Регулирование водного режима орошаемых обыкновенных черноземов при близком залегании уровня грунтовых вод (20.10.2008)

Автор: Турулёв Владимир Викторович

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.


загрузка...