2курс лекции. Мелиорация земель
 Скачать 1.89 Mb.
|
|
3.2 Водные свойства почв 9 Воды зоны аэрации (содержащиеся в почве) изучают наиболее тщательно, так как все ме- лиоративные мероприятия направлены на управление водным режимом именно в этой зоне. При помощи гидромелиорации регулируют влажность корнеобитаемого слоя почвы, добиваясь опти- мальной для роста и развития данной сельскохозяйственной культуры. Подвижность почвенной влаги положена в основу выделения ее категорий и форм. Разли- чают следующие категории почвенной влаги: 1) кристаллизационную, 2) твердую (лед), 3) парообразную, 2) прочносвязанную, 3) рыхлосвязанную, 4) свободную. Величины влажности, при которых происходят более или менее резкие изменения подвиж- ности почвенной влаги, называются почвенно-гидрологическими константами (ПГК). Выде- ляют следующие основные почвенно-гидрологические константы: Максимальная гигроскопичность (МГ) – влажность, включающая прочносвязанную влагу и часть рыхлосвязанной. Влажность завядания (ВЗ), которая зависит не только от характера почвы, но и от вида растения. Эта величина характеризует физиологическую доступность почвенной влаги. Обычно ВЗ=(1,2-1,7)МГ. Влагоемкость характеризует способность почвы удерживать влагу. Различают несколько видов влагоемкости, основными из которых являются наименьшая, капиллярная и полная. Наименьшая влагоемкость (НВ) (предельно полевая влагоемкость ППВ)– это наибольшее количество влаги, которое почва может удержать после стекания гравитационной воды в подве- шенном состоянии (без влияния капиллярной воды). При наименьшей влагоемкости в почве со- держится максимальное количество воды, доступной для растений, так как водой заполнено 50–70 % пор почвы. Полная влагоемкость (ПВ)– наибольшее количество влаги, которое может находить- ся в почве. Капиллярная влагоемкость (KB) – количество влаги, удерживаемое почвой в капил- лярной кайме. Влагоемкость почвы зависит от механического состава, содержания гумуса и структуры. Суглинистые и глинистые почвы имеют наибольшую влагоемкость по сравнению с почвами су- песчаными и песчаными. Почвы, богатые гумусом, структурные, способны удерживать влаги больше, чем бесструктурные и слабогумусированные. Сельскохозяйственные культуры неодина- ково требовательны к содержанию влаги в почве. Наилучшие условия для роста зерновых культур создаются при влажности почвы 30– 50 %, для зерновых, бобовых–50–60, корнеплодов и техниче- ских культур – 60–70, луговых трав – 80–90 % полной влагоемкости. Запасы воды в почве(W, м 3 / га), используемые растением за вегетацию из активного слоя почвы (h), определяются по формуле W=h·d· НВ (нач - кон) где h - глубина активного слоя почвы; d - объемная масса, т/м 3 ; нв - наименьшая влагоемкость, %; нач, кон - уровни увлажнения в начале и конце периода, %. 4 ВОДНЫЙ РЕЖИМ РАСТЕНИЙ 4.1 Требования растений к водно-воздушному режиму 1. В период вегетации растение потребляет огромное количество воды (99,8%) на транспи- рацию (испарение воды через листовую поверхность) и только 0,2% – на построение своих орга- нов. Вода поступает из почвы в растение через его корневую систему. В растении идет постоян- ный ток воды от корней к листьям. Поэтому в почве всегда должен быть достаточный запас про- 10 дуктивной влаги. Для удовлетворения этого требования влажность почвы должна быть всегда близка к НВ. 2. Вместе с водой в почве должен быть и кислород, который непрерывно расходуется на дыхание корней растений и аэробных бактерий, на окислительные процессы, происходящие в почве. Огромное количество аэробных бактерий разлагают органические вещества в почве на ми- неральные соединения, необходимые для питания растений. Таким образом, необходим постоян- ный приток воздуха в почву. 