб но-опытного хозяйства МСХА «Михайловское» в Подольском районе Москов ской области. На поле развернут во времени пятипольный севооборот: 1) овес;
2) ячмень с подсевом многолетних трав;
3) многолетние травы первого года пользования;
4) многолетние травы второго года пользования;
5) озимая пше ница. Размещение вариантов выполнено методом организованных повторений.
Опытные участки располагались на склонах крутизной 8 и 4, южной экспози ции, подверженных водной эрозии.
Почвенный покров участка представлен сочетанием дерново-слабо-и средне подзолистых почв с преобладанием первых на морене. Гранулометриче ский состав от легко -до тяжелосуглинистого, с преобладанием легко- и средне суглинистого.
По степени смытости - от сильносмытых до намытых. Однако преобла дают, в основном среднесмытые.
СХЕМА ОПЫТА Склоновый сток Обработки почвы Крутизна Талый сток Вспашка (контроль) на 20-22 см поперек склона 8° Вспашка+щелевание на 40-50 см, щели через 7 м Плоскорезная +щелевание на 18-20 см Плоскорезная +чизелевание на 38-40 см Поверхностная +щелевание на 6-8 см (через 3-4 м) Поверхностная Талый сток Вспашка (контроль) на 20-22 см поперек склона 4° Вспашка+щелевание на 40-50 см, щели через 7 м Плоскорезная +щелевание на 18-20 см Плоскорезная +чизелевание на 38-40 см Поверхностная +щелевание на 6-8 см (через 3-4 м) Поверхностная Методики проведения исследований. 1.Водно-физические свойства почвы определялись по методикам А.А. Роде и Н.А. Качинского. 2. Объем та лого стока поверхностных вод – с помощью стоковых площадок. При этом учи тывали расход воды и осуществляли отбор проб на мутность. 3. Определение водопроницаемости почвы – методом заливки площадок. 4. Плотность почвы определяли объёмно-весовым методом. Образцы отбирались по слоям 0-20, 20 40 см. 5. Водопрочность агрегатов – по методу И.М. Бакшеева.
Статистическая обработка результатов исследований – методом дис персионного анализа для многофакторных опытов (Доспехов Б.А.).
Постановка исследований на стоковых площадках. Основной метод изучения поверхностного стока воды и смыва почвы –комплексные полевые наблюдения на специально оборудованных стоковых площадках.
Географическое местоположение опытного участка, его рельеф. Место положение территории опытного участка, на котором заложен опыт, по поч венно-географическому районированию можно определить следующим обра зом: это таёжно-лесная зона, подзона южной тайги, средне-русская провинция, округ – Окско-Москворецкая равнина. Физико-географиеский район – Подоль ско- Коломенское ополье – волнистая равнина, сложенная покровными суглин ками, сильно распаханная, с небольшими массивами берёзовых лесов на дерно во-подзолистых и серых лесных почвах.
Большая часть территории – склоны большой протяжённости и разной крутизны, поэтому имеются предпосылки для развития эрозионных процессов.
Участок под стоковыми площадками, расположенными в верхней части склона, имеет уклон 0,14 (слабопокатый), в нижней части склона имеет уклон 0,07 (по логий).
Почвенный покров участка. Почвы центрального и южного районов Московской области относятся к Первому агропочвенному району с преобла данием тяжелосуглинистых дерново-подзолистых почв, залегающих на морене.
Дерново-подзолистые эродированные почвы входят в основном в качестве компонентов в состав сочетаний. В виде однородных крупных массивов они встречаются редко и формируются в основном в районах с расчлененным рель ефом, наибольшее распространение имеют на территории, сложенной мощны ми покровными суглинками, подстилаемыми на глубине 1 м мореной, а также при чередовании этих пород.
Глава 3. Водно-физические свойства почв и их изменения под дейст вием климатических факторов и водной эрозии 3.1. Почва и ее основные водно-физические свойства К основным свойствам почв можно отнести: плотность, водопроницае мость, влажность почвы перед выпадением дождя, предельную полевую влаго емкость, сцепление, угол естественного откоса, коэффициент структурности, механический состав, структуру и текстуру, трещиноватость, химические свой ства и насыщенность различными катионами.
3.2. Изменение плотности и водопроницаемости почвы от воздейст вия климатических факторов и водной эрозии.
Анализ влияния разноглубинных почвозащитных обработок на влажность почвы показывает, что ни одна из применяемых систем не имела существенного преимущества. При этом влияние рельефа на гидрологический режим было не однозначным: к концу вегетации влажность почвы склона 4° была ниже, чем тот же показатель при 8.
