Закономерности изменения оросительных норм и водопотребления красного клевера от влажности почвы
Закономерности изменения оросительных норм и водопотребления красного клевера от влажности почвы
Аннотация
Цель исследований — определение закономерности изменения оросительных норм и водопотребления красного клевера от влажности почвы. Научные исследования проводились на опытных делянках и в лизиметрах с красным клевером. Показаны в табличной форме элементы водных балансов, исследуемых слоёв почвы опытных делянок и лизиметров. Установлено, что выпавшие за период роста и развития красного клевера осадки (291, 265, 421 мм), в годы исследований 2015 – 2017 гг и дефицит влажности воздуха (481, 580, 466 мб) воздействуют на величину суммарного водопотребления (311, 328, 293 мм) и оросительные нормы (59, 78, 26 мм).
Определено, что изменение количества влаги в корнеобитаемом слое почвы влияет на уровень содержания её в элементах водного баланса при выращивании красного клевера.
Получен график связи (рис. 3) влияния содержания влаги в почве на величину норм орошения. Теснота связи данных параметров составила 0,949+0,091.
Получен график связи (рис. 4) влияния содержания влаги в почве на величину водопотребления. Теснота связи данных параметров равнозначна 0,945+0,092.
Были определены коэффициенты, позволяющие учесть понижение влажности почвы меньше оптимальных величин. В таком случае следует применять эти коэффициенты при расчете режима орошения красного клевера.
1. Введение
Цель исследований — определение закономерности изменения оросительных норм и водопотребления красного клевера от влажности почвы. Научные исследования проводились на опытных делянках и в лизиметрах с красным клевером. Показаны в табличной форме элементы водных балансов, исследуемых слоёв почвы опытных делянок и лизиметров. Установлено, что выпавшие за период роста и развития красного клевера осадки (291, 265, 421 мм), в годы исследований 2015 – 2017 гг и дефицит влажности воздуха (481, 580, 466 мб) воздействуют на величину суммарного водопотребления (311, 328, 293 мм) и оросительные нормы (59, 78, 26 мм).
Определено, что изменение количества влаги в корнеобитаемом слое почвы влияет на уровень содержания её в элементах водного баланса при выращивании красного клевера.
Получен график связи (рис. 3) влияния содержания влаги в почве на величину норм орошения. Теснота связи данных параметров составила 0,949+0,091.
Получен график связи (рис. 4) влияния содержания влаги в почве на величину водопотребления. Теснота связи данных параметров равнозначна 0,945+0,092.
Были определены коэффициенты, позволяющие учесть понижение влажности почвы меньше оптимальных величин. В таком случае следует применять эти коэффициенты при расчете режима орошения красного клевера.
Центральный район Нечерноземной зоны РФ включает в себя 12 областей, примыкающих к Московской области. Этот район наиболее развит в сельскохозяйственном отношении. Более половины земель сельскохозяйственного назначения расположены на дерново-подзолистых почвах. В этой зоне выращиваются различные кормовые культуры, в том числе и красный клевер.
Повышение производства аграрного сектора может быть достигнута при внедрении орошаемого земледелия. Разработка проектов систем орошения связана с расчетом режима полива растений, при определении которого необходимо использовать уравнения водного баланса полей. Данные литературных источников показывают, что нет закономерности изменения оросительных норм и водопотребления красного клевера от влажности дерново-подзолистой почвы. В этой связи необходимо провести научные исследования с целью получения данных закономерностей. Исследования водного баланса почв при выращивании различных культур опубликованы в работах: А.М. Алпатьев, В.П. Остапчик (1971) , Н.В. Данильченко (1978) , Н.Н. Дубенок, В.В. Бородычев, Р.А. Чечко (2017) , А.Н. Костяков (1960) , A.S. Оvchinnikov, V.V. Borodychev, M.N. Lytov, V.S. Bocharnikov, S.D. Fomin, O.V. Bocharnikova, E.S. Vorontsova (2016) , В.В. Пчелкин, С.О. Владимиров, Д.И. Зяблицев, Абдель Таваб , Пчелкин В.В., Кожанов Е.С. (1985) , Х.М. Сафин, А.Д. Лукманова, Н.А. Зотова (2016) , С.И. Харченко (1975) и др. За рубежом вопросами водного баланса почв занимались А.Е. Badr, G.A. Bakeer, M.T. El-Tantawy (2006) , H.M. Eid, N.G. Ainer, M.A. Met wally (1987) , Klatt F. , R. Evett Steven, C. Kenneth, C. Stone, Robert. Schwartz, А. Susan, Д. O’Shaughnessy, D. Paul, К. Colaiz zi, Scott , T.K. Zin El-Abedin 2006 и др.
