CC BY
9НАУЧНЫЕ СТАТЬИ
Гидрометеорология и экология №4 2014
УДК 626.80:626.81/84
Доктор техн. наук Ж.С. Мустафаев *
Доктор техн. наук А.Т. Козыкеева Канд. экон. наук К.Ж. Мустафаев *
К.Б. Абдешев
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ВЫРАЖЕНИЕ ПРОДУКТИВНОСТИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР НА ЗАСОЛЕННЫХ ОРОШАЕМЫХ ЗЕМЛЯХ
ПОЧВА, КУЛЬТУРА, МИНЕРАЛИЗАЦИЯ, ТОКСИЧНОСТЬ, УРАВНЕНИЕ, КРИТЕРИЙ, ВОДА, ОЦЕНКА, РЕЖИМ, ОПТИМУМ, КРИВАЯ, ЗАКОН
На основе систематизации и интерпретации результатов исследования водного режима на продуктивность сельскохозяйственных культур и степень засоления орошаемых земель, получена модель управления гидрохимическими процессами агроланд-шафтных систем.
Введение. С начала зарождения земледелия и до наших дней неоспоримым является желание людей получить максимальный урожай с одного и того же участка при имеющихся в распоряжении средствах возделывания сельскохозяйственных культур. С появлением средств автоматизации и механизации сельскохозяйственных работ их эффективность значительно возросла, но цель осталось прежней. Для правильного понимания целей и задач мелиорации сельскохозяйственных земель надо точно определить систему ценностей и обозначить объект воздействия. Такими ценностями в настоящее время и в будущем являются человек и среда его обитания, а объект воздействия - почва, как основная составная часть биосферы ландшафта в целом и как основное средство и предмет в сельскохозяйственном производстве [16].
Таким образом, основная цель мелиорации сельскохозяйственных земель - качественное улучшение и расширение воспроизводства почвенного плодородия, получение урожая сельскохозяйственных культур при наименьших отрицательных воздействиях на окружающую среду. При этом сущность
* Таразский ГУ им. М.Х. Дулати, г. Тараз
89
мелиорации сельскохозяйственных земель заключается в качественном целенаправленном изменении и управлении почвенными, гидрогеологическими, геохимическими и биохимическими процессами, что может быть обеспечено за счет регулирования потоков вещества и энергии.
Цель и методика исследований. С точки зрения современных представлений факторной экологии суть закона лимитирующего фактора состоит в том, что далее единственный фактор за пределами зоны своего оптимума приводит к стрессовому состоянию организма и к его гибели. Этот фактор называют лимитирующим.
Наблюдения показали, что закон лимитирующих факторов относится как к биотическим, так и абиотическим факторам, и применим к растениям, животным и человеку. Согласно этому закону стресс и гибель растений, животных и человека, могут быть вызваны как чрезмерными техногенными нагрузками, так и недостаточным уровнем использования природных ресурсов для компенсации их потребности. Закон ограничивающего (лимитирующего) фактора или закон минимума Либиха - один из фундаментальных законов в экологии, гласящий, что наиболее значим для организма тот фактор, который более всего отклоняется от оптимального его значения [20]. Поэтому во время прогнозирования экологических условий или выполнения экспертиз очень важно определить слабое звено в жизни организмов и общества.
Результаты исследований. Научной основой оценки предельно-допустимого уровня использования природных ресурсов может стать закон лимитирующего фактора, так как он является по сути дела законом продуктивности растений (рис. 1). При этом закон лимитирующего фактора может быть выражен следующей математической зависимостью [20]:
Уф = Уп • К11т; 0<Кш < 1,0, (1)
где Уф - продуктивность посевов при возделывании сельскохозяйственных культур в условиях, отличающих от оптимальных; Уп - потенциальная продуктивность; Кцт - коэффициент, понижающий потенциальную продуктивность на величину, зависящую от степени отклонения лимитирующего фактора от оптимума.
Уравнение (1) адекватно словесному определению, но воспользоваться им нельзя, так как оно является «черным ящиком», в нем неизвестна ни потенциальная продуктивность, ни оптимальные параметры факторов жизни, при которых она может быть получена, ни функциональная
90
связь урожая с количеством лимитирующего фактора, хотя попытки установить их предпринимались многими исследователями.
Зона норм альной жгпнадеятельности
Влажность псчны от НВ
Рис. 1. Диапазон действия влажности почвы (от НВ) на продуктивность
многолетних трав.
Поэтому цель управления водно-солевым режимом почв на орошаемых территориях заключается в сохранении и дальнейшем повышении уровня их естественного плодородия, т.е. оптимальное управление процессами переноса солей и влаги в почвогрунтах, которые обеспечат получение такого уровня плодородия почв, при котором урожаи выращиваемых на этих почвах сельскохозяйственных культур Утах достигнут предельно-допустимого (возможного) значения.
Критерий оптимальности при этом определяется с помощью некоторой числовой функции M ^ Ф(М) > 0 в области определений по закону У (и) = Ф[(М )(и)], т.е. требуется найти оптимальное управление и е ug (и элемент множества ug), при котором выполняется условие У (и) = max и Q(u) = max (где Q (и) = max - затраты энергии на почвообразование) [10].
