Регулирование водного режима орошаемых обыкновенных черноземов п

На правах рукописи

ТУРУЛЕВ ВЛАДИМИР ВИКТОРОВИЧ

РЕГУЛИРОВАНИЕ ВОДНОГО РЕЖИМАОРОШАЕМЫХ ОБЫКНОВЕННЫХ ЧЕРНОЗЕМОВПРИ БЛИЗКОМ ЗАЛЕГАНИИ УРОВНЯ ГРУНТОВЫХ ВОД

Специальность: 06.01.02 – «Мелиорация, рекультивация и охрана земель»

Авторефератдиссертации на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук

Новочеркасск – 2008

Диссертационная работа выполнена на кафедре мелиорации земель в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» в период с 1976 по 2008 гг.

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук, профессор, академик РАСХН Кружилин Иван Пантелеевич;

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, Заслуженный мелиоратор РФ

Иванова Нина Анисимовна;

доктор сельскохозяйственных наук, профессорСухарев Виталий Иванович

Ведущее предприятие – ФГОУ ВПО «Донской государственный аграрный университет (ФГОУ ВПО ДонГАУ)

Защита состоится 19 декабря 2008 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.049.01 в ФГОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» по адресу: 346 428, г. Новочеркасск Ростовской области, ул. Пушкинская 111, ауд. 339, факс (86352) 45-164.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО НГМА, с авторефератом – на сайте Федеральной службы по надзору в сфере образования и науки Минобразования и науки РФ [email protected] Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью предприятия, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат сельскохозяйственных наук, профессор, Заслуженный мелиоратор РФ, Сенчуков Г.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В степной зоне Российской Федерации, при наличии плодородных черноземных почв и высокой теплообеспеченности, лимитирующим фактором для роста и развития сельскохозяйственных культур является недостаточное увлажнение среды их произрастания (почв и приземного слоя воздуха). В этих почвенно-климатических условиях региона научно обоснованное использование оросительных мелиораций позволяет в два-три и более раза увеличить продуктивность сельскохозяйственных угодий.

Вместе с тем, более чем 30÷50-летний опыт применения крупномасштабного регулярного орошения в Северо-Кавказском регионе показывает, что наряду с безусловным положительным продуктивным эффектом от оросительных мелиораций отмечается ухудшение мелиоративного состояния регулярно орошаемых почв. В частности, на продолжительно орошаемых землях наблюдается развитие таких негативных явлений, как подъем уровня грунтовых вод и связанное с ним вторичное засоление и осолонцевание обыкновенных черноземов, ухудшение их водно-физических показателей. Это обусловлено не только невысоким техническим уровнем ряда действующих оросительных систем региона, но и неэффективным регулированием водного режима орошаемых земель, особенно в условиях неглубокого залегания грунтовых вод.

К примеру, только в Ростовской области (из 215 400 га по состоянию на 01.01.2006 г.) используются орошаемые земли с глубиной залегания грунтовых вод до 3,0 м на площади в 103 068 га, а с глубиной менее 1,0 м – 6166 га.

На необходимость применения водосберегающих и «водощадящих» технологий орошения земель (черноземов в особенности) неоднократно указывали ведущие отечественные ученые Айдаров П.П., Галямина Е.П., Голованов А.И., Данильченко Н.В., Иванова Н.В., Коваленко П.И., Кружилин И.П., Козин М.А., Ольгаренко В.И., Ольгаренко Г.В., Остапчик В.П., Скуратов Н.С., Харченко С.И., Шевченко П.Д., Щедрин В.Н. и другие. Вместе с тем и к настоящему времени не все аспекты ведения орошаемого земледелия в целом и регулирования водного режима почв, в частности, в степной зоне страны для условий высокого уровня грунтовых вод должным образом научно обоснованы, а имеющиеся рекомендации крайне слабо используются на практике.

Проблему разработки «водощадящих» и водосберегающих технологий оросительных мелиораций обыкновенных «староорошаемых» черноземов в условиях неглубокого уровня грунтовых вод актуализируют масштабы земель в Северо-Кавказском регионе и преимущественно в Ростовской области, оросительные системы которых выбраны в качестве объекта исследований.

Разработке научного обоснования технологий регулирования водного режима обыкновенных черноземов и режимов орошения сельскохозяйственных растений культивируемых на староорошаемых землях степной зоны Российской Федерации посвящено настоящее научное исследование. Исследования проводились в Новочеркасской государственной мелиоративной академии (НГМА), Персиановской опытно-мелиоративной станции НГМА (ПОМС), Ростовской ОМС ЮжНИИГиМ (х. Елкин Багаевского района), на Семикаракорской полевой экспериментальной базе (СПЭБ) Государственного гидрологического института (ГГИ), оросительных системах Ростовской области, Краснодарского и Ставропольского краев в рамках госбюджетной НИР «Разработать технологии полива сельскохозяйственных культур для условий степной зоны, обеспечивающие экологическую устойчивость мелиоративных систем», ГНТП «Плодородие» (1994-2006 гг.), НИР НГМА на 2006-2010 гг. 03.04.02.01 «Усовершенствовать технологии орошения сельскохозяйственных культур, обеспечивающие повышение продуктивности мелиорируемого гектара на 20-30 % и экономию водных ресурсов на 15-20 %».