С целью получения взаимосвязи между оросительными нормами, водопотреблением красного клевера и влажностью почвы в 2015–2017 гг. была выполнена экспериментальная работа на опорно-мелиоративном пункте «Дубна» в Московской области. На основании данных исследований были выявлены закономерности изменения оросительных норм и водопотребления красного клевера от влажности дерново-подзолистой почвы в центральной части Нечерноземной зоны России.
2. Материалы и методы
2.1. Природная характеристика объекта исследований
Центральная часть Нечерноземной зоны характеризуется континентальным климатом с устойчиво морозной зимой и неизменно теплым летом. В этой зоне нет сильных изменений в климате. Совокупность среднесуточных температур воздуха колеблется в Московской области от 1700 до 2300оС. Время активной жизнедеятельности растительности в среднем насчитывает в Московской области 134 суток .
Центральная часть Нечерноземной зоны находится во влажной зоне, в которой выпадает значительное количество дождевых осадков 470…670 мм. В теплый период года осадков бывает больше, чем в другие периоды. За этот период сумма дождевых осадков в Московской области составляет 280 мм.
В период вегетации растений дождевые осадки распределяются неравномерно, в этой зоне бывают бездождные периоды от 4 до 50 суток, когда сельскохозяйственные культуры испытывают недостаток влаги в почве.
Средняя температура за период роста и развития красного клевера была в 2015 — 20,2оС, а в 2016 — 18,2оС гг., 2017 — 20,2оС, а величина дождевых осадков за период вегетации красного клевера была сообразно годам 291, 265 и 421 мм. Период роста и развития красного клевера в 2015, 2017 гг. по температуре воздуха оказались жаркими, а 2016 — соответствовал норме. По количеству влаги от осадков 2015, 2016 гг. оказались засушливыми, а 2017 — соответствовал норме. Распределение почв в центральной части Нечерноземной зоны показано на рисунке 1.
Распределение почв в центральной части Нечерноземной зоны:
подзолистые почвы: 14 – текстурно-подзолистые иллювиально - железистые; 17 – подзолы иллювиально-гумусовые; 18 – подзолы глеевые иллювиально-гумусовые; 22 – дерново-подзолистые языковые; 25 – дерново- подзолистые глеевые; 26 – дерново-подзолы иллювиально- железистые. Серые и черноземные почвы: 39 – серые; 48 – черноземы криптоглеевые в т.ч. солонцеватые. Торфяные и аллювиальные почвы: 61 – торфяно-олиготрофные; 64 – аллювиальные светлогумусовые
по ист. [7]
Анализ различных источников свидетельствует, что дерново-подзолистые почвы имеют низкое плодородие. Содержание в них гумуса не более 0,8–2,3 %. Показатель кислотности по рН составил 5,0-6,5, наполненность водными растворами щелочи — до 80%. Мало в почве азота, фосфора и калия. Почвенный слой изобилует включением камней. Почвы опытного участка представлены средними суглинками.
