Статья: Технологические подходы к нормированию режимов орошения и аппарат прогнозирования водопотребления картофеля в условиях поймы нижнего Дона

Материалы и методы

Методология исследований основывается на системном подходе в изучении оперативного управления нормированием орошения картофеля с применением существующих методов прогноза, системного анализа и эмпирического обобщения. Теоретической базой являются работы отечественных (сотрудников и ученых из ФГБОУ ВО «Волгоградский ГАУ», ФГБНУ «РосНИИПМ», ФГБОУ ВО «Саратовский ГАУ», НИМИ ФГБОУ ВО «Донской ГАУ») и ряда зарубежных авторов, а также теоретические обоснования и натурные исследования процессов оперативного управления нормированием орошения. Эмпирическую базу составили результаты полевых исследований на пойменных землях Нижнего Дона, анализ и обобщение полученных данных. Исследования проводились с использованием сертифицированных приборов и оборудования и в соответствии с действующей нормативной документацией и стандартными методиками. Обработка теоретических и практических результатов осуществлялась с помощью математического анализа эксперимента и математической статистики.

Для оценки влияния изменчивости гидрометеорологических факторов и влажности почвы на эвапотранспирацию и урожайность различных сельскохозяйственных культур были использованы данные, полученные при проведении водно-балансовых и агрометеорологических исследований учеными ЮжНИИГиМ (РосНИИПМ) и НИМИ Донской ГАУ за период с 1990 по 2010 г., а также материалы исследований ЮжНИИГиМ (РосНИИПМ) за 1960-1980 гг. [21-23].

Результаты и обсуждение

На основании многолетних исследований ученых ЮжНИИГиМ (РосНИИПМ) и НИМИ Донской ГАУ по изучению динамики эвапотранспирации различных сельскохозяйственных культур в зависимости от изменения фактических метеорологических параметров, измеряемых на соответствующих метеостанциях для условий конкретных орошаемых массивов, авторами установлены парные коэффициенты их корреляции с испаряемостью (), температурой воздуха (), дефицитом влажности воздуха (), осадками (), дефицитом естественного увлажнения (), эвапотранспирацией (), оросительной нормой () и урожайностью () (таблица 1).

Таблица 1

Парные коэффициенты многолетних величин эвапотранспирации, оросительной нормы и урожайности с основными метеорологическими факторами

Анализ приведенных данных показывает, что дефицит естественного увлажнения , характеризующий тепло- и влагообеспеченность расчетного слоя почвы в течение вегетационного периода, оказывает значительное влияние на величину эвапотранспирации. Наиболее сильна взаимосвязь эвапотранспирации с потенциальной эвапотранспирацией - комплексной гидрометеорологической характеристикой, коэффициент вариации которой составляет 0,96. Наиболее тесна взаимосвязь урожайности сельскохозяйственных культур с эвапотранспирацией и потенциальной эвапотранспирацией, коэффициенты корреляции которых составили 0,86 и 0,76 соответственно. Зависимость урожайности от оросительной нормы весьма слабая и характеризуется коэффициентом корреляции 0,51.

Эта закономерность объясняется тем, что одинаковая урожайность может быть получена при различных величинах оросительных норм в разные по тепловлагообеспеченности годы. Поэтому совершенно некорректно строить зависимости абсолютных величин урожайности в различные временные периоды от абсолютных величин оросительных норм. Следует получать эмпирические зависимости «урожайность - оросительная норма», используя относительные показатели соответствующих измеряемых величин. Кроме того, анализ значений коэффициентов корреляции дает возможность установить следующее:

- наиболее тесная связь эвапотранспирации, оросительных норм и урожайности существует со следующими гидрометеорологическими характеристиками: потенциальной эвапотранспирацией и дефицитом естественного увлажнения;

- различные значения парных коэффициентов корреляции между соответствующими измеряемыми величинами при постановке полевых опытов и гидрометеорологическими переменными, определяемыми на метеостанциях, указывают на отсутствие прямо пропорциональной зависимости между ними.

Поэтому следует сделать вывод о том, что наиболее точная количественная оценка влияния гидрометеорологических условий на рост и развитие растений, на эвапотранспирацию посевов может быть получена с использованием нелинейных математических зависимостей.