Средние значения полученных данных за 2001-2003 приведены в таблице 1.
Анализируя данные таблицы 1, приходим к выводу, что увеличение плот ности и уменьшение водопроницаемости почвы происходит с возрастанием крутизны склона. Наибольшей плотностью обладают почвы, расположенные на склоне крутизной 8.
Таблица 1. Водно-физические свойства смытых дерново-подзолистых почв за 2001-2003 гг. Слой 0-40 см.
Вариант обра- Плотность почвы, Коэффициент Количество водопроч- Водопрони г/см ботки структурности ных агрегатов, % цаемость, мм/мин 0-40 0-40 0-40 0- 2001 2002 2003 2001 2002 2003 2001 2002 2003 2001 2002 Крутизна склона Вспашка 1,58 1,37 1,38 2,7 1,9 2,3 37,4 38,8 49,1 3,1 2,7 1, Вспашка + 1,56 1,36 1,37 2,8 2,1 2,5 36,6 38,9 41,2 2,7 2,5 1, щелевание Плоскорезная 1,56 1,37 1,37 2,9 1,6 2,6 32,9 43,1 43,2 2,2 2,7 1, +щелевание Плоскорезная 1,55 1,37 1,36 2,9 1,7 2,4 36,8 39,7 50,1 2,8 3,1 1, +чизелевание Поверхностная 1,58 1,40 1,36 3,1 2,3 2,5 40,5 43,5 52,8 2,5 3,2 1, +щелевание Поверхностная 1,55 1,40 1,37 3,2 2,3 2,7 47,0 46,9 50,0 2,3 2,9 1, Крутизна склона Вспашка 1,63 1,42 1,49 1,9 1,6 1,8 34,7 42,4 42,3 2,5 1,9 0, Вспашка + 1,58 1,42 1,48 2,2 1,5 1,9 33,8 40,9 43,8 2,3 2,2 1, щелевание Плоскорезная 1,59 1,43 1,45 2,1 1,4 2,2 41,0 42,7 42,8 1,9 2,7 1, +щелевание Плоскорезная 1,60 1,43 1,45 2,1 1,8 2,0 43,8 45,1 49,6 2,4 2,7 1, +чизелевание Поверхностная 1,59 1,40 1,45 2,6 1,8 2,1 41,2 43,3 46,1 2,0 3,0 1, +щелевание Поверхностная 1,59 1,40 1,46 2,7 2,0 2,4 37,7 43,4 44,1 2,2 2,7 1, При сравнении данных исследований орошаемые склоновые земли имели меньшую плотность, чем почвы не орошаемые. Орошение компенсирует недос таток влаги в почве, поэтому на фоне потепления климата, орошение приводит к уменьшению плотности почвы, что видно из таблицы 2.
Таблица 2. Максимальная плотность почвы в годы исследований без орошения и при орошении в слое 0-40 см.
Плотность максимальная с орошением, г/см Склон Плотность максимальная без орошения, г/см3 (по данным Мацыгановой Е.В.) 2001 г. 2002 г. 2003 г. 2001 г. 2002 г. 2003 г.
4 1,58 1,40 1,38 1,37 1,39 1, 8 1,63 1,42 1,49 1,39 1,40 1, Глава 4. Образование талого стока и его взаимосвязь с водно-физическими свойствами почв Весенние влагозапасы в значительной степени зависят от условий обра зования и характеристик талого стока в период снеготаяния.
Исследованиями, проведенными на стационарном опыте, установлено, что при таянии снега поверхностный сток формируется под влиянием внешних и внутренних факторов, находящихся в неразрывной связи. К внешним факто рам можно отнести: уровень солнечной радиации, температуру воздуха, осадки, мощность снежного покрова. К внутренним – влажность почвы, глубину про мерзания, водопроницаемость и оттаивание почвы.
Значительное влияние на глубину промерзания почвы оказывает ее влаж ность. С увеличение влажности почвы повышается ее теплоемкость, увеличи ваются коэффициенты температуро –и теплопроводности. Поэтому для замер зания почвы на большие глубины требуются более низкие температуры возду ха. Соответственно при одинаковых отрицательных температурах воздуха бо лее влажная почва промерзает на меньшую глубину, чем более сухая.