Плотность частиц почвы повышается с увеличением глубины с размахом от 2,30 до 2,71 г/см3. Возрастание плотности сухой почвы по глубине соответствует 1,27…1,89 см3/см3. Коэффициент порозности почвы находится в пределах 0,45…0,36 см3/см3. Значения наименьшей влагоемкости (НВ) варьируются от 0,37 до 0,25 см3/см3. Максимальная гигроскопичность наблюдалась в диапазоне от 0,02 до 0,07 см3/см3. Коэффициент фильтрации (Кф) с поверхности в слое 0–0,2 м соответствует 0,24 м/сут, а в слое 0,80–1,0 м — 0,41 м/сут.
Процентное содержания гумуса в почве размещается в границах от 1,10 до 3,65%, а на опытном участке в среднем — 2,3%. Показатель кислотности по рН составил 6,5–7,6. Показатель гидроксида азота в почве (NО3) соответствует 19,9–25,3 мг/кг, аммиачной селитры (NН4) — 6,41–13,19 мг/кг, оксида фосфора (P2О5) — 6,45–13,16 мг/кг, оксида калия (К2О) 55,49–78,62 мг/кг.
2.2. Методика проведения опытов
Опыты выполнялись на делянках площадью 80 м2. Каждая делянка делилась на четыре учетные площадки. Влагосодержание почвы подпитывалось с использованием дополнительного дождевания в необходимых интервалах: 1 вариант — (0,6–0,7) от полной влагоемкости (ПВ); 2 вариант — (0,7–0,8) ПВ; 3 вариант — (0,8–0,9) ПВ; 4 (контроль) — без орошения. При уменьшении влагосодержания почвы до минимального предела в период роста и развития красного клевера (1–0,6 ПВ; 2–0,7 ПВ; 3 — 0,8 ПВ) проводили увлажнение.
Ежегодно под красный клевер в почву вносили удобрения нормой N120P80K120.
Увлажнение красного клевера в 2015…2017 гг. проводили с использованием дождевальной техники Rain Bird (модель 1812). В середине делянок монтировали водоразборные колонки, состоящие из распылителя дождя с выдвижной трубой.
Вода к водоразборным колонкам подводилась по распределительному трубопроводу диаметром 32 мм, уложенному в почвенный слой на глубину 0,5 м, к которому подсоединяли поливные трубопроводы (ПТ) диаметром 20 мм. Воду на увлажнение брали из водопровода дер. Селково. Сперва заполняли водой емкость (3 куб. м), затем из неё она направлялась по соединительной трубе к насосу, далее вода под напором поступала к водоразборным колонкам и распылителям дождя на делянках.
Замеры влажности почвы проводили влагомером TRIME-FM. Производитель IMKO GmbH — Германия. Влагосодержание почвы меряли на глубину 0,5 м дискретно с интервалами 0,1 м.
В опытах использовались водобалансовые лизиметры (см. рис. 2) для установления взаимосвязи между составными частями водного баланса зоны аэрации и получения водопотребления красного клевера. Высота лизиметра 1,8 м, диаметр 1,6 м, площадь поверхности земли под красным клевером 2,0 м2. Употребленный метод сооружения лизиметра сделал возможным заполнить его единым почвенным блоком с неразделенной структурой.
Схема конструкции лизиметра:
1 – монолит почвы ненарушенной структуры; 2 – металлический цилиндр; 3 – дренаж внутри поддона; 4 – корпус поддона; 5 – соединительная труба; 6 – труба для измерения подпитывания зоны аэрации со стороны грунтовых вод; 7 – труба для измерения инфильтрации; 8 – труба для зонда влагомера
Результаты проведенных исследований показывают, что в течение роста и развития клевера красного 2015–2017 гг. наблюдался нисходящий ток влаги, который увеличивался после орошения и дождевых осадков, и снижался в периоды между поливами, а также при отсутствии дождей. Моделирование грунтовых вод в лизиметрах на уровне 1,6 м от поверхности земли, привело к отсутствию восходящего тока влаги.
Сумма осадков за период роста и развития красного клевера в 2015 - 2017 гг. соотносительно лет исследований составила: 291, 265 и 421 мм. Величина атмосферных осадков оказало воздействие на оросительные нормы, которые за период вегетации красного клевера получились равными 59, 78 и 26 мм. Благодаря этому общий приход воды (Ос+М) соотносительно лет исследований составил: 350, 363 и 437 мм.