Необходимо отметить, что при оперативном планировании и, особенно при управлении технологическим процессом полива сельскохозяйственных культур, следует знать фактическую величину почвенных влагозапасов в расчетном слое почвы на начало и конец расчетного периода, который в соответствии с прогнозом может составлять от 1 до 5, 10 и более суток. В этих условиях существует единственный вариант - величину влагозапасов определять по уравнению водного баланса орошаемого поля с расчетом эвапотранспирации на основе эмпирических моделей, на точность которых влияет точность определения биоклиматических коэффициентов в зависимости от конкретных почвенно-климатических условий, закономерности их изменения в пространстве и времени с учетом агроклиматической обстановки, влагообеспеченности и биологических особенностей используемых сельскохозяйственных культур.

Фактические величины эвапотранспирации и потенциальной эвапотранспирации рассматривались на основе вегетационных периодов, которые характеризуются как средне-влажный, средний и средне-сухой. Гидротермические коэффициенты (ГТК) приняли значения 1,10; 0,65 и 0,27 за 2012, 2013, 2014 гг. соответственно; в период вегетации выпало 162,8; 122,1; 65,2 мм осадков; относительная влажность воздуха в среднем составила 51, 53 и 50 %; сумма среднесуточных температур - 1480, 2001 и 2414 °С соответственно по годам исследований.

Фактическая величина эвапотранспирации картофеля () устанавливается путем определения элементов уравнения водного баланса орошаемого поля по зависимости:

, (1)

где - эвапотранспирация, мм;

- биоклиматический коэффициент;

- потенциальная эвапотранспирация, величина которой получена по данным метеостанции, мм;

- микроклиматический коэффициент, учитывающий изменение микроклимата сельскохозяйственного поля под влиянием орошения.

Микроклиматический коэффициент , отражающий изменение микроклимата на сельскохозяйственном поле под влиянием орошения (в результате снижения температуры воздуха и скорости ветра, повышения влажности воздуха в приземном слое атмосферы), зависит от размера орошаемой площади и коэффициента природного увлажнения . Для условий поймы Нижнего Дона в целом по рассматриваемому району орошения = 0,87.

Биоклиматические коэффициенты картофеля определяются по эмпирическим уравнениям авторов в зависимости от биологических особенностей растений картофеля и влияния фактических влагозапасов в расчетном слое почвы с учетом фаз развития. Уравнения имеют общий вид:

, (2)

где - биоклиматический коэффициент;

, , - параметры уравнения;

- влагозапасы в расчетном слое почвы: начальные, конечные и при влажности, соответствующей наименьшей влагоемкости.

Параметры уравнения (2) для различных фаз роста и развития растений картофеля приведены в таблице 2.

Таблица 2

Параметры уравнения по определению биоклиматического коэффициента для различных фаз развития картофеля

Для повышения точности расчета величины эвапотранспирации орошаемого поля следует использовать величины отклонений фактических значений метеопараметров от их среднемноголетних значений:

, (3)

где - эвапотранспирация, мм;

- среднесуточная температура, °С;

- относительная влажность воздуха, %;

- осадки, мм;

- потенциальная эвапотранспирация.

Отклонения потенциальной эвапотранспирации и эвапотранспирации от их среднемноголетних значений, по данным соответствующих метеостанций и экспериментальным результатам, вычисляются следующими модульными коэффициентами:

, (4)

, (5)

где и - модульные коэффициенты отклонений значений потенциальной эвапотранспирации и эвапотранспирации;

и - фактические значения эвапотранспирации, потенциальной эвапотранспирации, которые получены по данным метеостанции, и транспирации, мм;

, - среднемноголетние значения потенциальной эвапотранспирации и эвапотранспирации, мм.