Изменчивость погодного режима, частые оттепели в течение зимних пе риодов 2000-2001 и 2001-2002 гг. определила высоту, плотность, продолжи тельность залегания снежного покрова и его водность. Указанные выше осо бенности зимних периодов обеспечили плавное разрушение и сход снежного покрова без формирования поверхностного стока талых вод. Начало зимнего периода 2002-2003 гг. характеризовалось значением отрицательных температур на 4,8…5,4 ниже климатической нормы. Незначительная мощность снежного покрова в декабре и первой декаде января, а также низкая температура воздуха привели к значительному охлаждению и промерзанию почвы на глубину 76…78 см на склоне, что не характерно для данной зоны в течение последних 20 лет.
Таблица 3.Средние значения поверхностного стока (мм) и смыва почвы (т/га) за 2001-2003 гг.
Варианты обработки Глубина Запасы Продол- Сток, мм Коэффи- Смыв промер- воды в житель- циент почвы зания снеге + ность стока т/га почвы, смосадки, стока, мм дней Крутизна склона- Вспашка (контроль) 25,0 89,7 3 7,3 0,13 0, Вспашка + щелевание 24,0 86,0 3 7,3 0,12 0, Плоскорезная + щелевание 25,0 92,9 3 7,7 0,14 0, Плоскорезная + чизелевание 26,0 90,0 3 7,3 0,13 0, Поверхностная + щелевание 25,0 87,1 3 7,4 0,12 0, Поверхностная 26,0 93,8 3 7,9 0,13 0, Крутизна склона – Вспашка (контроль) 24,0 97,6 6 15,9 0,19 0, Вспашка + щелевание 21,0 85,5 6 17,3 0,24 0, 24,0 94,6 6 17,1 0,23 0, Плоскорезная + щелевание 24,0 88,9 6 20,2 0,23 0, Плоскорезная + чизелевание 24,0 88,7 6 19,7 0,25 0, Поверхностная + щелевание Поверхностная 23,0 85,5 7 18,9 0,24 0, Поверхностный сток талых вод сформировался как на склоне крутизной 4, так и на склоне крутизной 8. Величина поверхностного стока талых вод на склоне крутизной 8 на всех вариантах противоэрозионной обработки была выше, чем на склоне крутизной 4. В 2003 г наблюдался смыв почвы. Макси мальный смыв почвы был также на склоне крутизной 8 на варианте обработки поверхностная + щелевание.
Глава 5. Прогнозная модель изменения плотности почв Потепление климата Нечерноземной зоны приводит к уплотнению пахот ного горизонта почвы. Это происходит в силу следующих причин: увеличение температур зимних месяцев;
неглубокое и недлительное промерзание почвы, или полное отсутствие промерзания;
увеличение температур воздуха теплого периода;
неравномерное распределение осадков в теплый период года.
Под влиянием выше перечисленных причин в почве развиваются сезон ные процессы, приводящие к значительному увеличению плотности ее сложе ния. Сезонные изменения плотности почвы в многолетнем разрезе носят устой чивый характер, как для участков крутизной 4, так и участков крутизной 8.
Выявлена тенденция увеличения уплотнения почвы на склоне большей крутиз ны, что подтверждается нашими исследованиями. Причинами увеличения плотности почвы на склоне большей крутизны, является малогумусность, и ис сушение почвы в результате недостатка влаги.
Наиболее интенсивные изменения плотности почвы развиваются в верх них слоях до 0,5 м - в активном слое почвы.
Основным источником энергии, влияющей на физико-химические про цессы, происходящие в активном слое почвы, является лучистая энергия Солн ца, которая описывается уравнением радиационного баланса и сказывается на динамике теплового режима активного слоя.
По исследованиям А.Н.Кабанова изменение плотности активного слоя тесно связано с изменениями ее температуры. Температурный режим является основным интегральным показателем всех теплофизических процессов проте кающих в почве, и описывается синусоидой.
Наибольшее уплотнение почвы наблюдается в вегетационный период и достигает максимума к концу вегетации, и уменьшение плотности – в холодные периоды года, достижение минимума весной к началу вегетации.
Для определения сезонных изменений плотности мелиорированных почв, Н.Н.Дубенком получена математическая зависимость, позволяющая вы числить плотность почвы на любой момент времени в течение календарного года в зависимости от максимального значения плотности почвы и порядкового номера суток от начала года.
