CC BY
0ЭКОЛОГО-ГИДРОФИЗИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОПТИМИЗАЦИИ ОРОШЕНИЯ
1В.М.Гончаров, 2Ш.Я.Эшпулатов
1 Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова, Россия 2 Ферганский государственный университет, Республика Узбекистан https://doi.org/10.5281/zenodo.11293317
Аннотация. Основными задачами оптимизации орошения являются оперативный контроль влагообеспеченностирастений, исключающий возникновение водного дефицита, и исключение непродуктивных потерь воды, приводящих к экологическим проблемам: засолению и деградации почвенного покрова Эколого-гидрофизический подход способствует увеличению эффективности орошения и снижению его экологически неблагоприятных последствий, позволяет оперативно дать оценку влагообеспеченности сельскохозяйственных культур, а также возможных инфильтрационных потерь влаги.
Ключевые слова: влагообеспеченность, давление влаги, орошение, почва, экология.
Одной из основных задач современного сельскохозяйственного производства в регионах с недостаточным увлажнением является повышение эффективности использования водных ресурсов, применение водосберегающих технологий. Для государств Центральной Азии поливное земледелие является не только основой сельского хозяйства, но и базой для продовольственной безопасности региона. Президент Республики Узбекистан Шавкат Мирзиёев отметил, что в некоторых регионах Центральной Азии к 2040 году нагрузка на водные ресурсы увеличится в три раза. Вместе с тем, из-за неэффективной работы ирригационной инфраструктуры, неэффективного использования водных ресурсов и их дефицита уже сегодня государства региона ежегодно теряют до $2 млрд. Кроме того, потери воды в процессе инфильтрации приводят к экологическим проблемам: засолению и деградации почвенного покрова, подъему уровня грунтовых вод, изменению всех элементов экосистемы.
Орошение может быть эффективным и экологически безопасным в том случае, если оно, с одной стороны, исключает возникновение водного дефицита, снижающего урожайность сельскохозяйственных культур, а с другой - не приводит к появлению оттока влаги за пределы расчетного слоя. Таким образом, центральной проблемой в оптимизации орошения является постоянный оперативный экологический контроль водного режима почв в течение оросительного периода, Термовесовой метод контроля влагообеспеченности растений, широко используемый до настоящего времени, малопригоден для практических целей из-за большой трудоемкости, особенно при слежении за наступлением предполивного порога на нескольких орошаемых массивах одновременно. Наиболее перспективным гидрофизическим подходом в этом отношении является энергетический, рассматривающий связь содержания влаги и степени ее доступности для растений, определяемая составом и свойствами твердой фазой почвы. Энергетическим показателем может служить давление почвенной влаги (Р). Таким образом, гидрофизический метод позволяет оценить доступность влаги для растений по измеряемому в полевых условиях значению давления почвенной влаги (Р). Установив приборы для измерения Р
(тензиометры) в корнеобитаемом слое почвы, можно следить за динамикой Р и, следовательно, изменением влагообеспеченности растений в течение всей вегетации. Увеличение влажности почвы приводит к возрастанию Р, и наоборот.
Целью данной работы стал эколого-гидрофизический контроль влагообеспеченности растений и инфильтрационных потерь влаги за пределы почвенного расчетного слоя. В работе в качестве примера приведены результаты исследований черноземов обыкновенных мицеллярно-карбонатных мощных тяжелосуглинистых на карбонатном лёссовидном суглинке с содержанием гумуса до 4% (Краснодарский край), орошаемых дождеванием, поливные нормы составили 30-45 мм. Результаты синхронных определений влажности почвы и Р в течение вегетационного сезона (июнь-август) показали, что в момент полива происходит резкое увеличение влажности почвы, что сопровождается подъемом давления влаги до -5 кПа на глубине 40 см и -8 кПа на глубине 60 см. Последующее за этим иссушение почвы до 74% и 82% от наименьшей влагоемкости (НВ) на этих глубинах приводит к снижению Р, соответственно, до -37 кПа и -28 кПа. Предполивными значениями влажности или запасами влаги в расчетной толще почвы, как правило, принимают 70% НВ в слое 0-100 см. Таким образом, получаем на одной из глубин критическое предполивное значение давления влаги, и далее можно вести наблюдения за Р и оперативно контролировать необходимость проведения полива. Для различных сельскохозяйственных культур критическое давление влаги и глубина установки тензиометров будут неодинаковы, что связано с их различной потребностью во влаге и особенностями развития корневых систем. Значения этих параметров для некоторых культур приведены в таблице 1. Указанные значения давления влаги являются пороговыми, т.е. по их достижении в почве следует проводить полив. Очевидно, что метод применим на различных почвах и для различных культур, а получение критических предполивных значений давления влаги требует предварительных гидрофизический исследований.
Таблица 1. Критические давления и глубина установки тензиометров для некоторых видов орошаемых культур (Краснодарский край).