3. Водный, воздушный и пищевой режимы почвы взаимосвязаны и наиболее благоприятны для растений тогда, когда в почве все капиллярные поры заполнены водой, а некапиллярные поры заняты воздухом. Но из почвы вода постоянно расходуется на испарение с поверхности и транс- пирацию, поэтому соотношение в почве воды и воздуха постоянно меняется. Но влажность почвы в условиях орошения не должна опускаться ниже минимально допустимой (табл. 4.1), при которой начинает замедляться накопление растительной массы. Таблица 4.1 - Минимально допустимая влажность почвы, % НВ Культура Для незасоленных почв Для слабозасоленных почв тяжелых легких тяжелых легких Многолетние травы 70–75 65-70 75–80 70–75 Зерновые 65–70 60–65 70–75 65-70 Кукуруза 65–70 60–65 75–80 70–75 Корнеплоды 70–75 65–70 75–80 70–75 Картофель 65–75 60–70 75–80 70–75 Овощные культуры 75–80 70–75 80–85 75–80 Примечание. Легкие почвы - супесчаные, легкосуглинистые; тяжелые – среднесуглини- стые, тяжелосуглинистые и глинистые. Чем тяжелее почва, тем больший процент воды недоступен для растения и тем меньше воздуха в почве остается после полива. В песчаных, супесчаных и суглинистых почвах за верхний предел влажности обычно принимают НВ, при которой объем воздуха в них вполне достаточен для нормального развития и роста всех культур. 4. Каждое растение предъявляет требования к температурному режиму почвы и воздуха. На прохождение каждой стадии развития растению требуется определенная сумма среднесуточ- ных температур при наличии в полной мере других факторов жизни. Повышение температуры почвы задерживает рост корней, уменьшает растворимость кислорода в воде и в итоге снижает урожай. Поэтому условия внешней среды должны соответствовать биологии развития растений. 4.2 Водопотребление сельскохозяйственных культур Получение высоких гарантированных урожаев сельскохозяйственных культур возможно при большом водопотреблении сельскохозяйственных культур. Водопотребление (Е) (эвапотранспирация, суммарное испарение) - количество воды, ис- пользуемое сельскохозяйственной культурой для получения планируемого урожая. Водопотребление поля, занятого сельскохозяйственной культурой, расходуется на транспи- рацию (Ет) и испарение почвы (Еп) Е = Ет+Еп На испарение с поверхности почвы действуют только факторы внешней среды, а транспи- рация обусловливается взаимным влиянием внешних и внутренних факторов растений. Опреде- лить доли транспирации Ет и испарения почвы Еп в водопотреблении сложно, поэтому их обычно определяют как единое целое. Водопотребление находится в прямой зависимости от климатических, гидрогеологических и хозяйственных условий, биологических особенностей культуры, ее урожайности, способа гид- ромелиорации и играет важную роль в формировании водного баланса поля, являясь основной расходной статьей баланса. 11 Существуют следующие методы определения водопотребления: методы непосредственных полевых измерений; расчетные методы; эмпирические зависимости. Метод водного баланса (МВБ) основан на уравнении водного баланса поля. Он дает до- статочно надежные данные и применяется в случае глубокого (5-10 м) залегания уровня грунто- вых вод. Тогда влагообменом между грунтовыми и почвенными водами можно пренебречь. Этим методом можно вычислять декадное и месячное водопотребление растений для однородных почв с погрешностью 10-12%, а для неоднородных около 15%. Недостаток этого метода - в его трудо- емкости и не оперативности. Он дает лишь осредненную величину водопотребления, не выявляя его зависимости от других факторов. Разновидности МВБ – методы испарителей и лизиметров. Метод испарителей базируется на использовании цилиндрических сосудов высотой 1-1,5 м и площадью поперечного сечения 500... 3000 см 2 с водонепроницаемыми дном и стенками; предназначен для определения водопо- требления из расчетного слоя почвы. В сосуды помещают почвенные монолиты. Испарители при- меняют на орошаемых массивах с глубоким (5-10 м) залеганием грунтовых вод, так как в этом случае исключается вертикальный влагообмен в почве. Метод лизиметров в отличие от метода испарителей учитывает вертикальный влагообмен в монолите. Лизиметр представляет собой сосуд круглого или прямоугольного сечения высотой 1- 2,5 м и площадью поперечного сечения от 100 см 2 – для зерновых культур, до 10000 см 2 – для хлопчатника. В лизиметрах автоматически поддерживается расчетная глубина грунтовых вод. Недостаток метода водного баланса заключается в том, что он не выявляет зависимости Е от теплоэнергетических, метеорологических и других факторов жизни растений. Этих недостатков позволяет избежать метод теплового баланса (МТБ). Метод теплового баланса основан на использовании уравнений теплового баланса по- верхности земли с учетом тепло- и водообмена в приземном слое воздуха. Он позволяет получать величины за короткие отрезки времени и в сочетании с методом водного баланса удобен для изу- чения