В настоящее время трудность решения данной задачи заключается
в отсутствии данных зависимости культуры от состояния j3(x, t) , c(x, t) , n(x,t), m(x,t) и s(x,t), т.е. водного, светового, пищевого, теплового и солевого режимов почвы, управляемых почвенно-гидрогеологическими процессами. Следовательно, для оценки урожайности сельскохозяйственных культур с заданными генетическими качествами сводится к необходимости решения уравнения вида [17]:
У = f (c,P, т, п, г), (2)
91
где с - светообеспеченность; 3 - влагообеспеченность; т - теплообес-печенность; п - пищеобеспеченность; г - газообеспеченность.
В полевых условиях имитирование перечисленных факторов осуществлялось на основе планируемых опытно-производственных исследований с применением различных агротехнических приемов и промывки.
Характерная биологическая кривая (рис. 2) общего урожая в зависимости от предполивной влажности почвы 3 = Wi / Жне (где Щ - предпо-
ливная влажность расчетного слоя почвы; Жне - влажность расчетного
слоя, соответствующая наименьшей влагоемкости) в общем виде показывает значение нижнего порога увлажнения почвы, соответствующего максимально возможной урожайности (Утах ) для данных условий и оптимальной
урожайности (Уопт ), когда затрачивается наименьшее количество воды на
единицу урожая (К = Е / У , где Е - суммарное водопотребление) [6].
Д 1,1
н
и
В 1 М о а
о
Г1 0,6
г
<и
к
о о ГС н
О
<м 0.1 о
А
У-^/Удяя Кь = Е / У; 1 100
: 60
\— . и
П кг
$ опт 1 п 1 Г 0
1 Ропт1
0 0.2 0,* | 0.6 0.9
Предполнвная влажность почвы
-Ркр—
.Я" 2
&
и
о К о ч о и
-О--О-(г. о
И
Рис. 2. Зависимость относительного урожая и коэффициента водопотребления сельскохозяйственных культур от предполивной влажности почвы (1 - сахарная свекла, 2 - люцерна, 3 - кукуруза, 4 - озимая пшеница).
Митчерлих Э.А. зависимость урожайности сельскохозяйственных культур от влажности корнеобитаемой зоны почв при постоянстве других факторов выражает формулой [6]:
а0 = с Ж-о),
а л )
(3)
где 0о - оптимальное максимальное значение урожая, т/га; 0 - величина фактического урожая, т/га; Л=х - величина влажности почвы до проведения управляющих воздействий (г -го полива); г/, - количество воды, до-92
полнительно внесенной в почву; d0 - прирост урожая; d(Л/к=1 =Г]1) - изменение влажности почвы; Сл - коэффициент, определяющий действие
влажности на рост растений.
Решая уравнение Э.А. Митчерлиха, получаем зависимость следу-
ющего вида:
в = во 1 - е
(4)
Изменение урожая под воздействием факторов внешней среды dy / dx пропорционально степени оптимальности хопт и отклонения от оптимального значения (хопт — хг) соответствует закону Э.А. Митчерлиха, т.е.:
Ф / ^ = Сг (Хопт — X ), (5)
где Сг - постоянная для этого фактора; хопт - оптимальное значение фактора.
Для оценки влияния водного режима на величину урожая уравнения dy / dx = Сг (хопт — хг) решается при следующих ограничениях [14]:
Хг = Жг —Жвз, У = 0;
х, = Щ — Щ
У = У = У
г тах опт '
После некоторых преобразований получим:
У = У
V м-
1 —
1 —
г Щ — Швз ^
ш — Ш
V опт вз у
(6)
где Утах - максимальный урожай при существующих значениях факторов; Шг - действительное значение влагозапасов за период вегетации; Швз - минимальный влагозапас, ограничивающий жизнедеятельность растений (влажность завядания).
ПPеДположим, что (Щг — Щвз )/(Щопт — Щвз ) = Ег / Еопт , тогда зависимость урожая от суммарного водопотребления будет следующей:
У = У тах {1 — [1 — Е / Еопт )Г }
(7)
где Ег - фактическое суммарное водопотребление сельскохозяйственных культур; Еопт - оптимальное суммарное водопотребление сельскохозяйственных культур.
Еще в древности, в районах традиционного орошаемого земледелия, было замечено, что наличие солей в почвах отрицательно влияет на урожайность сельскохозяйственных культур, поэтому стремились сделать
93
2
содержание солей в почвах как можно меньше. По мере накопления знаний, появились понятия допустимости содержания определенного количества солей, пороги токсичности. Затем допустимое количество солей стало дифференцироваться в зависимости от типа солей, почв, вида сельскохозяйственных культур.
В настоящее время существуют многочисленные, иногда весьма сложные классификации допустимого количества солей в почвах для различных видов сельскохозяйственных культур, на различных почвах, при различных типах засолениях (табл. 1) [5].