Цель работы заключается в разработке научного обоснования регулирования водного режима староорошаемых обыкновенных черноземов степной зоны Российской Федерации и режимов орошения сельскохозяйственных растений в условиях близкого к поверхности залегания уровня грунтовых вод (≤1,5-2,5 м) для повышения продуктивности угодий, сохранения плодородия почв и улучшения мелиоративного состояния земель.

Основными задачами исследований являются:

— обоснование возможности регулирования водного режима обыкновенных черноземов степной зоны и режима орошения сельскохозяйственных растений в условиях близкого к поверхности залегания уровня грунтовых вод;

— получение экспериментальных данных по динамике изменения водных констант староорошаемых черноземов Северо-Кавказского региона (запасов влаги и поливных норм для различной глубины и порогов увлажнения почв);

— установление закономерностей распределения почвенной влаги в зоне аэрации и развития корневой системы сельскохозяйственных культур при различных поливных режимах и разноуровенном залегании грунтовых вод;

— получение зависимостей по определению объемов использования грунтовых вод во взаимосвязи с биологическими особенностями сельскохозяйственных культур и глубиной проникновения корневой системы, позволяющих уточнить их оросительные нормы при близком уровне грунтовых вод;

— разработка научно-методического подхода к дифференцированной и интегрированной качественной и количественной оценке мелиоративного состояния староорошаемых черноземов для условий высокого стояния уровня грунтовых вод характеризуемых различной минерализацией;

— разработка рациональных и эффективных режимов орошения сельскохозяйственных культур (сорго-суданкового гибрида, озимой пшеницы, кукурузы) возделываемых на обыкновенных староорошаемых черноземах при близком к поверхности уровне разноминерализованных грунтовых вод;

— проведение биоэнергетического и экономического обоснования технологии регулирования водного режима и ведения растениеводства на обыкновенных подтапливаемых грунтовыми водами черноземах в условиях орошения.

Объектом исследований является водный режим орошаемых обыкновенных черноземов продолжительно эксплуатируемых оросительных систем Северо-Кавказского региона и режимы орошения сельскохозяйственных растений, культивируемых в условиях высокого уровня стояния грунтовых вод.

Методология исследований. Методологическую основу работы составляет системный подход, позволяющий выявить причинно-следственные связи между водно-физическими свойствами почвогрунтов на староорошаемых земельных массивах, природно-мелиоративными факторами, биологическими особенностями сельскохозяйственных культур и водным режимом почв при близком залегании уровня разноминерализованных грунтовых вод. Опытно-производственные и региональные исследования водных режимов орошаемых земель и режимов орошения сельскохозяйственных культур включали многолетние натурные эксперименты и измерения изучаемых параметров на действующих оросительных системах региона.

Научную новизну работы составляют:

— обоснованная и экспериментально подтвержденная научная концепция (гипотеза) технологии регулирования водного режима староорошаемых обыкновенных черноземов на продолжительно эксплуатируемых оросительных системах юга степной зоны Российской Федерации и режимов орошения сельскохозяйственных культур, выращиваемых в условиях близкого к поверхности залегания уровня разноминерализованных грунтовых вод;

— экспериментально установленные и уточненные параметры водных констант староорошаемых обыкновенных черноземов (для современного их состояния), включая данные по запасам влаги, поливным и оросительным нормам для различных глубин и порогов их увлажнения;

— экспериментально установленные (подтверждающие концепцию) закономерности развития корневой системы широко культивируемых в регионе сельскохозяйственных растений (кукурузы, озимой пшеницы, сорго-суданкового гибрида) в условиях разработанной технологии регулирования водного режима обыкновенных староорошаемых черноземов с близким к поверхности почв уровнем стояния грунтовых вод;

— полученные и практически подтвержденные эмпирические зависимости использования растениями грунтовых и оросительных вод с учетом биологических особенностей и глубины проникновения корней сельскохозяйственных культур при близком залегании уровня грунтовых вод;

— разработанный научно-методический подход количественной оценки мелиоративного состояния орошаемых земель с высоким стоянием уровня грунтовых вод, новые и уточненные составляющие параметры оценки мелиоративного состояния орошаемых черноземов при высоком стоянии уровня грунтовых вод на основе разработанного количественного показателя.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Научная гипотеза и основанные на ней технологии регулирования водного режима староорошаемых обыкновенных черноземов на действующих оросительных системах Северо-Кавказского региона и режимов орошения сельскохозяйственных культур, выращиваемых в условиях близкого (от 1,0 до 3,0 м) к поверхности уровня грунтовых вод;

2. Закономерности распределения влаги в почвенно-грунтовом слое в пределах зоны аэрации от атмосферных осадков и орошения в зависимости от различных систем вегетационных поливов и влияния капиллярного поднятия грунтовых вод при различной глубине их стояния;

3. Зависимости по определению объемов использования грунтовых и оросительных вод сельскохозяйственными культурами с учетом их биологических особенностей и глубины проникновения корневой системы при близком к поверхности (от 1,0 до 3,0 м) залегании уровня грунтовых вод;

4. Водосберегающие и водощадящие поливные режимы, основанные на установленных закономерностях развития корневой системы сельскохозяственных растений, произростающих на обыкновенных староорошаемых черноземах с разными показателями увлажнения почвогрунтовой толщи по глубине формируемыми инфильтрацией атмосферных и поливных вод и капиллярным поднятием грунтовых вод;

5. Экспериментальные данные по биоэнергетическому и экономическому обоснованию выращивания сельскохозяйственных культур на основе предложенной технологии режимов их орошения и регулирования водного режима орошаемых обыкновенных черноземов в условиях высокого стояния уровня грунтовых вод.