На основании анализа экспериментальных и среднемноголетних данных получена нелинейная зависимость относительных отклонений эвапотранспирации от потенциальной эвапотранспирации (рисунок 1), которая описывается уравнением полиноминального вида второй степени:

, . (6)

Рисунок 1 Эмпирическая зависимость динамики относительных отклонений эвапотранспирации от потенциальной эвапотранспирации

Для определения величины эвапотранспирации во времени на севооборотном участке устанавливается испарометр ГГИ-3000, показания которого сравниваются с соответствующими данными ближайшей метеостанции. При отсутствии испарометров величина потенциальной эвапотранспирации определяется по региональным зависимостям, которые получены авторами в результате модификации модели В. П. Остапчика на основе данных метеостанций Ростовской области:

, (7)

где , - эмпирические параметры, полученные авторами для условий поймы Нижнего Дона. = 1,220; = 0,003; = 0,84;

- дефицит влажности воздуха, мбар;

- температура воздуха, °С.

Во избежание чрезмерного накопления ошибок рекомендуется периодически корректировать величины и путем сравнения их с фактическими данными измерений на конкретном поле. Такие измерения целесообразно проводить 1-2 раза за вегетационный период.

Выводы

1 Определены биоклиматические коэффициенты в зависимости от влагозапасов в расчетном слое почвы по фазам вегетации картофеля летнего срока посадки с соответствующими параметрами, которые составили: - от минус 0,295 до минус 0,027; - от 0,181 до 1,747; - от 0,025 до 1,395. Достоверность аппроксимации () изменялась в пределах от 0,92 до 0,98.

2 На основании корреляции экспериментальных и среднемноголетних данных получена нелинейная зависимость относительных отклонений эвапотранспирации от потенциальной эвапотранспирации, которая описывается уравнением полиноминального вида второй степени с достоверностью аппроксимации (), равной 0,96.

3 В результате модификации формулы В. П. Остапчика установлена региональная зависимость для определения потенциальной эвапотранспирации в условиях поймы Нижнего Дона с эмпирическими коэффициентами и , равными 1,220 и 0,003 соответственно.

4 Результаты проведенных исследований показывают, что повышение точности определения эвапотранспирации и потенциальной эвапотранспирации на основе среднемноголетних значений, учета влажности почвы и адаптированной зависимости В. П. Остапчика обеспечит значительный рост эффективности использования водных и энергетических ресурсов при реализации режимов орошения посадок картофеля в условиях поймы Нижнего Дона. Это обусловлено новой методологией корректировки биоклиматических коэффициентов в имеющихся моделях определения эвапотранспирации за счет учета конкретных почвенно-климатических условий зоны орошения, пространственно-временной изменчивости агрометеорологических параметров, влагообеспеченности расчетного слоя почвы и биологических особенностей сельскохозяйственных культур.

Список использованных источников

1 Методические рекомендации по определению зависимости «урожайность - водообеспеченность» на основе полевого опыта в условиях орошения / Д. Б. Циприс [и др.]; СевНИИГиМ. СПб., 1988. 48 с.

2 Расчет норм водопотребности под заданный урожай / Д. Б. Циприс [и др.]. // Гидротехника и мелиорация. 1986. № 4. С. 44-47.

3 Догановская, Л. Н. Анализ связей урожай - водообеспеченность по сложным условным кривым вероятностей / Л. Н. Догановская // Водопотребление и оптимизация орошения в Нечерноземной зоне РСФСР: сб. науч. тр. Л., 1981. С. 13-18.

4 Белинский, С. М. Методика, алгоритмы и программы для построения связи с факторами внешней среды / С. М. Белинский, М. Г. Сулимова, Д. Б. Циприс // Научные основы мелиорации земель при создании территориально-производственных комплексов в Сибири: тез. докл. респ. науч.-техн. конф. Красноярск, 1980. С. 26-32.

5 Либерман, А. Ш. Оптимизация норм водопотребления сельскохозяйственных культур / А. Ш. Либерман // Водопотребление и оптимизация орошения в Нечерноземной зоне РСФСР: сб. науч. тр. / СевНИИГиМ. Л., 1981. С. 31-34.

6 Плавник, Т. А. Расчет режима орошения сельскохозяйственных культур по рациональному балансу / Т. А. Плавник // Водопотребление и оптимизация орошения в Нечерноземной зоне РСФСР: сб. науч. тр. / СевНИИГиМ. Л., 1981. С. 19-24.