Таблица 1
Классификация почвы по степени засоления в зависимости от содержания плотного остатка (по Н.И. Базилевич, Е.И. Панковой)
Содержание солей Состояние
растений,
Степень засоления сухой почвенный характеризующее
почвы остаток 8тах , т/га раствор (С"р), среднюю
(у), % г/дм3 солеустойчивость,
(У / Утах)
Незасоленные < 0,30 35,0 11,2 1,00
Слабозасоленные 0,30...0,50 70,0 22,4 0,80
Среднезасоленные 0,50...1,00 140,0 44,8 0,75
Сильнозасоленные 1,00.2,00 280,0 89,6 0,25
Солончаки > 2,00 > 280,0 > 89,6 0,00
Содержание солей в почвенном слое определяется по формуле: £ = 100 • H • d -у , где H - мощность расчетного слоя, м; d - объемная плотность почвы, т/м3; у - содержание солей в почве, в % от веса сухой почвы.
Количественное значение раствора на засоленных почвах можно определить по формуле: Спр = 8 /(100 • Н • d • Рт ), где Рт - влажность почвы, соответствующая наименьшей влагоемкости в % от массы сухой почвы.
Обобщение материалов о влиянии засоления почв на урожайность сельскохозяйственных культур показало, что это влияние имеет следующую классификацию: I - чем меньше солей в почвах, тем выше урожайность; II - увеличение количества солей до определенного предела (порога токсичности) существенно не влияет на урожайность культур, но при засолении сверх порога токсичности урожайность снижается; III - существует оптимальное количество солей в почвах, при котором развитие растений и их урожайность является наибольшими. При уменьшении или
94
увеличении содержания солей в почвах по сравнению с оптимальным уровнем урожайность снижается.
Как известно, почвогрунты Средней Азии и Казахстана преимущественно имеют сульфатный и хлоридно-сульфатный составы солей, и наиболее характерными для них являются I и II классификация.
На определенных почвах зависимость урожайности от содержания солей одинакова для всех культур (однотипны). Однако будучи однотипными для заданных почв кривые индивидуальны для отдельных культур, а также могут отличаться в зависимости от водно-физических и агрохимических свойств почв. Так, внесение удобрений и повышение уровня агротехники обычно приводят к тому, что указанные кривые на графике располагаются правее и выше, т.е. сдвигаются в сторону большей солеустой-чивости и большей урожайности (обозначенные цифрами на рис. 3).
а ад о.г од а.4 о, ъ о.6 о,?
Сумма токсичных солей в почвах (%}
Рис. 3. Изменение относительной урожайности от содержания сумм токсичных солей в почвах У = Уг / Утах = С / С2 для различных сельскохозяйственных культур.
Приведенные на рис. 3 кривые указывают на принципиальный характер взаимосвязи продуктивности растений с качеством и количеством солей в почвах. В течение вегетации сельскохозяйственных культур эти зависимости, сохраняясь в принципе, значительно изменяются в своих абсолютных значениях.
Урожайность зависит от содержания токсичных солей (прежде всего, анионов С1, БО 4, НСО 3), растворенных в почвенном растворе, а также от катионов состава почвенного поглощающего комплекса (в основном от содержания Ыа, Са , Mg ) и величины рН почвенного раствора.
95
Характерная зависимость относительной урожайности различных сельскохозяйственных культур от содержания суммы токсичных солей СЕ в почве показана на рис. 4 [1].
Изменение катионного состава почвенного поглощающего комплекса (особенно за счет внедрения катионов Ыа) снижает подвижность фосфора (при возрастании содержания Ыа до 10 %, подвижность фосфора снижается в 4 раза) и доступность растениям питательных веществ. В результате уменьшается урожайность, что иллюстрируется рис. 4, где показано изменение относительной урожайности У / = У^ / Утах при различных дозах ежегодно вносимых удобрений ЫРК от величины БАЯ = 1,41/^¡Са^Щ .
v/ v
(2
1 ~
ЯА&
О 2 4 6 В Ю 12
Рис. 4. Изменение относительной урожайности для различных культур в зависимости от катионного состава ППК-БАЯ и доз вносимых удобрений (1 -одиночная доза РК- 320 кг/га в год; 2 - двойная доза РК- 640 кг/га в год) [1].
По убыванию чувствительности к СЕ и БАЯ = 1,41 /д/СОТм^"
сельскохозяйственные растения распределяются примерно в такой ряд: кукуруза, хлопчатник, пшеница, люцерна.
На основе обобщения материалов установлено, что существует достаточно много экспериментальных зависимостей урожайности сельскохозяйственных культур от типа и степени засоления почв и концентрации почвенного раствора [15]. Для ведущей сельскохозяйственной культуры -хлопчатника такая зависимость показана на рис. 5.
Для большинства сельскохозяйственных культур пределы оптимальной концентрации почвенного раствора составляют 3.4 г/дм3 по плотному остатку и 0,8.1,0 г/дм3 по хлор-иону (рис. 6) [23].
Динамика урожайности в зависимости от степени засоления может быть определена по кривой, полученной на основе обработки опытных данных [23]. При высоком исходном засолении почвы всходы хлопчатника получается недружными, густота состояния ниже нормы, у растений 96
меньше количество репродуктивных органов; в результате урожайность снижается (рис. 7 и 8).