Достоверность результатов исследования

Научная гипотеза и технологии регулирования водного режима орошаемых обыкновенных черноземов основаны на многочисленных экспериментальных натурных и лизиметрических данных и комплексном анализе почвенно-климатических и водно-физических свойств исследованных почв.

Положенные в основу технологии регулирования водного режима орошаемых обыкновенных черноземов качественные и количественные закономерности формирования и динамики изменения влажности почвенного слоя; зависимости изменения водного режима обыкновенных черноземов от почвенно-климатических условий, водоподачи, состояния орошаемых почв и агрокультур установлены, проверены и уточнены натурными исследованиями на опытных участках и крупных орошаемых массивах.

Надежность выводов определяют: — экспериментальные данные более чем двадцатипятилетних исследований, выполненных на мелиоративных стационарах, опытных участках и в пределах крупных оросительных систем региона для широкого спектра природно-климатических условий; — результаты математической обработки полученных результатов замеров и анализов с высокими значениями коэффициентов регрессионных корреляционных отношений в полученных расчетных зависимостях.

Отдельные из полученных данных и зависимостей гармонично согласуются с известными данными и закономерностями других авторов.

Практическая ценность работы заключается в:

Практических рекомендациях по регулированию водного режима староорошаемых обыкновенных черноземов и выращиванию сельскохозяйственных культур в условиях высокого стояния уровня грунтовых вод;

Предложенном рациональном (водосберегающем и водощадящем ) режиме орошения сорго-суданкового гибрида, озимой пшеницы и кукурузы, культивируемых на староорошаемых обыкновенных черноземах в условиях высокого уровня стояния разноминерализованных грунтовых вод;

Разработанной для условий Северо-Кавказского региона и исследованных почвенно-климатических условий информационно-советующей системы (ИСС) «Водный режим».

Практические рекомендации по регулированию водного режима орошаемых обыкновенных черноземов имеют надежное биоэнергетическое обоснование и характеризуются высокими экономическими показателями.

Широкая апробация и производственная проверка рекомендаций, методик и информационно-советующей системы, дифференцированные режимы орошения сельскохозяйственных культур в зависимости от мелиоративного состояния орошаемых земель проведена на Донской, Нижне-Донской, Мартыновской, Багаевско-Садковской, Нижне-Манычской, Манычской, Азовской, Пролетарской, Приморской оросительных системах. Внедрение научных рекомендаций осуществлено на площади более 10000 га, используемой для выращивания озимой пшеницы, кукурузы и сорго-суданкового гибрида. Информационно-советующая система «Водный режим» прошла апробацию в трех типичных почвенно-климатических зонах Ростовской области, Ставропольском и Краснодарском краях.

Личный вклад автора. Определение направлений исследований, разработка схем полевых опытов и элементов методики наблюдений, критерии оценки влияния почвенно-климатических факторов на изменение составляющих водного режима, биологические особенности роста и развития культур и их корневой системы, формирование урожая и его качество, математические зависимости и их анализ, а также разработка регулирования водного режима почв, его производственная проверка и внедрение, выводы и предложения производству в диссертационной работе выполнялись лично автором. В проведении ряда полевых исследований участвовали сотрудники НГМА и Персиановской ОМС, а также СПЭБ ГГИ и РООМС ЮжНИИГиМ: Егорова Г.А., Донцов Е.С., Левченко Г.П., Волков А.С., Тульверт В.Ф., Маркин В.В., Мартыненко Г.Н., Лачина Н.И., Алипатова Н.И., Семенова Л.Л. Доля автора в научно-исследовательских работах, результаты которых вынесены на защиту, составила более 60 %, их производственной проверке и освоении – 100 %.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на семинарах по вопросам биологических, экономических и экологических основ нормирования водопользования орошаемого земледелия в г. Днепропетровске (1989 г.), ГГИ (г. Ленинград, 1991 г.), ежегодно (в период с 1990 по 2007 гг.) – на научно-технических конференциях в НГМА, на производственных совещаниях в хозяйствах орошаемой зоны Ростовской области, на совещаниях специалистов-эксплуатационников Департамента по мелиорации земель и сельскохозяйственному водоснабжению Ростовской области «Ростовмелиоводхоз», на совещаниях специалистов-проектировщиков Государственного учреждения проектный институт «Южводпроект», на совместном заседании секции «Мелиорации и орошаемого земледелия в степной зоне» и «Эксплуатации гидромелиоративных систем» отделения Земледелия, мелиорации и лесного хозяйства Россельхозакадемии (г. Новочеркасск, 1999 г.) и других.