По нашим исследованиям, а также по данным ряда авторов величина плотности активного слоя почвы при прочих равных условиях зависит от рель ефа участка. Почвы, расположенные на более крутых склонах, уплотняются сильнее, что связано с усилением на них процессов разрушения и смыва слоя почвы. Поэтому целесообразно определять плотность почвы в течение кален дарного года с учетом крутизны склона по полученной нами математической зависимости:
272 N = max {0,964+ 0,036 sin [( ( ) 360)/ k]}, (1) где k – коэффициент, учитывающий рельеф участка, k = еtq, е – осно вание натурального логарифма;
– крутизна склона,.
Плотность почвы склоновых земель определена для теплого периода (март- октябрь) 2001-2003 года по разработанной нами математической зависи мости (1), модели Н.Н.Дубенка и проведено сравнение, полученных результа тов с экспериментальными данными, на склонах крутизной 4 и 8, на фоне вспашки, т.к. наибольшие плотности были получены именно при этом способе обработки почвы. По полученным данным были построены графические зави симости изменения плотности почвы для склонов 4(рис. 1) и 8(рис.2).
Полученная модель Модель Н.Н. Дубенка Эксперимент 1, 1, 1, 1, 1, Плотность, г/см3ьь 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1 мар 1 апр 1 май 1 июн 1 июл 1 авг 1 сен 1 окт даты Рис.1. Изменение плотности активного слоя почвы для склона 4. 2001г.
Анализ полученных, по нашей математической зависимости (1), кривых по всем годам исследований на склоне крутизной 4и 8 и сравнение этих кри вых с экспериментальными показал, что величины плотности почвы, получен ные с учетом крутизны, оказались близкими по значениям к эксперименталь ным данным (расхождение составляет: на склоне крутизной 4 в среднем – 2,62%, на склоне крутизной 8 - в среднем – 2,28%), а на отдельных участках совпадают с кривой экспериментальных данных.
Полученная модель Модель Н.Н. Дубенка Эксперимент 1, 1, 1, 1, 1, 1, плотность, г/см 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1 мар 1 апр 1 май 1 июн 1 июл 1 авг 1 сен 1 окт дата Рис.2. Изменение плотности активного слоя почвы для склона 8. 2001г.
Таким образом, полученная нами зависимость (1) более точно описывает процесс сезонного изменения плотности почвы, поскольку учитывает рельеф местности.
Глава 6. Обоснование страхового орошения в Нечерноземной зоне РФ.
Страховое орошение – периодическое увлажнение активного слоя почвы с целью покрытия дефицитов влаги при отсутствии атмосферных осадков или их неравномерном распределении в период вегетации сельскохозяйственных культур, направленное на получение необходимого минимума сельскохозяйст венной продукции в неблагоприятные по погодным условиям периоды вегета ции без отрицательного влияния на плодородие почв и окружающую среду. А в связи с увеличением засушливости климата в Нечерноземной зоне - создание благоприятного водного режима почв, являющегося «страховкой» от полной потери урожаев сельскохозяйственных культур в периоды роста и развития растений при неблагоприятных климатических условиях.
Выбор расчетных лет Для обоснования необходимости орошения, определены дефициты влаги в почве за период с апреля по октябрь, когда наблюдаются положительные среднесуточные температуры, и подобраны характерные годы по разности ме жду суммой осадков и испарения. Расчет интегральной вероятности (обеспе ченности) проведен по формуле, применяемой в гидрологии:
P = 100 (m 0,3) (n + 0,4 ), (2) где P – % обеспеченности;
n – число членов в ряду;
m – порядковый номер членов статистического ряда, расположенного в убывающем порядке.
Обеспеченность – ежегодная вероятность превышения гидрологических характеристик (осадки, речной сток и т.д.) над средним значением.
Суммарное испарение за расчётный период определялось по формуле E = 0,0061 (t + 25) (1 a ), мм/сут (3) Н.Н.Иванова:
где t - температура воздуха за сутки, в градусах С;
a - влажность воздуха за сутки, в долях.
Избыток или недостаток влаги за расчётный период определялся по фор R = Oc E, мм муле (4) Oc - сумма осадков за расчётный период, мм;
E - суммарное где испарение за расчётный период, мм.
По данным расчетов выбраны следующие характерные годы:
годы исследований по метеоданным: 2001год – средний (Р=59,35%), год – сухой (Р=96,73%), и только 2003 год – средне влажным (Р= 26,64%), для сравнения выбран 1996 год – средне сухой (Р =73,36%).
R,мм % обеспеченности 3,27 7,94 12,6 17,3 22 26,6 31,3 36 40,7 45,3 50 54,7 59,4 64 68,7 73,4 78 82,7 87,4 92,1 96, - - - - Рис. 3. График обеспеченности влагой по разности осадков и испарения за – 2008 гг.