и —
1 1
I -а
« ол
Я 0.4 и
У
а 02
I о
у I = У* • Ущ ах.
а
О 0,02 0.04 0,06 0.08 0.1 0.12 0,14 0,16
Рис. 5. Зависимость урожайности хлопчатника от исходного засоления
почвы по хлору [25].
О Мнжералнзалия еочеёнбого растеорах/п
Рис. 6. Относительное снижение урожайности хлопчатника при различных концентрациях почвенного раствора [23].
Засоление почвы по С1 , % Рис. 7. Зависимость урожайности хлопчатника от исходного засоления почвы по хлору (по обобщенным данным В.А. Духовного): 1 - не засоленные; 2 - слабо засоленные; 3 - средне засоленные; 4 - сильно засоленные; 5 - очень сильно засоленные.
Как видно на рис. 8, содержание солей по хлору, при котором урожайность не снижается, или не происходит массовая гибель хлопчатника в зависимости от фазы развития растений, колеблется в значительных пределах и составляет 0,015...0,07 % и 0,11...0,40 % от массы почвы.
97
Такая же закономерность наблюдается и при высоком положении уровня грунтовых вод с высокой минерализацией (рис. 9).
Ч 04
"Ы Ё
о. г
У, '
с
о о.з 1 1,8 г г.з з з.э
Рис. 8. Зависимость урожайности хлопчатника от суммы токсичных солей в почвенном растворе [4].
1,г
г о.я 0,6
0,4 0.2 а
У, = У/Утах 2
кг ! Цср -1
Рис. 9. Влияние относительного уровня грунтовых вод и мелиоративного режима на урожайность хлопчатника. 1 - гидроморфный режим; 2 - полугидроморфный режим; 3 - полуавтоморфный режим; 4 - автоморфный режим.
Установлено, что относительная урожайность в зависимости от факторов жизни растений Сор(, КЦт определяется по формуле:
У = А ■ ехр
СЛ
2
V
— С - С
С _ ^орг
С - С
Нт ^ орг
где У - относительная урожайность У = У± / Утах ; Уi - текущая урожайность; Утах - максимальная урожайность при оптимальном значении
фактора жизни растений; С - текущее значение фактора жизни; С^т -предельное значение фактора жизни, при котором урожайность стремится к нулю (Уi ^ 0); А - цифровой коэффициент, в данном случае равен 1.
98
На основе обобщения и систематизации данных установлено, что уровень снижения продуктивности зависит от солеустойчивости растений (табл. 2 и рис. 10).
Таблица 2
Снижение урожайности сельскохозяйственных культур в зависимости от степени засоления почвы, в % от контроля [4]
Культура Изменение урожайности сельскохозяйственных культур в зависимости от содержания солей в почве (% к массе сухого веса)
0,1 контроль 0,3 0,6 0,9 1,2
не засоленные слабо засоленные средне засоленные сильно засоленные очень сильно засоленные
Хлопчатник 100 94 50 22 6
Пшеница 100 80 39 15 0
Кукуруза на зерно 100 95 46 0 0
Кукуруза на силос 100 98 72 57 35
Люцерна 100 96 73 53 39
Подсолнух 100 98 84 53 46
Картофель 100 90 68 0 0
Помидор 100 98 74 54 34
Горох 100 66 27 0 0
Сладкий перец 100 71 43 39 0
Баклажан 100 92 74 48 32
Свекла 100 95 88 73 66
О О,! О.* 0.4 ОЛ 1 1.2 1.«
Содержания солей в почбе (% от сухой массы)
Рис. 10. Зависимость урожайности (У = У1 / У^ ) от содержания солей
в почве (% от сухой массы): а - люцерна; б - хлопчатник; в - кукуруза на зерно; 1 - незасоленные; 2 - слабо засоленные; 3 - средне засоленные; 4 -сильно засоленные; 5 - очень сильно засоленные.
99
Для описания общих закономерностей снижения урожайности сельскохозяйственных культур в зависимости от содержания солей в корнеобитаемом слое почвы, полагая, что оно прямо пропорционально начальному содержанию солей, можно получить дифференциальное уравнение первого порядка: йУг / йС = -к ■ С , знак минус в уравнении берется потому, что урожайность убывает.
Интегрирование уравнения йУ. / йС = -к ■ С , при решении в виде
зависимости между У., Сп и произвольной постоянной А, дает 1пУ, =-к ■ С + 1п А.
Учитывая, что при Сп = 0, У. = Утах получаем А = Утах, т.е. 1п У. = -к ■ С + 1п Утах, отсюда можно получить - 1п(Уг. / Утах) =—к ■ С и, наконец, У, = Утах ■ ехр(—к ■ С) , где к - коэффициент солеустойчивости сельскохозяйственных культур; У. - урожайность сельскохозяйственных культур при данной степени засоления почвогрунта, ц/га; Утах - максимальная урожайность сельскохозяйственных культур при допустимой степени засоления почвогрунта, ц/га; Сп - комплексный показатель, характеризующий
содержание солей в почве, который имеет вид: Сп = (С^ /Спдс)а , здесь Сп, - содержание солей в почвенном растворе; Спдс - предельно-допустимое содержание почвенного раствора, обеспечивающее максимально-возможную урожайность сельскохозяйственных культур (Утах ).