Эвапотранспирация в засушливые 2015 и 2016 гг. равна 311, 328, а в среднем 2017 — 293 мм. Переток влаги из зоны аэрации в грунтовые воды оказался равным в: 2015 г. = -54 мм, 2016 г. q= -52 мм, 2017 г. q= -110 мм.
Данные литературных источников показывают, что имеется зависимость оросительных норм и эвапотранспирации красного клевера от влажности расчетного слоя почвы.
Выполненные опыты на делянке № 3 с красным клевером в 2015–2017 гг. позволили получить новые данные по усредненной влажности почвы соотносительно лет исследований: 0,81 ПВ; 0,82 ПВ и 0,79 ПВ, причем величина воды, необходимая на увлажнение, получилась относительно лет исследований 59, 90, 35 мм, а эвапотранспирация 307, 324, 312 мм. На делянке № 2 влажность почвы при ее средних значениях получилась следующей 0,74 ПВ, 0,74 ПВ, 0,74 ПВ, а величина воды, используемая на увлажнение, оказалась равной относительно лет исследований 60, 74, 26 мм, а водопотребление 295, 312, 293 мм. На делянке № 1 при усредненной увлажненности почвы 0,69, 0,67, 0,62 ПВ, величина воды, используемая на увлажнение, сформировалась относительно лет исследований следующей 53, 68, 0 мм; а водопотребление 286, 305, 246 мм. На делянке без орошения увлажненность почвы расположилась относительно лет исследований следующим образом 0,62 ПВ; 0,60 ПВ; 0,57 ПВ, а эвапотранспирация показала следующие значения 262, 210, 221 мм. Анализ полученных данных доказывает, что уменьшение оросительной нормы снижает величину увлажненности почвы и в конечном счете приводит к уменьшению эвапотранспирации. Такая закономерность происходит, когда влажность почвы принимает значения 0,7 ПВ и меньше. Расхождение связано с неравномерным выпадением естественных осадков и неодинаковыми значениями недостатка насыщения воздуха, влияющими на величину водопотребления красного клевера и в конечном счете на оросительные нормы в 2015...2017 гг.
Поддержание влаги в почве на уровне 0,7-0,8 ПВ создает условия оптимизации оросительных норм и эвапотранспирации при выращивании красного клевера. Возрастание влажности почвы более 0,8 ПВ ведет к снижению значений количества воды, подаваемое при поливах на 1 га за вегетацию и эвапотранспирации, что вызвано уменьшением продуктивности красного клевера.
Суммарное водопотребление выступает в качестве важнейшей расходной части водного баланса активного пласта почвы. Необходимо признать, что глубокое залегание грунтовых вод формирует переток влаги из активного пласта почвы в подстилающие этот пласт слои. Это ведет к повышению количества воды, подаваемого при поливах на 1 га за вегетацию. Пренебрежение инфильтрацией может повысить оросительную норму и, как следствие, увеличить сброс влаги в более низкие слои почвы. Согласно данным проведенных исследований следует, подъём увлажненности активного пласта почвы, приводит к повышению количества воды, подаваемое при поливах на 1 га за вегетацию (см. рис. 3).
Зависимость оросительных норм красного клевера от влажности расчетного слоя почвы
3. Результаты и их обсуждение
Научные исследования в лизиметрах, выполненные на дерново-подзолистых почвах, дали возможность выявить связь между составными частями водного баланса зоны аэрации. Научные опыты, осуществленные на экспериментальных делянках при дифференцированной влажности почвы, выявили взаимосвязь между составными частями водного баланса в толще почвы 0–50 см. Составные части водного баланса в почвенном объёме лизиметра во время роста и развития красного клевера при наиболее благоприятной влажности почвы за 2015...2017 гг. показаны в таблице 1, на опытных делянках — в таблице 2.