Публикации результатов исследований. По теме диссертации опубликовано 52 научные работы объемом более 120 печатных листов, из них лично автором 60 п.л., в том числе четыре монографии объемом 34 п. л.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 382 страницах машинописного текста и содержит: введение, 6 глав, выводы, 47 рисунков, 78 таблиц в тексте, 16 приложение. Список использованной литературы включает 383 наименования, в том числе 22 иностранных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приводится анализ современного состояния изученности проблемы регулирования водного режима продолжительно орошаемых черноземов в условиях высокого стояния уровня грунтовых вод.

Опыт орошения земель на оросительных системах степной зоны показывает примеры как позитивного, так и негативного его воздействия на плодородие почв и особенно чернозёмов. Одним из наиболее значимых средств воздействия на орошаемые почвы являются поливные и почвенно-грунтовые воды. Ведущие ученые – мелиораторы (Аверьянов С.Ф., Голованов А.И., Галямина Е.П., Данильченко Н.В., Коваленко П.И, Остапчик В.П., Ольгаренко В.И., Ольгаренко Г.В., Харченко С.И., Кружилин И.П., Айдаров И.П., Черемисинов А.Ю., Безднина С.Я., Щедрин В.Н., Решеткина Н.М., Сенчуков Г.А., Шумаков Б.Б.) неоднократно отмечали, что неэффективное использование оросительной воды, даже при относительно высоком уровне оросительных систем, приводит к фильтрационным потерям, что сопровождается подъёмом уровня грунтовых вод и ухудшением мелиоративного состояния земель. Наблюдаемое ухудшение мелиоративного состояния земель на продолжительно эксплуатируемых оросительных системах не исключает их продолжающееся использование для ведения растениеводства до проведения реконструкции и системного мелиорирования почвогрунтов. Указанное обстоятельство и предопределило формирование научной проблемы, связанной с природопользованием на землях продолжительно (от 30 до 50 лет) действующих оросительных систем Северо-Кавказского региона, почвы которых представлены обыкновенными подтапливаемыми грунтовыми водами чернозёмами.

Оценка известных научных разработок по данной проблеме проведена по трем взаимоувязанным и взаимообусловленным направлениям.

1. Исследованиями почв на продолжительно и интенсивно эксплуатируемых мелиоративных (оросительных) системах установлены факты труднообратимых процессов изменения их водно-физических свойств и характеристики. Так, исследованиями (Скуратова Н.С., Калиниченко В.П., Ковды В.А., Полуэктова Е.В., Турулева В.А., Андреев Г.И., Козлечков Г.А.) установлены факты уплотнения (слитизации), осолонцевания (ощелачивания), засоления, изменения водно-физических характеристик почв, вызванных интенсивными поливами (переполивами) водами с повышенной минерализацией, подъёмами уровня грунтовых вод и другими причинами. Интенсивное и не всегда научно-обоснованное использование обыкновенных черноземов на староорошаемых (более 30÷50 лет) землях Северо-Кавказского региона также привело к ухудшению их мелиоративного состояния. Несмотря на наличие ряда работ по изучению их свойств, данные процессы изменения водно-физических показателей обыкновенных черноземов, особенно за продолжительный период (то есть в динамике), не получили должного обобщения и нуждались в уточнении, что и было определено одной из задач настоящих исследований.

2. Особое значение для ведения орошаемого земледелия и растениеводства в рассматриваемых условиях имеет подбор сельскохозяйственных культур, адаптированных к произрастанию в условиях высокого стояния грунтовых вод повышенной минерализации, имеющих глубинную корневую систему, позволяющую использовать грунтовые воды капиллярной каймы с глубиной проникновения корней в почвогрунтовую толщу до 1,5 ÷2,5 м.

Орошаемые земли региона интенсивно используются для выращивания сельскохозяйственных культур, адаптированных к условиям их произрастания и, в частности, на орошаемых обыкновенных черноземах (с системно ухудшающими водно-физическими свойствами) при высоком и постоянно повышающемся уровне грунтовых вод. Вопросы высокопродуктивного растениеводства на землях продолжительно эксплуатируемых оросительных систем рассмотрены в трудах Ивановой Н.А., Красовской И.В., Петинова Н.С., Носатовского А.И., Слёзкина П.Р., Соколова А.В., Грамматикати О.Г., Турулёвой В.А. и других. И, в частности, изучены вопросы биологии и культивирования таких широко распространенных в регионе и выбранных к исследованиям культур, как сорго-суданкового гибрида, кукурузы, озимой пшеницы. Отметим научно установленные данные по солеустойчивости указанных культур (пшеница относится к очень сильно солеустойчивым культурам с С100 ≤3,5 г/л, сорго-суданковый гибрид – сильно солеустойчивым с С100 <2,5 г/л и кукуруза относится к среднесолеустойчивым культурам с С100 ≤1,3 г/л). Установлено, что глубина проникновения корневой системы культур зависит от: нижнего предполивного порога; плотности сложения, аэрации и мощности почвенно-грунтовых слоев; минерализации грунтовых вод; количества и качества питательных веществ. Вместе с тем, имеется дефицит ряда научных данных, необходимых для оптимизации режимов их орошения в условиях высокого стояния грунтовых вод, среди которых: данные по динамике развития корневой системы при различных условиях увлажнения почвенно-грунтовой толщи; водопотребления этими растениями почвенной влаги и грунтовых вод различной степени минерализации. На восполнение дефицита экспериментальных данных и обобщение информации по указанным вопросам направлены настоящие исследования.