Тогда, в общем случае уравнение для определения урожайности сельскохозяйственных культур в зависимости от содержания почвенного раствора может быть записано в виде:
У, = Ута. ■ ехр[-к ■ (Ст/Спдс)а ].
Таким образом, зависимость урожайности сельскохозяйственных культур от степени засоления почвы описывается экспоненциальным уравнением и его можно использовать для описания типа кривых на рис. 6.
При этом учитывается то, что при содержании солей в расчетном слое почвы, меньшем или равном порогу токсичности ( Спдс ), относительный урожай сельскохозяйственных культур будет равен единице, то есть У = У, / Утах = 1. Результаты аппроксимации зависимости У = / (С)
100
приведены в табл. 3. Для определения параметров зависимости У = f (С) использованы экспериментальные материалы, полученные в различных регионах нашей страны [1-9, 11, 12, 14, 15, 18, 19, 21-25].
Таблица 3
Зависимость относительной урожайности сельскохозяйственных культур У i = Утах ' ехр[—к • (Cni / Спдс) а ] от типа и степени засоления почв Cni
Засоление почвы Параметры уравнения
к a У С пдс пределы достоверности
Аридная зона
Хлоридное 0,173 2 1,0 0,15 0 < С < 0,15
Хлоридно-сульфатное 0,110 2 1,0 0,20 0 < С < 0,20
Сульфатное с талым содержанием гипса 0,100 2 1,0 0,30 0 < С < 0,30
Сульфатное с большим содержанием 0 < С < 0,90
гипса 4,7 2 1,0 0,90
Степная зона
Содовое 0,13 2 1,0 0,05 0 < С < 0,05
Хлоридно-содовое и содово-хлоридное 0,077 2 1,0 0,10 0 < С < 0,10
Сульфатно-содовое и содово-сульфатное 0,043 2 1,0 0,10 0 < С < 0,10
Содержание обменного натрия в почвенно-поглощающем комплексе
(ППК)
Обменный натрий (Na, % от ППК) - С 0,077 2 1,0 5,00 0 < С < 5
Токсичная щелочность (НС03), свя-
занная с Ыа и Mg (мг-экв/100 г) - С 0,070 2 1 0,80 0 < С < 0,80
Реакция почвенной среды (рН водной
суспензии 1:2,5) - С 19,49 2 1 7,5 0 < С < 7,5
Обработка результатов исследований и экспертные оценки, проведенные А.У. Усмановым, позволили установить связь между относительной урожайностью и содержанием хлора в почве в различные фазы развития хлопчатника (рис. 11). Серия кривых, которые хорошо аппроксимируются в виде степенной функции - относительное снижение урожайности хлопчатника от изменения засоления почвы по фазам развития растений [23].
101
I м
5
Ё 0.2
У о
у г -у I Утау
N ^
\ л\
\\ \ \
V V
л V 4 5
о.15 о.г о о.з
Засоление 1:11: по хлору, "'<>
Рис. 11. Урожайность хлопчатника в зависимости от засоления почв по фазам развития растений (данные М.А. Белоусова, Т. Бекматова,
В.А. Бурыгина, И.К. Киселева, В.М. Легостаева, Б.Г. Лунева, А.Е. Нерозина, И. С. Рабочева, А. У. Усманова): 1 - от посева до двух настоящих листочков; 2 - от двух настоящих листочков до бутонизации;
3 - от бутонизации до цветения; 4 - от цветения до плодообразования;
5 - от плодообразования до созревания.
На солонцах и содово-засоленных почвах, обладающих высокой щелочностью (рН > 7), резко сокращается усвояемость фосфора растениями и снижается урожайность сельскохозяйственных культур (рис. 12).
Суммарное снижение урожайности определяется произведением частных величин, полученных в отдельных фазах развития растений, по выражению [23]:
У = П
1 -
р доп
к — 3 доп у
•100.
где У - относительная урожайность; ' =1 , 2, 3, ... 5 - номера фазы развития хлопчатника, принятые в обобщении; 8доп - допустимое засоление почвы для данной фазы развития; 8к - критическое засоление почвы, при котором наблюдается массовая гибель растений:
У1-У,>Утлх
3
\\
НС
рН
I' °-6
| ОА
С
В °л
0 о о
у. -У,/ гтах
3 г/
д
рН
о 0.05 0.1 НС03 Ль
Рис. 12. Зависимость урожайности сельскохозяйственных культур от плодородия почвы и рН (по И.П. Айдарову): 1 - рожь; 2 - овес; 3 - пшеница; 4 - ячмень.
102
а
$доп , если Зфакт - $доп Зфакт , еСЛи - $доп < $факт < $ , З'к , еСЛи - $ 'факт ^
здесь $р - расчетное значение засоления почвы (по хлору); $факт -
фактическое засоление почвы по фазам развития.