Составные части водного баланса в почвенном объёме лизиметра во время роста и развития красного клевера при наиболее благоприятной влажности почвы за 2015...2017 гг
Лизиметр 2015 год (мм/дек) | ||||||||
Месяц | Декады | Wн | Wк | ∆ W | Oс | M | q | Eф |
Май | 3 | 467 | 473 | 6 | 39 | 2 | 10 | 25 |
Июнь | 1 | 473 | 466 | -7 | 27 | 4 | 4 | 34 |
2 | 466 | 445 | -21 | 7 | 12 | 2 | 38 | |
3 | 445 | 438 | -7 | 11 | 11 | 2 | 27 | |
Июль | 1 | 438 | 454 | 16 | 56 | 4 | 10 | 34 |
2 | 454 | 456 | 2 | 31 | 0 | 8 | 21 | |
3 | 456 | 458 | 2 | 25 | 12 | 2 | 33 | |
Август | 1 | 458 | 484 | 26 | 68 | 2 | 8 | 36 |
2 | 484 | 474 | -10 | 14 | 10 | 2 | 32 | |
3 | 474 | 452 | -22 | 13 | 2 | 6 | 31 | |
Сумма за вегетацию |
| -15 | 291 | 59 | 54 | 311 | ||
Лизиметр 2016 год (мм/дек) | ||||||||
Месяц | Декады | Wн | Wк | ∆ W | Oc | M | g | Eф |
Май | 1 | 489 | 469 | -20 | 4 | 2 | 6 | 20 |
2 | 469 | 467 | -2 | 18 | 0 | 2 | 18 | |
3 | 467 | 455 | -12 | 13 | 2 | 10 | 17 | |
Июнь | 1 | 455 | 456 | 1 | 22 | 0 | 4 | 17 |
2 | 456 | 461 | 5 | 37 | 2 | 6 | 28 | |
3 | 461 | 438 | -23 | 1 | 16 | 0 | 40 | |
Июль | 1 | 438 | 437 | -1 | 25 | 6 | 2 | 30 |
2 | 437 | 452 | 15 | 63 | 2 | 14 | 36 | |
3 | 452 | 440 | -12 | 5 | 20 | 2 | 35 | |
Август | 1 | 440 | 441 | 1 | 28 | 16 | 2 | 41 |
2 | 441 | 440 | -1 | 17 | 8 | 2 | 24 | |
3 | 440 | 452 | 12 | 32 | 4 | 2 | 22 | |
Сумма за вегетацию |
| -37 | 265 | 78 | 52 | 328 | ||
Лизиметр 2017 год (мм/дек) | ||||||||
Месяц | Декады | Wн | Wк | ∆ W | Oc | M | g | Eф |
Май | 1 | 490 | 501 | 11 | 40 | 0 | 16 | 13 |
2 | 501 | 500 | -1 | 31 | 0 | 10 | 22 | |
3 | 500 | 494 | -6 | 15 | 12 | 2 | 31 | |
Июнь | 1 | 494 | 499 | 5 | 25 | 2 | 2 | 20 |
2 | 499 | 504 | 5 | 33 | 0 | 8 | 20 | |
3 | 504 | 546 | 42 | 87 | 0 | 18 | 27 | |
Июль | 1 | 546 | 561 | 15 | 65 | 0 | 32 | 18 |
2 | 561 | 543 | -18 | 26 | 0 | 12 | 32 | |
3 | 543 | 531 | -12 | 22 | 2 | 4 | 32 | |
Август | 1 | 531 | 516 | -15 | 15 | 4 | 2 | 32 |
2 | 516 | 486 | -30 | 12 | 6 | 2 | 46 | |
3 | 486 | 504 | 18 | 50 | 0 | 2 | 30 | |
Сумма за вегетацию |
| -4 | 421 | 26 | 110 | 293 | ||
Составные части водного баланса на опытных делянках во время роста и развития красного клевера при наиболее благоприятной влажности почвы за 2015...2017 гг
Варианты | M (мм) | Oc (мм) | q (мм) | ∆ W (мм) | W/ПВ | Eф (мм) |
2015 год (мм/дек) | ||||||
Делянка 1 | 53 | 291 | 54 | 4 | 0,69 | 286 |
Делянка 2 | 60 | 291 | 50 | 6 | 0,74 | 295 |
Делянка 3 | 59 | 291 | 51 | -8 | 0,81 | 307 |
Контроль | 0 | 291 | 42 | -13 | 0,62 | 262 |
2016 год (мм/дек) | ||||||
Делянка 1 | 68 | 265 | 44 | -16 | 0,67 | 305 |
Делянка 2 | 74 | 265 | 44 | -17 | 0,74 | 312 |
Делянка 3 | 90 | 265 | 46 | -15 | 0,82 | 324 |
Контроль | 0 | 265 | 41 | 14 | 0,60 | 210 |
2017 год (мм/дек) | ||||||
Делянка 1 | 0 | 421 | 141 | 24 | 0,62 | 246 |
Делянка 2 | 26 | 421 | 110 | -4 | 0,74 | 293 |
Делянка 3 | 35 | 421 | 122 | 22 | 0,79 | 312 |