Обоснование страхового орошения по коэффициенту естественной увлажненности территории.
Рассмотрим необходимость страхового орошения в Нечерноземной зоне и в частности в Московской области по коэффициенту естественного увлажне ния территории.
Для средне сухого 1996 года ( Р =73,4%) и за годы проведения исследова ний 2001 (Р=59,35%), 2002 (Р =96,73%), 2003 (Р =26,64%) гг. рассчитан коэф фициент естественного увлажнения территории по месяцам по формуле Ос, (5) = Е Ос – сумма осадков за месяц, мм;
Е – суммарное испарение за месяц, мм.
Данные на рисунке 4 позволяют оценить естественную увлажненность территории в годы проведения исследований.
Проведя анализ полученных графиков по выбранным годам можно ска зать, что во все теплые месяцы коэффициент естественной увлажненности тер ритории меньше 1, что говорит о недостатке влаги для нормального развития растений и необходимости в орошении.
Рис. 4. Коэффициент естественной увлажненности территории по отно шению осадков к суммарному испарению.
Обоснование страхового орошения по гидротермическому коэффи циенту территории.
На процессы почвообразования влияют гидротермические условия. Гид ротермический режим, характерный для каждой климатической зоны, является решающим фактором условий среды и почвообразовательных процессов. В ка честве интегральной характеристики гидротермического режима используют так называемый гидротермический коэффициент ( R ), рассчитываемый для при родных условий по формуле R, (6) R= LP R- радиационный баланс деятельной поверхности, ккал/см2 в год;
L – скрытая теплота парообразования (const =0,06 ккал/мм см2 в год);
P – сумма осадков, мм/год.
Наиболее благоприятные режимы почвообразования для микробиологи ческой деятельности и накопления гумуса обеспечиваются при гидротермиче ском коэффициенте 0,9 – 1,1. В случае, когда гидротермический коэффициент R 1,8 возможна минерализация гумуса;
а при R 0,5 – 0,7 – вымывание пита тельных веществ, гумуса, создаются неблагоприятные условия для жизнедея тельности бактерий.
Расчет радиационного баланса выполняли по формуле Ф.Ф.Довитая и Ю.С.Мельника, в основе которой лежит зависимость радиационного баланса от суммы температур выше 10°С R = 0,0121·t +9,9289 (7) Таблица 4. Гидротермические режимы в характерные годы Показатели Годы 1996 2001 2002 Сумма температур 10°C 2247 2236 2416 Радиационный баланс земной 37,1 37,0 39, поверхности ®*, ккал/см2 в год 39, Годовая сумма осадков (P), 405,5 426,6 371,5 522, мм в год Гидротермический коэффици- 1,52 1,44 1,76 1, ент ( R ) в природных условиях Анализируя данные таблицы 4 можно сказать, что самым неблагоприят ным по соотношению радиационного баланса и осадков был 2002 год (сухой), когда гидротермический коэффициент R = 1,78 вплотную приблизился к крити ческому значению 1,8. Наиболее близкими к оптимальным были гидротермиче ские коэффициенты средне влажного 2003 года ( R = 1,38) и среднего 2001 года ( R = 1,44). Поэтому добиться оптимальных значений гидротермического коэф фициента возможно за счет орошения.
Радиационный баланс при орошении R1 принимали R1 = 1,06·R, (8) где R1 – радиационный баланс при орошении, ккал/мм см2 в год.
Гидротермический коэффициент ( R 1) при орошении можно рассчитать по R формуле R1 =, (9) (P + M ) L где М – оросительная норма, мм в год.
Оросительная норма в зависимости от требуемого гидротермического режима выразится зависимостью R )P, (10) М= ( R1 L Оросительные нормы, поддерживающие гидротермический коэффициент на уровне 0,9 – 1,1 приведены в таблице 5.
Таблица 5. Расчетные оросительные нормы (мм), для оптимальных значений гидротермического коэффициента Гидротермический Годы коэффициент 1996 2001 2002 0,9 323 300 398 1,0 250 227 321 1,1 190 168 258 Для обеспечения благоприятных условий почвообразования в Централь ной Нечерноземной зоне РФ и произрастания растений оросительные нормы составляют в зависимости от свойств почв и вида культур 116-398 мм в год (табл.5).
Обоснование страхового орошения по дефициту влаги в теплый пе риод года.