3. Для высокопродуктивного орошаемого земледелия на продолжительно эксплуатируемых оросительных системах с почвенным покровом, представленным обыкновенными черноземами, при высоком уровне стояния грунтовых вод, особое значение имеют гидрогеологические условия почвенно-грунтовой толщи. Установлено, что при наличии относительного водоупора и определенном сочетании элементов водного баланса в почвогрунтовой толще формируется водонасыщенный слой почвогрунтов, появление которого вызывает образование капиллярной каймы (Роде А.А., Решеткина Н.М., Ковда В.А., Турулева В.А., Харченко С.И., Кац Д.М. и др.). Капиллярная кайма начинается от уровня грунтовых вод. В пределах капиллярной каймы влажность слоев грунта изменяется от уровня соответствующего полной влагоемкости (в нижней части) до наименьшей и менее влагоемкости (в верхней ее части). В пределах слоя почвогрунтов от их поверхности до горизонта стояния грунтовых вод возможны различные сочетания слоев с разным уровнем их влажности, формируемой за счет инфильтрации атмосферных или поливных вод (с поверхности в глубину) и капиллярного поднятия грунтовых вод (снизу вверх). Данные обстоятельства влияют на характер распространения корневой системы растений и их водопотребление.

Указанные выше объекты и предметы исследования находятся во взаимосвязи и взаимовлиянии. Так, объемы водопотребления растениями из капиллярной каймы формируемой в почвенно-грунтовой толще за счет капиллярного поднятия вод, зависят от: глубины залегания грунтовых; водно-физических свойств почв и подстилающих их грунтов; качественных и количественных показателей минерализации грунтовых вод; биологических свойств растений (характер развития корневой системы в глубину почвогрунтов, водопотребность, отношение к характеру солености вод); увлажнённости слоёв в зоне расположения корневой системы инфильтрующими и капиллярно поднимаемыми водами; обеспеченности увлажнения почв естественными осадками и поливными водами. В свою очередь, закономерности связи проникновения корней растений в почвенно-грунтовую толщу зависят не только от биологии растений, но и от характера и режима увлажнения зоны их проникновения, качества (химического состава) почвенно-грунтовых вод. Искусственное управление влажностью слоёв почвогрунтов позволяет стимулировать развитие корневой системы в направлении капиллярной каймы и использование растениями грунтовых вод.

Таким образом, три указанных направления исследований: 1) изучение водно-физических свойств староорошаемых обыкновенных чернозёмов и подстилающих их грунтов в конкретных условиях региона; 2) исследование закономерностей роста и развития сельскохозяйственных растений, культивируемых на староорошаемых чернозёмах в условиях близкого стояния грунтовых вод; 3) изучение закономерностей распределения слоёв с разными показателями влажности, формируемой за счет инфильтрации и капиллярного поднятия грунтовых вод, были положены в основу научной гипотезы настоящего научного исследования. А неисследованные аспекты крупной научной проблемы – культивирования сельскохозяйственных растений на староорошаемых чернозёмах действующих оросительных систем Северо-Кавказского региона в условиях высокого к поверхности стояния уровня грунтовых вод были определены основными задачами настоящего научного исследования.

Во второй главе «Оценка природно-хозяйственных условий региона исследований» описаны и анализируются условия региона исследований.

Регион определен зоной оросительных систем регулярного орошения с 30-50-летним периодом их эксплуатации с почвами, представленными обыкновенными чернозёмами и расположенными в Ростовской области, Краснодарском и Ставропольском краях на землях с высоким уровнем стояния разноминерализованных грунтовых вод от 1-го до 3-х метров. Основные объекты исследований выбраны в Ростовской области, а поверочные в соседних с ней субъектах (на системах Краснодарского и Ставропольского краев).

При выборе объектов исследований (участков и крупных массивов орошаемых земель), расположенных преимущественно на оросительных системах Ростовской области учитывалось: наличие широкого спектра разноклиматических зон, характерных для всего региона распространения обыкновенных чернозёмов в южностепной зоне РФ; многолетний период (30÷50 лет) интенсивного сельскохозяйственного использования земель при их регулярном орошении; высокая степень водно-мелиоративного освоения агроландшафтов (с долей орошаемых земель составляющих 12 % от площади используемых сельскохозяйственных угодий); типичность используемых компоновочно-конструктивных решений оросительных систем; многолетний период формирования гидрогеологических условий на орошаемых землях и в том числе территорий с высоким стоянием уровня грунтовых вод; разноплановое, разноинтенсивное и разноэффективное использование орошаемых земель; широкий спектр качества используемых оросительных и грунтовых вод.