водопотребления. Радиационный баланс R непосредственно измеряют в полевых условиях на актинометриче- ских станциях или теплобалансовых установках при помощи балансомеров. При расчете исполь- зуют данные о температуре почвы, которую периодически замеряют на разных глубинах. Турбу- лентный поток тепла Р находят с учетом разности температур, влажности воздуха и скорости ветра на поверхности почвы и на высоте 2м. МТБ в настоящее время принят за эталонный при измерении водопотребления сельскохо- зяйственных культур. Эмпирические методы основаны на установлении корреляционных зависимостей между испарением и одним или группой метеорологических показателей. Впервые формулу для определения водопотребления предложил А. Н. Костяков Е=КУ, где К – коэффициент водопотребления, м 3 /т; У – планируемая урожайность, т/га. О потреблении и эффективности использования воды растениями судят по коэффициенту водопотребления. Коэффициентом водопотребления называют количество воды, м 3 , расходуемое на испаре- ние с поверхности почвы и транспирацию для образования 1 т товарной продукции (зерна, хлоп- ка-сырца, плодов, фруктов, клубней картофеля, сена). Этот коэффициент определяется из уравне- ния: Величина коэффициента водопотребления одной и той же культуры колеблется в больших пределах; минимальное значение получается при благоприятном сочетании всех факторов жизни растений, при нарушении этого сочетания он увеличивается. В производственных условиях, чем выше плодородие почвы и агротехника возделывания культуры в хозяйстве, тем выше урожай, тем ниже эти коэффициенты, и наоборот. Получить его достоверные значения для всех районов практически очень трудно. Из-за отсутствия соответствующих коэффициентов этим методом 12 нельзя определить величину водопотребления в засушливые годы, а также в отдельные периоды (фазы) развития растений. Поэтому в последние годы широкое распространение получил биоклиматический метод А.М. и С.М. Алпатьевых: В таблице 4.2 приведены расчетные формулы, имеющие следующие обозначения: Таблица.4.2 - Расчетные методы определения водопотребления (Е) Методы, автор Вид зависимости Теплового баланса Е = (R - B - P')/ L Водного баланса Е = P + M + W п + W гр А.Н. Костякова Е = К в У Н.Н. Иванов Е = 0,0018(100 - f)(25 + t) 2 А.М. Алпатьев Е = К б ∑d Л. Тюрк Е = 0,13(t+50) t/(t+15) L - скрытая теплота испарения; R - радиационный баланс; B - тепло, идущее на нагревание почвы; Р' - турбулентный поток; У - планируемая урожайность сельскохозяйственных культур; М - оросительная норма; W п - количество воды, используемое растением из почвы; W гр - подпитывание грунтовыми водами; Р - осадки за расчетный период; ∑t - сумма среднесуточных температур; ∑d - сумма среднесуточных дефицитов влажности воздуха; f - среднесуточная относительная влажность воздуха; К б - биоклиматический коэффициент; К в – коэффициент водопотребления. Ни один из рассмотренных выше методов не может считаться универсальным. Каждый из них пригоден лишь для конкретных природо-хозяйственных условий, для которых получены эм- пирические коэффициенты, входящие в эти зависимости или сами зависимости. Многолетние исследования кафедры мелиорации ВГАУ (А.Ю. Черемисинов, И.П. Земля- нухин, С.П. Бурлакин, Н.А. Черемисинова) .показали, что для условий ЦЧР наиболее применим биоклиматический метод. 5 РЕЖИМ ОРОШЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР 5.1 Режим орошения Режим орошения – это совокупность оросительной и поливных норм, числа и сроков по- ливов. При проектировании режима орошения определяют водопотребление (суммарное испаре- ние), оросительные и поливные нормы, сроки и число поливов каждой культуры севооборота, со- ставляют график гидромодуля и согласовывают режим орошения с режимом водоисточника. Режим орошения должен обеспечивать в почве оптимальный водный, воздушный и связан- ный с ними питательный и тепловой режимы, не допускать подъема грунтовых вод и засоления почвы. Режим орошения зависит от характера сельскохозяйственных растений, метеорологических условий года, свойств почвы, организационно - хозяйственных условий. 