По данным Ю.Н.Никольского, А.В.Алексанкина и др. дефицит водного баланса в Нечерноземной зоне, оценивается разностью между осадками и испа ряемостью, за период активных (более 100С) температур воздуха, составляет – 90 мм. На самом деле дефицит влаги в тёплый период значительно больше, так как осадки в летние месяцы выпадают неравномерно (рис. 5, 6, 7, 8). По данным наших исследований дефицит влаги в отдельные месяцы достигал мм (июль 2002 года, рис.6).
Прослеживается устойчивая тенденция недостатка влаги в весенние ме сяцы (апрель, май) во все годы (рис. 5, 6, 7). Эта же тенденция сохраняется и в средне влажный 2003 год, когда дефицит влаги в мае достиг 90 мм (рис. 8). Это говорит о недостатке запасов влаги в почве после снеготаяния.
Второй пик дефицита влаги наблюдается в летние месяцы: июне-июле августе (рис. 5, 6, 7), когда дефицит составлял от 18 мм (июнь 1996 г.) до мм (июль 2002 г.).
Осадки, мм мм Испарение, мм Дефицит, мм -20 апрель май июнь июль август сентябрь октябрь - - - - Месяцы Рис. 5. Осадки, испарение и дефицит влаги в средне сухой 1996 год.
осадки, мм мм испарение,мм дефицит,мм - апрель май июнь июль август сентябрь октябрь - - - - - - - - месяцы - Рис.6. Осадки, испарение и дефицит влаги в сухой 2002 год.
Осадки,мм мм Испарение, мм дефицит,мм -20 апрель май июнь июль август сентябрь октябрь - - месяцы - Рис.7. Осадки, испарение и дефицит влаги в средний 2001 год Осадки, мм 180 мм 160 испарение,мм дефицит,мм апрель май июнь июль август сентябрь октябрь - - - - месяцы - Рис.8. Осадки, испарение и дефицит влаги в средне влажный 2003 год.
Поэтому получение стабильных урожаев сельскохозяйственных культур возможно только при применении страхового орошения, предупреждающего образование дефицита влаги в почве.
Обоснование страхового орошения по водному балансу территории.
Для подтверждения необходимости орошения составим уравнение водно го баланса для средне влажного 2003 года.
Уравнение водного баланса при глубоком залегании грунтовых вод мож W = Oc E 0 q 2 (11) но записать в виде:
где W изменение влагозапасов в расчётном слое почвы;
Ос атмосферные осадки;
q 2 отток за счёт инфильтрации в грунтовые воды;
Ео – суммарное ис парение.
При данных условиях единственным источником поступления влаги в расчётный слой почвы, который будет находиться выше зоны капиллярного поднятия, являются атмосферные осадки, которые могут быть достаточно ред ки, непродолжительны и малы по объёму.
Проведем расчет водного баланса по зависимости (11) для апреля-июля 2003 г., когда имеет место дефицит влаги.
WIV-VII = 244,4 – 48,88 – 341,34 = - 145,82 мм.
Данные суммарных значений осадков и испарения по месяцам 2003 года приведены в таблице 6.
Водный баланс территории за апрель-июль средне влажного 2003 г. имеет отрицательное значение, что свидетельствует о невозможности нормального развития растений и получения в дальнейшем урожаев сельскохозяйственных культур без дополнительного увлажнения территории.
Таблица 6. Осадки и испарение за теплый период средне влажного 2003 г.
Параметры Месяцы апрель май июнь июль за август сен- октябрь тябрь IV-VII IV-X осадков, 44,8 41,9 66,6 91,1 244,4 158,8 93,8 51,0 548, мм испаре- 49,06 124,69 64,79 102,8 341,34 67,7 50,1 35,58 494, ние, мм Водный баланс за теплый период (апрель-октябрь) этого же года составил WIV-X =548,0 – 109,6 – 494,72 = - 56, 32 мм.
Отрицательное значение водного баланса в течение теплого периода да же средне влажного 2003 года, говорит о необходимости страхового орошения.
Оценка урожайности сельскохозяйственных культур в условиях по тепления климата.
Получение стабильных урожаев сельскохозяйственных культур при ис пользовании склоновых земель в Нечерноземной зоне является основной зада чей.
В 2001 году на опытном участке получен урожай овса. Более высокая урожайность культуры была получена на следующих вариантах обработки поч вы: обычная вспашка поперек склона на глубину 20-22 см - 2,65 т/га и на обычная вспашка + щелевание на глубину 40-50 см через 7 м – 2,76-2,5 т/га как на склоне крутизной 4, так и на склоне крутизной 8.