Третья глава «Место проведения, программа и методика исследований» посвящена экспериментальной части работы, которая выполнялась в 1976-2007 гг. на землях Ростовской областной – опытно-мелиоративной станции (РООМС), совхоза «Красновский» Багаевского района, на полигоне Семикаракорской экспериментальной базы Государственного гидрологического института (СПЭБ ГГИ), а также в хозяйствах региона на территории 9-ти оросительных систем департамента «Ростовмелиоводхоз» с общей площадью орошаемых земель около 200 тыс. га. Эксперименты по исследованию регулирования водного режима почв и режимов орошения сельскохозяйственных культур выполнялись в полевых условиях на разных по биологии культурах:

1). Сорго-суданковом гибриде (с линейной корневой системой и глубоким (до 2,0÷2,5 м) проникновением корней в почвенно-грунтовую толщу; устойчивостью к повышенной минерализации грунтовых вод (до 5÷7 г/л); продолжительным вегетационным периодом, захватывающим весь засушливый период с ранней весны до поздней осени);

2). Кукурузе (с углубленной до 2,5÷3,0 м корневой системой), отличающейся слабой солеустойчивостью (с содержанием солей в почве ≤0,2÷0,4 %);

3). Озимой пшенице (непродолжительный в пределах засушливого периода года вегетационный период; относительно слаборазвитая в глубину корневая система и относительно малое суммарное водопотребление; относится к солеустойчивым культурам).

Таким образом, подбор культур к исследованиям позволяет рассматривать широкий спектр условий для подбора оптимальных режимов орошения и водных режимов орошаемых обыкновенных чернозёмов с близким залеганием грунтовых вод различной минерализации, обеспечивающих высокую продуктивность и улучшение вводно-физических характеристик почв.

Опыты 1 и 2 с посевами сорго-суданкового гибрида проводились на полях РООМС и землях хозяйства «Красновский» Багаевского района РО и включали четыре их варианта при слоях увлажнения дождеванием 0-60 и 0-80 см: 1 – без орошения; 2 – поливы при 70-75 % НВ (контроль); 3 – поливы при 80 % НВ; 4 – поливы при 70-75 % НВ «биологический контроль».

На варианте 4 поливы дождеванием производились при достижении в расчетном слое нижнего порога влажности 70-75 % НВ с одновременным наблюдением за глубиной залегания грунтовых вод, их капиллярной зоной, максимальной глубиной проникновения корневой системы растений. При проникновении корней в капиллярную зону грунтовых вод поливы отменялись. Этот вариант опытов назван «биологический контроль» («б.к.»).

Исследования по определению и уточнению количества грунтовых вод, использованных в процессе вегетации сорго-суданковым гибридом, выполнялись в лизиметрах (опыт 3) на полигоне Семикаракорской полевой экспериментальной базы Государственного гидрологического института (СПЭБ ГГИ) со следующей схемой опыта: 1. При глубине грунтовых вод Нгр=1,0 ± 0,1 м; 2. Нгр=1,5 ± 0,1 м; 3. Нгр=2,0 ± 0,1 м; 4. Нгр=2,5 ± 0,2 м.

Разработка и внедрение дифференцированного режима орошения озимой пшеницы и кукурузы (опыты 4 и 5), выращиваемых на землях с близким к поверхности залеганием грунтовых вод выполнялись на полях СПЭБ ГГИ и в хозяйствах Багаевского и Семикаракорского районов. Схемы опытов 4 и 5 включали следующие варианты: 1. При глубине грунтовых вод Нгр=1,5 ± 0,1 м; 2. Нгр=2,0 ± 0,15 м; 3. Нгр=2,5 ± 0,2 м; 4. Нгр>3,5 м.

При проведении полевых опытов с сорго-суданковым гибридом, кукурузой, озимой пшеницей использовались рекомендованные технологии возделывания этих культур («Система ведения сельского хозяйства Ростовской области». 1980 и 1985 гг.), сортами и гибридами, районированными для данного региона. Опыты проводились в кормовых и зерновых севооборотах. В полевых исследованиях использовались методики Доспехова Б.А. (1968, 1973, 1985), ВНИИ кормов им. Вильямса Б.Р. (1971, 1983), ВНИИ орошаемого земледелия (1983) по постановке и проведению полевых опытов. Площадь опытных делянок составляла 100 м2, повторность опытов 3-х и 4-х кратная. Опытные данные обработаны дисперсионным и регрессионным методами.

Программой опытов предусматривалось проведение систематических наблюдений за влажностью почвы в начале и в конце вегетационного периода, подекадно в расчетном слое и до грунтовых вод, а также одновременно за максимальной глубиной развития корневой системы растений. Аналогичные наблюдения выполнялись в лизиметрах. Полученные результаты позволили установить закономерность развития корневой системы культуры в глубину в зависимости от поливного режима, нижнего порога увлажнения, биологических особенностей культуры, глубины залегания капиллярной зоны грунтовых вод, а также климатических условий вегетационного периода и года.

Даты наступления основных фаз роста и продолжительность межфазных периодов определялись по методике Госсортсети, масса растений – по методике ВНИИ кормов, глубина развития корневой системы – по Доспехову Б.А. и Станкову Н.З., влажность почвы – термостатно-весовым методом (ГОСТ 5179-64). Поливные нормы вычислялись расчетным методом и учитывались с помощью расходомеров и осадкомеров. Испаряемость и использование грунтовых вод растениями рассчитывались по методике ГГИ. Глубина грунтовых вод определялась путем замера на стационарных гидрогеологических скважинах, при отборе почвы до УГВ, а также на временных скважинах, минерализация грунтовых вод и содержание водно-растворимых солей в почве – по Аринушкиной Е.В.. Поливы по вариантам опытов осуществлялись дождевальной машиной ДДА-100МА соответствующими расчетными нормами.