Степень токсичности засоленых почв для сельскохозяйственных культур характеризуется рядом показателей (содержание отдельных ионов в водной вытяжке, сумма токсичных солей, токсичная щелочность, реакция почвенной среды, содержание обменного натрия). Предельное значение показателя токсичности, выше которого начинается угнетение роста и развитие сельскохозяйственных культур, называют порогом токсичности. Значения порогов токсичности, ниже которых обеспечивается нормальное развитие всех сельскохозяйственных культур, приведены в табл. 4.
Таблица 4
Оптимальные интервалы почвенного раствора для растений и микроорганизмов
Растение рН Растение рН
Люцерна 7,2. .8,0 Хлопчатник 6,5. .7,3
Сахарная свекла 7,0. 7,5 Просо 5,5. .7,5
Конопля 6,7. .7,4 Рожь 5,0. .7,7
Капуста 6,5. ..7,4 Овес 5,0. .7,5
Огурцы 6,4. .7,5 Гречиха 4,7. .7,5
Лук 6,4. .7,5 Редис 5,0. .7,3
Ячмень 6,0. .7,5 Морковь 5,6. .7,0
Пшеница озимая 6,3. .7,5 Томат 5,0. .8,0
Пшеница яровая 6,0. ..7,3 Лен 5,5. .6,5
Кукуруза 6,0. .7,5 Картофель 4,5. .6,3
Соя 6,5. .7,5 Чайный куст 4,0. .5,0
Горох 6,0. .7,0 Люпин 4,6. .6,0
Кормовые бобы 6,0. .7,0 Брюква 4,8. .5,5
Фасоль 6,4. .7,1 Тимофеевка 4,5. .7,6
Клевер 6,0. .7,0 Азотобактерии 6,0. .8,0
Салат 6,0. .7,0 Нитрификаты 6,8. .7,8
Подсолнечник 6,0. .6,8 Денитрификаты 7,0. .8,0
Для регулирования кислотности почв и связанной с ней подвижных форм токсичных элементов необходимо знать оптимальные интервалы кислотности для сельскохозяйственных растений и полезных микроорганизмов. Оптимальный интервал рН зависит не только от физиологиче-
103
ских особенностей сельскохозяйственных культур, но и от растворимых почвенных компонентов. Многочисленными исследованиями установлены оптимальные пределы реакции почвенного раствора для возделываемых культур и микроорганизмов (табл. 4).
По содержанию обменного натрия порог токсичности составляет 10 % ППК для высокогумусных и 5 % для малогумусных почв. Содержание обменного магния не должно превышать 20 % ППК.
Солеустойчивость растений зависит также от других условий среды: температуры воздуха, уровня водообеспеченности растений, интенсивности их освещения и минерального питания. Большое влияние на солеустойчи-вость растений оказывает также плодородие почвы и, в частности, уровень минерального питания. На бедных почвах солеустойчивость растений заметно снижается, а на почвах с повышенным уровнем минерального питания -повышается. Для повышения солеустойчивости растений перед посевом их семена замачивают в растворах солей, применяют микроэлементы (В , Мп , Си, Zn , Со , Сё , J , А1 , Мо ), увеличивают уровень минерального питания, а также дозы азотных и фосфорных удобрений.
На кислых почвах реакция почвенной среды оказывает разностороннее влияние на свойства почв и на растения (рис. 13).
е
У
^ О.б
Н я
■и О ев Н О
^ = У, ! Утах
\
\ ЛЛ \
I А 1ЛЛ 5 V 6 л
А! . лш ! 100 г
Рис. 13. Влияние содержания подвижных форм алюминия на относительную урожайность культур: 1 - свекла столовая и сахарная;
2 - люцерна; 3 - клевер красный; 4 - гречиха; 5 - кукуруза, ячмень, кормовые бобы; 6 - лен; 7 - овес.
При повышенном содержании подвижных соединений алюминия в почве образуются труднорастворимые фосфаты алюминия, фосфор который становится малодоступным растениям. Алюминий токсичен для многих растений; уже при концентрации Л1 в растворе, равной 2 мг/дм3, наблюдается резкое ухудшение развития корневой системы, нарушается углеводный, азотный и фосфатный обмен в растениях. Более высокие кон-
104
центрации алюминия вызывают резкое снижение урожая зерновых культур, и даже их гибель (см. рис. 13). Повышение кислотности почвы резко увеличивает подвижность тяжелых металлов, которые отрицательно влияют на рост и развитие растений (рис. 14).
Ц-!-!-г 13 т-1-г и
л
I ;
3«
I ^
Л
П
и ''
I
и О
о
5
У = 1 V 1 тах
1
г\
С
У = 5 7 ■ / V I' тах
ч 1
\
\
ч
РЬ
■ - ^г' тах
\ N Ч
1 ч
\
1п
0И4НЙЮ , щ ШШШ ' ВМИИШ
Рис. 14. Урожайность зерновых и кормовых культур в зависимости от
содержания в почве тяжелых металлов са, рь, 2п (по И.П. Айдарову): 1 - чернозем типичный; 2 - дерново-подзолистая почва.