2002 г на опыте определена урожайность ячменя. На склоне крутизной урожайность ячменя составила в среднем 1,98 – 2,06 т/га. Так же как и в году более высокая урожайность наблюдалась на вариантах обработки почвы:
обычная вспашка, обычная вспашка + щелевание как на склоне крутизной 4, так и на склоне крутизной 8.
В 2003 году на опытном участке выращивались многолетние травы пер вого года пользования. Урожайность этих культур также была более высокой на вариантах обработки почвы: обычная вспашка, обычная вспашка + щелева ние как на склоне крутизной 4, так и на склоне крутизной 8.
Средние данные по урожайности сельскохозяйственных культур за годы исследований на богаре и при орошении приведены в таблице 7.
Полученные прибавки урожайности овса, ячменя и многолетних трав на орошаемых землях составляют до 50 % от урожайности этих культур на богаре, что свидетельствует об эффективности применения орошения.
Таблица 7. Урожайность сельскохозяйственных культур без орошения и с оро шением Вариант Овес Ячмень с подсе- Многолетние В среднем за обработки (2001 г.) вом многолетних травы, сено 2001-2003 гг., т/га трав (2002 г.), т/га (2003 г.), т/га тыс.корм. ед.
бо ор при бо- оро при бо- оро при бо ор при га ош бав гара ше- бав- га- ше бав га ош бав ра ен ка/ ние ка / ра ние ка/ ра ен ка/ ие % % % ие % Крутизна склона Поверхностная 2,36 3,48 1,15/ 1,35 2,82 1,47/ 2,91 4,38 1,47/ 1,78 2,89 1,11/ 48,7 109 50,5 62, Вспашка 2,65 3,66 1,01/ 1,38 3,06 1,68/ 3,20 4,11 0,91/ 1,94 3,00 1,06/ 38,1 122 28,4 54, Вспашка + щелевание 2,50 3,96 1,46/ 1,49 3,16 1,67/ 3,58 4,20 0,62/ 2,00 3,15 1,15/ 58,4 112 17,3 57, Крутизна склона Поверхностная 2,75 3,37 0,62/ 1,98 2,20 0,22/ 2,66 3,06 0,4/ 2,11 2,42 0,31/ 22,5 11,1 15,0 14, Вспашка 2,66 3,29 0,63/ 2,06 3,17 1,11/ 3,09 3,80 0,71/ 2,18 2,87 0,69/ 23,7 53,4 23,0 31, Вспашка + щелевание 2,76 3,61 0,85/ 2,03 3,45 1,42/ 3,22 4,17 0,95/ 2,22 3,14 0,92/ 30,8 69,9 29,5 41, Оценка экономической эффективности страхового орошения.
Для расчета эффективности была выбрана поливная техника фирмы IDROFOGLIA, марки G2D-75G-300 барабанного типа, поставляемая в комплек те с тракторной помпой Т-65. Стоимость комплекта 637360 рублей. Сезонная производительность машины (площадь орошения за сезон) - 60 га при ороси тельной норме 3000 м3/га.
Расчет проведен для средней оросительной нормы 300 мм или 3000 м3/га, полученной в средний по обеспеченности год (2001 г.), необходимой для созда ния нормальных условий развития сельскохозяйственных культур и процесса почвообразования.
Оценка проводилась по ячменю закупочная цена - 7000 руб. за тонну (в ценах 2010 г.) (www.agro-bursa.ru).
Средняя урожайность ячменя в 2002 г. без орошения составила 2 т/га, с орошением составила 3 т/га. Прибавка за счет орошения – 1 тонна или 7 тыс.
руб. с 1 га.
Таким образом, при обслуживании за сезон 1 машиной площади в 60 га, прибыль от орошения составит 420 тыс. руб.(7х60=420 тыс.руб.).
Следовательно, дождевальная техника полностью окупится и принесет прибыль на второй год эксплуатации, которая составит 840,0- 637,6 = 202, тыс.руб. Приведенный расчет показывает, что затраты на орошение окупаются на второй год эксплуатации, что доказывает высокую экономическую эффек тивность и целесообразность использования страхового орошения.
ВЫВОДЫ 1. Изменение климатических условий Нечерноземной зоны приводит к повышению гидротермического коэффициента, что ухудшает водно физические свойства дерново-подзолистых почв, уменьшается влажность, сни жется содержания гумуса, питательных веществ, это негативно сказывается на урожайности сельскохозяйственных культур.