Культура Уровень грунтовых вод
3 м 1,5-3 м
люцерна -40 кПа на глубине 40 см -50 кПа на глубине 50 см
кукуруза, подсолнечник -40 кПа на глубине 30 см -30 кПа на глубине 40 см
сахарная свекла -30 кПа на глубине 30 см -30 кПа на глубине 40 см
зерновые -40 кПа на глубине 30 см не определяли
Остается вопрос контроля оттока воды за пределы расчетной толщи, однако и его можно контролировать с помощью тензиометров, установленных на нижней границе этой толщи, т.к. основной движущей силой для передвижения влаги в почвенном профиле также является давление влаги, вернее, его перепад. В основе расчетов вертикального передвижения влаги в ненасыщенной почве лежит использование модифицированного закона Дарси: Квл(ёР/ё2-1), где - поток влаги в почве, Квл - коэффициент влагопроводности при соответствующем давлении (Р), ёР - перепад давления влаги на расстоянии Перепад может вызывать движение почвенной влаги как вверх (иметь положительный знак), так и движение вниз. Если градиент давления влаги (ёР^) -
отношение перепада давления на границах слоя толщиной ъ - меньше 1, то поток влаги будет направлен вниз (при выражении Р в единицах высоты водного столба, например, в см или м, как и ъ). И наоборот, поток влаги будет восходящим при градиенте давления больше 1. Зная динамику ёР/ёъ, можно вычленить периоды со значениями ёР/ёъ<1, указывающие на наличие потерь влаги за пределы рассматриваемой почвенной толщи ъ.
Для оценки направления потоков влаги и оценки глубинного оттока на участках исследования устанавливали тензиометры на глубинах 100 и 150 см. В период вегетации по данным о тензиометрическом давлении влаги рассчитывали градиент матричного давления ёР/ёъ в слое 100-150 см (на нижней границе расчетной толщи). Динамика ёР/ёъ показала, что на участке с близким (около 1,5 м) залеганием грунтовых вод в течение всего сезона наблюдались периоды как притока (ёР/ёъ>1), так и оттока (ёР/ёъ<1) влаги за пределы расчетной толщи. Периоды экологически неблагоприятного оттока влаги составляли значительную часть вегетационного периода и были приурочены к поливам. Зная значение ненасыщенной гидравлической проводимости и градиент давления, можно рассчитать отток влаги на нижней границе исследуемой толщи. Учитывая, что Р в этих условиях было высоким (от -3 до -10 кПа), ненасыщенная гидравлическая проводимость также высокая (около 10-12 м3*с/кг), то и переток был значительным. Причем отток влаги преобладал над притоком в корнеобитаемую толщу: безвозвратные потери воды в этих условиях достигали около 12,6 мм за время наблюдений.
В условиях более глубокого (в пределах 5-8 м) залегания грунтовых вод значение ёР/ёъ однозначно указывает на то, что влага глубинных слоев подпитывает в течение всей вегетации вышележащую толщу. Приток достигал 17-20 мм за период исследований, и в целом при хорошей солевой обстановке это можно оценивать как благоприятное явление с точки зрения влагообеспеченности растений. Парадоксальной кажется ситуация на участке с глубоким (>15 м) уровнем грунтовых вод: ёР/ёъ указывает на отток влаги, несмотря на то, что нижняя часть толщи была весьма иссушена (Р<-26 кПа, влажность 70-80% НВ). Однако отток влаги в этих условиях весьма мал - до б-7 мм за исследуемый период, что связано с очень низкими значениями ненасыщенной гидравлической проводимости в нижних слоях почвы (менее 5,5*10-14 м3*с/кг). Таким образом, появление оттока влаги возможно при ёР/ёъ<1, и его экологическая опасность возрастает при высоком давлении влаги (до 0-10 кПа) в нижних слоях почвенного профиля. Потери влаги на глубинную инфильтрацию могут увеличиваться с увеличением поливных норм.
Эколого-гидрофизический подход дает возможность и более точного прогноза потоков влаги и инфильтрационных потерь. Для количественных расчетов необходимо экспериментальное почвенное обеспечение в виде основной гидрофизической характеристики (ОГХ) - зависимости давления влаги (Р) от влажности почвы функции влагопроводности - зависимости коэффициента влагопроводности (Квл) от давления Квл(Р), плотности почвы для каждого рассматриваемого почвенного слоя; а также количественное описание условий на границах рассматриваемой почвенной толщи: верхней (полив или осадки, испарение, транспирация), нижней (поток или отток влаги из рассматриваемого профиля почвы) и начальных условий - послойное распределение давления влаги или влажности почвы.
ВЫВОДЫ
- Применение энергетического подхода с тензиометрическими методами контроля в практике орошения позволят оперативно дать оценку влагообеспеченности сельскохозяйственных, культур, а также возможных инфильтрационных потерь влаги в процессе поливов.
- Наступление сроков полива определяют по тензиометрам, установленным в корнеобитаемой толще на глубине 30-50 см в зависимости от культуры и уровня грунтовых вод, а глубинный отток - по двум тензиометрам на нижней границе расчетной толщи.
- Эколого-гидрофизический подход и использование тензиометров способствуют увеличению эффективности орошения и снижению его экологически неблагоприятных последствий.