Годы исследований по обеспеченности осадками имели следующую характеристику: 5 % – очень влажный год – 4 года; 5-25 % – очень влажный – средневлажный год – 9 лет; 25-50 % – средневлажный – средний год – 7 лет; 50-75 % – средний – среднесухой год – 6 лет;

75-95 % – среднесухой – очень сухой год – 8 лет; >95 % – очень сухой год – 1 год.

Для достижения поставленной цели исследования выполнялись при обязательном соблюдении следующих основных условий: почвы опытных участков и региона внедрения – черноземы обыкновенные орошаемые; почвы не засолены или слабозасолены – сумма токсичных солей в метровом слое находится в интервале 0,02 % <ΣТС < 0,35 %; глубина грунтовых вод находилась в среднем в интервале 1,5 м ≤Нгр ≤ 3,0 м; расчетная глубина увлажнения при поливах должна быть 0,3 ≤ hр ≤ 0,8 м; минерализация оросительных вод должна быть Сор < 3 г/л; минерализация грунтовых вод Сгр < 5 г/л; обеспеченность осадками вегетационного периода должна составлять Р% > 50 %.

В четвертой главе анализируется «Динамика изменений свойств почвы и элементов водного режима при орошении».

Исследования по изучению физических и водно-физических свойств почвы, а также элементов водного баланса проводились на полях Ростовской областной опытно-мелиоративной станции (РООМС). Почвенный покров участка представлен черноземами обыкновенными среднемощными слабовыщелоченными тяжелосуглинистыми на лессовидных породах, то есть наиболее характерными для центральной орошаемой зоны Ростовской области. Вскипание от 10 % HCl отмечается с глубин 35-40 см, мощность гумусового горизонта достигает 60-80 см, глинистых частиц больше 60 %. Почвы сформированы на лессовидных суглинках, мощность которых достигает 9-12 м. Они макропористы, карбонатные, прорезаны до глубины 4-5 м тонкими трещинами, коэффициент фильтрации 0,6-0,8 м/сут, до глубины 2,0-2,5 м и были не засолены. До орошения глубина залегания уровня грунтовых вод колебалась в пределах 4,0-6,0 и более метров. До начала орошения (1955 г.) в метровом слое почвы было 0,06-0,1 % воднорастворимых солей преимущественно гидрокарбонатного или сульфатного класса кальциевой группы. В пахотном слое содержалось 4-5 % гумуса; 0,22-0,30 % общего азота; 0,11-0,14 % общего фосфора; 21,5-33,8 мг/кг подвижного фосфора; 320-530 мг/кг обменного калия, емкость поглощения колебалась от 32 до 48 мг-экв. на 100 г почвы, поглощенного натрия в ППК не отмечалось. Основные водно-физические свойства черноземов обыкновенных до орошения (Южгипроводхоз, 1956 г) характеризовались следующими показателями: плотность сложения почвы с глубиной равномерно возрастает от 1,08 т/м3 в слое 0-20 см до 1,47 т/м3 в слое 80-100 см. Средняя ее величина в слое 0-100 см составляла 1,26 т/м3. Общая скважность с глубиной уменьшалась от 59,87 % в слое 0-20 см до 45,60 % в слое 80-100 см, в подпахотном горизонте она имела среднее значение – 52,57 %, в слое 0-100 см – 52,58 %. Наименьшая влагоемкость черноземов до орошения также уменьшается с глубиной, в пахотном слое – 31,5 %, в подпахотном – 27,3 %, а в слое 0-100 см наименьшая влагоемкость составляла 27,8 %.

За период орошения с 1956 по 1990 гг. произошли существенные изменения физических и водно-физических свойств черноземов. В метровом почвенном слое их можно описать математическими зависимостями:

Относительная общая скважность Ci / C100=74,82⋅(hi / h100)0,11;

относительная полная влагоемкостьПВi /ПВ100=87,1⋅(hi / h100)0,22;

относительная плотность сложенияJi /J100=0,0038(hi / h100)+1,14;

относительная наименьшая влагоемкость βi /β100=49,8⋅(hi / h100) 0,14;

относительная капиллярная влагоемкость КВi /KB100=40-0,14⋅(hi / h100), где hi и h100 расчетный и метровый слой почвы соответственно.

Абсолютные значения параметров приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Основные водно-физические свойства обыкновенных черноземов после постоянного регулярного их орошения в течение 35 лет