2. Водно-физические свойства дерново-подзолистых почв на неорошае мых землях не соответствуют требуемым для оптимального роста и развития растений параметрам плодородия. Отмеченное уплотнение почвы, связанное с изменением климатических условий в сторону потепления, привело к сниже нию количества агрономически ценных агрегатов и их качества, вследствие снижения содержания гумуса в почвах.
3. Сезонные изменения плотности почв в слое 0-40 см связаны с темпера турным режимом, зависящим от календарного времени года, а также крутизны склона. Усовершенствованная математическая модель изменения плотности почв учитывает данные факторы и позволяет производить прогнозные расчеты с достаточной степенью точности.
4. Увеличение температур зимнего периода приводит к уменьшению глу бины промерзания почв, и как следствие, к снижению их разуплотнения, в том числе снижает разуплотняющую способность почвенных обработок. Таким об разом, изменение климата увеличивает значение плотности почвы на начало ве гетации сельскохозяйственных культур.
5. Коэффициент увлажнения данной территории в теплые периоды в годы исследований изменялся от 0,9 до 0,1, из чего можно сделать вывод о необхо димости применения страхового орошения, которое позволит получать ста бильные урожаи сельскохозяйственных культур, и будет способствовать уменьшению плотности почв, и улучшению, связанных с ней водно-физических свойств почв.
6. Выявлена тенденция и периоды образования дефицитов влаги в почвах за вегетацию в Нечерноземной зоне РФ. Обоснована необходимость примене ния страхового орошения в Центральной Нечерноземной зоны РФ в условиях изменения климата для получения гарантированных урожаев сельскохозяйст венных культур.
7. Применение страхового орошения в сложившихся климатических ус ловиях повышает урожайность сельскохозяйственных культур в 1,5 раза и по зволяет избежать полной потери урожая в засушливые годы. В среднем прибав ка от орошения урожайности овса составила 48,4%;
ячменя – 79,5%;
многолет них трав (сено) – 32,7%. Наибольшие значения прибавки урожайности от оро шения наблюдалась на склоне 4 на всех вариантах обработки почвы.
Список работ, опубликованных по теме диссертации 1. Дубенок Н.Н. Сезонные изменения плотности почвенного покрова / Дубенок Н.Н., Шуляк А.С., Климахина М.В /Материалы межд. конф. «Эколо гические проблемы мелиорации». – М.: Изд. УПК «Федоровец», 2002.
2. Климахина М.В. Мелиоративные мероприятия, предотвращающие вод ную эрозию / Климахина М.В., Кондратьева М./ Сборник студенческих науч ных работ. Выпуск 8. М.: Изд-во МСХА, 2002.
3. Климахина М.В. Формирование поверхностного стока при дождевании сельскохозяйственных культур на склоновых землях / Климахина М.В., Мацы ганова Е.В. /Сб. «Актуальные проблемы почвоведения, агрохимии и экологии».
М.: Изд-во МСХА, 2004. С. 355-361.
4. Евграфов А.В. Экономическая эффективность использования эко логически безопасного комплекса противоэрозионных мероприятий на склоновых землях / Евграфов А.В., Климахина М.В. //Вестник. Москов ский Государственный Агроинженерный Университет имени В.П. Горяч кина. Экономика и организация производства в агропромышленном ком плексе. Выпуск 5/1(30). М., 2008, с. 67 – 69.
5. Дубенок Н.Н. Обоснование необходимости страхового орошения сельскохозяйственных культур в Нечерноземной зоне РФ. / Дубенок Н.Н., Климахина М.В. // Достижения науки и техники АПК, № 4, 2010, с.46 - 47.
6. Климахина М.В. Моделирование сезонного изменения плотности почв в Нечерноземной зоне РФ / Климахина М.В., Евграфов А.В // Приро дообустройство, № 5, 2010 (находится в печати).
7. Патент на полезную модель №78033. Система автоматического полива растений для приусадебного хозяйства/Дубенок Н.Н., Евграфов А.В., Климахи на М.В., Харитонов С.И, Мялов А.В. // БИМП № 32, 20.11.2008.
Отпечатано с готового оригинал-макета Формат 60х841/16. Усл.печ. л. 1,20. Тираж 100 экз. Заказ Издательство РГАУ – МСХА имени К.А.Тимирязева 127550, Москва, ул. Тимирязевская,