По устойчивости к содержанию в почвенном растворе подвижного алюминия сельскохозяйственные растения подразделяют на особо-, слабочувствительные, среднеустойчивые и устойчивые. К особо чувствительным относятся: клевер красный, свекла сахарная и столовая, озимая пшеница, озимая рожь, люцерна; к слабочувствительным: горох, фасоль, гречиха, яровая пшеница, ячмень, лен, турнепс; к среднеустойчивым: кукуруза, просо и картофель; к устойчивым: тимофеевка, люпин, овес.
Влияние минерализации оросительной воды на относительную урожайность хлопчатника проиллюстрировано на рис. 15.
На рис. 15 видно, что для хлопчатника при минерализации используемых вод 1.. .2 г/дм3 снижение составляет 2.. .6 %, при 2.. .4 г/дм3 -2.. .12 % , а при 4.6 г/дм3 снижение урожайности составляет до 30.40 % в зависимости от обеспеченности [8].
По результатам натурных исследований при использовании дренажных вод и их влиянию на урожайность растений построен график (рис. 16). На рис. 16, приведена зависимость снижения урожайности люцерны (сена и зеленой массы) от минерализации поливной воды, где в контрольном варианте минерализация воды составляет 0,80.1,20 г/дм3.
105
(3
8 85
25
ГТ 15
в 10
0 5
в о
1
\ С-4- С. г! я
С- 2- 4. г/л
Ст 1- 2,г
л
1 Р.'л
я н О
40 во во
Обеспеченность, %
Рис. 15. Кривые обеспеченности относительного снижения урожайности хлопчатника при поливе оросительной водой с различной минерализацией (С).
£
о. а о.б
О.*
о о : 4 е • ш 12
Щ
§ Отношение минерапи}аннн др енажнсй ео ды к ор о сите льнон
(См'Со)
Рис. 16. Зависимость урожайности хлопчатника от минерализации оросительной воды (У м - урожайность при орошении минерализованной
водой; Уо - урожайность при орошении оросительной водой, с минерализацией 1 г/дм3; См / С0 - отношение минерализаций дренажной воды к оросительной воде).
На основе изучения орошения почв минерализованными водами ценные теоретические и практические выводы содержатся в работах Н.Г. Минашиной [11], которая вплотную приблизилась к решению проблемы всесторонней оценки качества оросительной воды (рис. 17).
Минерализация поливной воды, г/л
Рис. 17. Зависимость урожайности люцерны (сена и зеленой массы) от минерализации поливной воды.
106
Как видно на рис. 17, урожайность сельскохозяйственных культур снижается при повышении минерализации оросительных вод, то есть зависит от солеустойчивости сельскохозяйственных культур и сравнение данных по скорости снижения урожайности при нарастании минерализации оросительных вод показывает определенное совпадение кривизны убывающей экспоненты с оценками их устойчивости.
Полученные авторами на основе анализа литературных данных уравнения вида У = У / У тах = / (С0 ) для различных сельскохозяйственных
культур с высоким коэффициентом корреляции (Я ) приведены в табл. 5 [6].
Таблица 5
Зависимость урожайности сельскохозяйственных культур от минерализации оросительных вод (У = У^ / Утах)
Культура Уравнение Параметр
Я доп С в У
Ячмень Уг- =У тах [1 - ЦСв - 3,75 ) / 2,5] 0,81 3,75 1,0
Сахарная свекла У, = У тах 1- - ЦСв - 2,9) /21,25_ 0,80 2,90 1,0
Хлопчатник У, = У тах 1- - ЦСе - 2,9) /21,25_ 0,80 2,90 1,0
Пшеница У^ = У 1 тах | 1 - (VСе - 2,2) /20 0,78 2,20 1,0
Сорго У, = У |1 ^ тах 1. - (VСв -1,9) /17,8] 0,85 1,90 1,0
Рис У, =У тах [1 - ЦСв -1,5) /14 0,82 1,50 1,0
Кукуруза У, =У тах [1 - (VСв -1,5) /14 0,82 1,50 1,0
Таким образом, система математических моделей для оценки и прогнозирования продуктивности сельскохозяйственных культур в зависимости от степени засоления почв (таблица 3) и минерализации оросительных вод (таблица 5), позволяет осуществлять оптимальное управление и регулирование процессами промывки засоленных почв и мелиоративными режимами орошаемых земель.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Айдаров И.П. Голованов А.И., Никольский Ю.Н. Оптимизация мелиоративных режимов орошаемых и осушаемых сельскохозяйственных земель. - М.: Агропромиздат, 1990. - 60 с.
2. Айдаров И.П., Пестов Л.Ф., Корольков Т.П. Влияние типа и степени засоления почв на урожайность сельскохозяйственных культур // Сб.
107
научн. тр. МГМИ / Комплексное мелиоративное регулирование почвенных процессов. - М.: 1982. - С. 120-131.
3. Безднина С.Я. Качество воды для орошения, принципы и методы оценки. - М.: Рома, 1997. - 186 с.
4. Горбачев Р.М. Разработка вопросов эффективности переустройства ГМС в нижнем течении р. Амударьи. - Ташкент: САНИИРИ, НТО, 1980. - 54 с.