Слой почвы,см

Плотность сложения,т/м3

Полная влагоемкость, % от массы почвы, ПВ

Капиллярная влагоемкость, % от массы почвы, КВ

Наименьшая влагоемкость (НВ), % от

Запас продуктивной влаги,м3/га

Запас легкодоступной продуктивной влаги,м3/га

массы почвыобъема почвы0-20

20-40

40-60

0-60

0-100

0-200

1,21

1,31

1,37

1,30

1,36

1,41

44,30

38,50

35,30

39,37

36,36

33,90

37,40

34,50

31,80

34,56

31,92

29,40

31,40

29,40

27,60

29,47

27,90

26,00

38,00

38,50

37,80

38,10

37,94

36,66

433

406

362

1201

1892

3604

228

231

227

686

1131

2191

Анализ изменения водно-физических свойств орошаемых черноземов за 35 лет орошения (1956-1990 гг.) позволил установить следующие закономерности. Общая скважность почвы в % от объема почвы за это время значительно уменьшилась по всем горизонтам метрового слоя. Полная влагоемкость в % от массы почвы также уменьшилась. Плотность сложения возросла в слое 0-100 см – на 7,9 %. Наименьшая влагоемкость изменилась незначительно. Капиллярная влагоемкость практически не изменилась и в слое 0-100 см составляет 32,0 % от массы почвы. За рассматриваемый период запасы влаги в метровом слое и по горизонтам незначительно возросли. Запас доступной влаги в пахотном горизонте увеличился на 7,4 % или на 58 м3/га, а в подпахотном – на 6,4 %, в метровом – на 111 м3/га. Запас легкодоступной влаги в метровом слое возрос на 77 м3/га или на 6,6 %. За последние 10÷15 лет в связи с периодичностью использования орошаемых земель (по данным РГПМ, г. Батайск) не произошло существенных изменений вводно-физических свойств орошаемых черноземов, точно так же как и их улучшения.

В тесной зависимости от сроков орошения прослеживаются определенные изменения водного режима орошаемых черноземов. По нашим наблюдениям, после проведения полива отмечается выраженный резкий перепад влажности в пахотном горизонте и нижележащем под плужной подошвой слое. Это явление наблюдается после подачи воды на поверхность почвы, что создает кратковременное избыточное увлажнение в пахотном горизонте. Оно обусловлено различной степенью уплотнения в пахотном и подпахотном горизонтах и различной интенсивностью их водопроницаемости. По мере увеличения продолжительности периода орошения снижается эффективность использования поступающей в почву воды в результате снижения скорости фильтрации (см. таблицу 1) и увеличения потерь на физическое испарение с поверхности почвы. В связи с этим, без дополнительных агротехнических мероприятий, при равных количествах поступающей влаги на поверхность суммарное накопление доступной влаги в почве в условиях орошения уменьшается по сравнению с неорошаемыми землями. Это явление подтверждается уменьшением общей скважности пахотного и подпахотного горизонтов и увеличением плотности сложения при 35-ти летнем орошении. Таким образом, особенностью водного режима орошаемых черноземов является промачивание почвенной толщи до глубины 1,0 м несколько раз за гидрологический год. В то время как на богаре это наблюдается только один раз в конце холодного периода. При орошении не отмечается заметного снижения влаги в слоях глубже 1,0 м, даже к концу вегетации. Влажность почвы метровой толщи, при глубоком залегании уровня грунтовых вод (глубже 3,0 м), останется практически постоянной, но по абсолютным значениям выше, чем на богаре. Влажность почвы в расчетном слое при орошении поддерживается на уровне, необходимом для нормального роста и развития сельскохозяйственных культур.

Пятая глава «Регулирование водного режима орошаемых черноземов при близком залегании уровня грунтовых вод».

Для анализа сложившегося неблагоприятного состояния орошаемых земель в настоящее время разработан метод оценки мелиоративного состояния орошаемых земель с качественными и количественными показателями. Суть его заключается в том, что по ряду характерных показателей: сумме токсичных солей (ΣТс, %), расчетному слою (hр, м), глубине залегания УГВ (Нгр, м), минерализации грунтовых (Сгр, г/л), а также оросительных вод (Сор, г/л) можно дать оценку мелиоративного состояния орошаемых земель по количественному показателю EMBED Equation.3 .

С использованием размерностно-регрессионного метода выполнена обработка опытных данных и получена функциональная зависимость изменения коэффициента (индекса) мелиоративного состояния орошаемых земель (Jм.c) от пяти определяющим его параметрам в виде:

EMBED Equation.3

В зависимости от конкретных количественных значений коэффициента (индекса) мелиоративного состояния Jм.с его предлагается оценивать в баллах по соответствующей критериальной шкале, приведенной в таблице 2.

Таблица 2 – Качественная и количественная оценка мелиоративного состояния орошаемых черноземов по укрупненным показателям

Оценка мелиоративного состояния

Сумма токсичных солей ΣТС, %

Расчетный слой hр, м

Глубина залегания уровня грунтовых вод Нгр, м

Минерализация грунтовых водСгр, г/л

Минерализация оросительных вод Сор, г/л

Мелиоративный индекс (коэффициент) Jм.с.

Плохое

0,35-0,20

0,2-0,3

0,5-1,0

10,0-5,0

3,0-2,0

13,50-6,90

Неудовлетворительное

0,20-0,15

0,3-0,4

1,0-1,5

5,0-3,0

2,0-1,0

6,90-5,20

Удовлетворительное

0,15-0,10

0,5-0,6

1,5-2,5

3,0-2,0

1,0-0,6

5,20-3,40

Хорошее

0,10-0,02

0,6-0,8

2,5-3,0

2,0-1,0

0,6-0,3

3,40-0,70

При значениях Jм.с близких к границам оценки, например, около 5,20, следует выполнить анализ по каким причинам и под воздействием каких факторов мелиоративное состояние переходит от уровня – «удовлетворительного» к уровню – «неудовлетворительного» или наоборот.



Страницы: Первая | 1 | 2 | 3 | Вперед → | Последняя | Весь текст