5.2 Оросительная и поливная нормы 13 Определение оросительной нормы. Для получения дополнительной продукции растение- водства и покрытия дефицита водного баланса агроэкосистемы, необходимо дополнительное ко- личество воды - оросительная норма. Оросительной нормой (М) называется количество воды, подаваемое при орошении за весь оросительный период на 1 га орошаемой площади. Ее величину можно определить по методу балансовых расчетов (обозначения в формулах см. на стр. 28): М = К в У - ( Р + W + W гр ), м 3 /га. Полученные результаты округляются до целого числа, кратного 100. Для условий ЦЧР оро- сительные нормы колеблются как по годам, так и по культурам - от 800 до 3000 м 3 /га. Сумма оросительных норм за вегетацию составит потребность в воде на орошение из водо- источника. Поливная норма - количество воды, подаваемое на 1 га за один полив. Измеряется в м 3 /га или мм. Определяется по формуле: m=100hd( нв - o ), м 3 /га где h – расчетный (активный) слой почвы, м; d – объемный вес расчетного слоя почвы, т/м 3 ; - влажность расчетного слоя почвы после полива (% от НВ); o - нижняя граница оптимального увлажнения, % зависит от культуры и мехсостава почвы. Величины поливных норм принимаются кратными «50» и на черноземах колеблются от 300 до 550 м 3 /га Сумма поливных норм для одной культуры за вегетационный период составляет ороси- тельную норму М = m. Величина поливных норм при поливе дождеванием рекомендуется для освежительных по- ливов 50 – 100 м 3 /га, посадочных и послепосевных– 100–150, вегетационных–300–600 м 3 /га. Нормы влагозарядковых поливов при глубоком залегании грунтовых вод принимают для легких и средних почв от 1000 до 1500 м 3 /га и для тяжелых почв– 1500– 2000 м 3 /га. Все поливные нормы проверяются как эрозионно допустимые. Число поливов. При одинаковых величинах поливных норм число поливов равно: N = M/m, где М – оросительная норма, м 3 /га; m– поливная норма, м 3 /га. Сроки полива назначают такие, при которых получаются наиболее высокие урожаи, то есть сроки полива должны обеспечить оптимальный водный режим почвы для каждой культуры в конкретных условиях их выращивания. В течение вегетации потребность растений в воде различна. У каждого из них есть опреде- ленные фазы развития, которые являются критическими по водопотреблению, когда растения очень чувствительны к дефицитам воды . Поэтому в течение вегетации поливов должно быть несколько и их сроки устанавливаются разными методами: по фазам вегетации растений, изменению величины почвенной влажности, по дефициту водного баланса, расчетными методами. В хозяйствах ЦЧР оптимальная продолжительность поливов для овощных культур 4-5 су- ток, зерновых 5-8, трав 5-7. 5.3 Графики оросительного гидромодуля Графики гидромодуля. Режим орошения одной культуры можно представить в виде гра- фика гидромодуля. Гидромодуль - количество воды (удельный расход), подаваемое на единицу площади сево- оборота в единицу времени при орошении (q). 14 q=m/86,4 t, л/с га, где - доля площади культуры в севообороте, m - поливная норма, м 3 /га; t - продолжительность полива, сут. На графике площадь каждого прямоугольника представляет собой объем воды, которую подают на один полив всей площади, занимаемой культурой в севообороте. На графике также видны начало и конец каждого полива и межполивные периоды. Если на таком графике начертить режим орошения всех культур севооборотного участка, то получится неукомплектованный график режима орошения культур севооборота. По неукомплектованному графику гидромодуля сельскохозяйственные культуры не поли- вают в следующих случаях: требуемые для полива расходы воды очень неравномерны; строительство оросительной системы на максимальный расход по неукомплектованному гра- фику гидромодуля ведет к значительному увеличению строительных работ и капитальных вложе- ний, к удорожанию эксплуатации и ухудшению мелиоративного состояния орошаемых земель; в соответствии с колебанием ординат гидромодуля должно изменяться число поливальщиков, дождевальных машин и пропашных агрегатов для своевременной послеполивной культивации. Таким образом, полив по неукомплектованному графику экономически невыгоден и техни- чески неприемлем. Если его выровнять путем заполнения понижений и удаления пик, то получит- ся укомплектованный график режима орошения культур (график полива). Рис. 5.1 График гидромодуля: а – неукомплектованный, б, в – укомплектованный; 1– ози- мая пшеница, 2 – яровая пшеница, 3 – кукуруза, 4 – пожнивная кукуруза, 5 – люцерна 1-го года жизни, 6 – люцерна 2-го и 3-го года жизни |