5. Горюнов Н.С. Как бороться с засолением орошаемых земель. - Алма-ты: Кайнар, 1973. - 110 с.
6. Даримбетов У.Д., Мустафаев Ж.С. Математическое моделирование поч-венно-мелиоративных процессов в орошаемых землях // Тр. ТИИИМСХ / Вопросы рационального использования водных ресурсов и охраны их от загрязнения в условиях Казахстана. -1983. - Вып. 129. - С. 77-85.
7. Духовный В.А., Баклушин М.Б., Томин Е.Д., Серебренников Ф.В. Горизонтальный дренаж на орошаемых землях (Под ред. В.А. Духовного). - М.: Колос, 1979. - 256 с.
8. Духовный В.А., Умарджанов Д. Методика оценки эффективности переустройства оросительных систем // Сборник научных трудов / Совершенствование гидромелиоративных систем. - Ташкент: 1982. -Вып. 167. - С. 41-80.
9. Ковда В.А., Мамаева Л.И. Пределы токсичности солей в почвах Пахта-Арала для люцерны и хлопчатника // Почвоведение. - 1939. - №4. - С. 80-99.
10. Марюшин П.А. Разработка схемы регулирования водно-солевого режима почв при орошении черноземов // Строительство и техногенная безопасность. - 2005. - Вып. 10. - С. 145-151.
11. Минашина Н.Т. Токсичные соли в почвенном растворе, их расчет и классификация почв по степени засоления // Почвоведение. - 1970. -№8. - С. 65-75.
12. Мирзаев З.М. Реакция некоторых сельскохозяйственных культур на засоленность почв и грунтовых вод в условиях равнинного Дагестана. // В кн. «Вопросы рационального использования и повышение плодородия почв Дагестана». - Махачкала, 1972. - C. 142-149.
13. Митчерлих Э.А. Почвоведение. - М.: Изд-во ин. лит-ры, 1957. - 416 с.
14. Мустафаев Ж.С., Даримбетов У.Д. Математическое моделирование программных урожаев сельскохозяйственных культур на орошаемых землях // Вестник сельскохозяйственной науки Казахстана. - 1983. - №6. - С. 64-69.
15. Мустафаев Ж.С., Козыкеева А.Т., Мустафаев К.Ж., Абдешев К.Б. Моделирование засоления и рассоления почвы. - Тараз: 2013. - 204 с.
16. Мустафаев Ж.С., Мустафаев К.Ж. Методологические основы оценки предельно-допустимого использования природных ресурсов (Аналитический обзор). - Тараз: 2011. - 45 с.
108
17. Нерпин С.В., Чудновский А.Ф. Энерго-массообмен в системе растение - почва - приземный воздух. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 358 с.
18. Патахов М.Н. Солеустойчивость люцерны к водно-растворимым солям почвы // Вестник сельскохозяйственной науки Казахстана. - 1961. -№11. - С. 61-65.
19. Пирузян С.С. Влияние засоления почв на рост и развитие кукурузы // Почвоведение. - 1959. - №2. - С. 45-50.
20. Попов В.А. Математическое выражение закона лимитирующего фактора и его приложение к задачам мелиоративного земледелия // Мелиорация и водное хозяйство. - 1997. - №2. - С. 30-34.
21. Рабочев И.С., Бурдыгина В.С. Влияние концентрации почвенного раствора на урожай хлопчатника // В сб. статей. - Ашхабад: «Ылым», 1968. - С. 125-145.
22. Рау А.Г. Водопотребление на рисовых системах. - М.: ВО «Агропром-издат», 1988. - 86 с.
23. Усманов А.У. Влияние качества оросительной воды на урожайность сельскохозяйственных культур // Мелиорация земель низовий рек Аральского региона / Тр. САНИИРИ. - 1988. - С. 38-42.
24. Цвылев Е.М. Влияние солонцеватости южных черноземов на урожайность зерновых культур // Почвоведение - 1975. - №11. - С. 61-65.
25. Шмидт С.М. О статистической связи урожайности хлопчатника с засолением почвогрунтов // Сборник научных трудов САНИИРИ / Принципы регулирования мелиоративных режимов почв. - 1982. -Вып. 166. - С. 132-143.
Поступила 23.09.2014
Ж.С. М^стафаев Э.Т. Крзыкеева К.Ж. М^стафаев КБ.Абдешев
Т¥ЗДАНГАН СУГАРМАЛЫ ЖЕРЛЕРДЕГ1 АУЫЛШАРУАШЫЛЬЩ
да;ылдарыньщ еншдышнщ математикальщ эрнеп
Сугармалы жерлердц топырагыныц ылгалдану тэрт1бМц жэне туздану дэрежесМц ауылшаруашылъщ дацышдарыныц ешмдттне эсерт зерттеуге арналган нэтижелерт жуйелеу жэне орнектеудщ неггзтде агроландшафттыц жуйелердегг гидрогеохимиялыц урд1стерд1 басцаруга жэне реттеуге арналган ула цур^глган.
Техн. гылымд. докторы Техн. гылымд. докторы Экон. гылымд. канд.
109