Контроль | 0 | 421 | 166 | 34 | 0,57 | 221 |
Зависимость эвапотранспирации красного клевера от влажности дерново-подзолистой почвы представлена на рисунке 4. Теснота данной связи равна 0,945+0,0918. Это показывает, что уровень взаимосвязи между исследуемыми показателями высокий. Последующее повышение влажности почвы не оказали существенного влияния на водопотребление красного клевера. Анализ результатов, представленных на графике, показывает, что с ростом влажности почвы до 0,70 ПВ увеличивается суммарное водопотребление красного клевера. Последующее возрастание влажности почвы существенного воздействия на суммарное испарение не оказывает. Значения эмпирических коэффициентов, принимающие во внимание влажность почвы, представлены в таблице 3.
Зависимость эвапотранспирации красного клевера от влажности дерново-подзолистой почвы (данные за 2015…2017 гг.)
Эмпирические коэффициенты, принимающие во внимание влажность почвы при выращивании красного клевера
Эмпирические коэффициенты, принимающие во внимание влажность почвы | Влажность почвы, % НВ |
1,0 | 75 |
0,95 | 70 |
0,88 | 65 |
0,80 | 60 |
0,75 | 57 |
Коэффициенты, учитывающие понижение влажности почвы менее 70% ПВ, 65% ПВ, 60% ПВ, 55% ПВ, 50% ПВ в случае определения суммарного водопотребления красного клевера сообразно влажности почвы оказались равными 1, 0,95, 0,88, 0,80, 0,75. Из табл. 1–3 видно, теснота связи изучаемых показателей, изображенная на рисунках 3, 4, допускает применение полученных коэффициентов (табл. 3) при нахождении эвапотранспирации красного клевера, а также при расчете поливного режима исследуемой культуры.
4. Заключение
Для обеспечения стабильного и эффективного производства кормовых культур для животноводства в Нечерноземной зоны России следует использовать орошение земель. Для полива следует применять дождевание. В условиях Нечерноземной зоны была получена закономерность изменения оросительных норм и суммарного водопотребления красного клевера от увлажнённости почвы. Плотность связи норм орошения с влажностью почвы равна 0,997+0,032, а суммарного водопотребления с влажностью почвы 0,992+0,052. Причём определены коэффициенты, позволяющие учесть понижение влажности почвы меньше оптимальных величин. В таком случае следует применять эти коэффициенты при расчете режима орошения красного клевера. На основании выполненного научного исследования была установлена закономерность изменения оросительных норм и водопотребления красного клевера от влажности почвы. Организациям по проектированию оросительных систем следует использовать коэффициенты, принимающие во внимание снижение влажности почвы, при расчете режима орошения красного клевера. Фермерам предлагается применять в практической деятельности данные эксперимента при эксплуатации гидромелиоративных систем. В дальнейшем предполагаем начать проведение опытов с другими растениями и иными способами полива.