Українська академія аграрних наук
Українська академія аграрних наук
Інститут гідротехніки і меліорації
ЖОВТОНОГ ОЛЬГА ІГОРІВНА
УДК 631.67.001.18:626.81
ПРИНЦИПИ ТА МЕТОДИ ПЛАНУВАННЯ
АДАПТИВНОГО ЗРОШЕННЯ
06.01.02 - Сільськогосподарські меліорації
(сільськогосподарські науки)
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора сільськогосподарських наук
3
Київ - 2001
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Інституті гідротехніки і меліорації (ІГіМ) Української академії аграрних наук (УААН).
Науковий консультант: доктор сільськогосподарських наук, старший науковий співробітник, член-кореспондент УААН, Балюк Святослав Антонович, заступник директора Інституту грунтознавства та агрохімії ім. О.Н.Соколовського УААН.
Офіційні опоненти:
доктор сільськогосподарських наук, професор, академік УААН Ушкаренко Віктор Олександрович, ректор Херсонського державного аграрного університету;
доктор сільськогосподарських наук, професор, академік УААН Тараріко Олександр Григорович, завідувач відділення агроекології Інституту агроекології та біотехнології УААН;
доктор сільськогосподарських наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України
Вознюк Степан Тихонович, завідувач кафедри агрохімії, грунтознавства і землеробства Рівненського державного технічного університету.
Провідна установа: Інститут землеробства південного регіону УААН, м. Херсон, сел. Наддніпрянське.
Захист відбудеться “_12_” вересня 2001 р. о 10 і-й- годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.362.01 при Інституті гідротехніки і меліорації УААН за адресою:
03022, м. Київ, вул. Васильківська, 37.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту за адресою:
03022, м. Київ, вул. Васильківська, 37.
Автореферат розісланий “_10_” серпня 2001 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Д 26.362.01,
кандидат технічних наук, с.н.с. Топольнік Т.І.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Згідно з Указом Президента України від 23.06.98р. № 670/98 "Про заходи щодо державної підтримки водогосподарсько-меліоративного комплексу", підвищення ефективності використання водогосподарських меліоративних об'єктів визнане як пріоритетний напрям державної водогосподарської політики. Реалізація цього завдання на фоні економічних перетворень в аграрному секторі економіки вимагає перегляду існуючих методів управління зрошенням, пристосування їх до сучасних соціально-економічних умов та змін, яких зазнали природно-агромеліоративні системи за роки їх функціонування.
У зв'язку з цим, виникає потреба у більш точному диференційованому плануванні норм водопотреби та режимів зрошення сільськогосподарських культур з урахуванням комплексу природних, технічних, технологічних, соціально-економічних та господарських умов на конкретних об'єктах. При цьому зрошення земель на сукупності полів та сівозмінних ділянках має постійно адаптуватися до мінливості природних та антропогенних факторів з метою одержання максимально можливого за конкретних умов економічного прибутку при дотриманні вимог ресурсозбереження та рівноваги природних процесів у межах меліорованих агроландшафтів.
Таким чином, розвиток теоретичних основ та удосконалення методів планування зрошення на адаптивних екологічно безпечних принципах є актуальним напрямом розвитку меліоративної сільськогосподарської науки. Як засвідчує світовий досвід, узагальнений відомими фахівцями ФАО та Міжнародної комісії з іригації та дренажу, для реалізації зазначених принципів необхідним є застосування інформаційних комп'ютерних технологій довгострокового та оперативного планування зрошення.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертацію виконано за державними науковими програмами і тематичними планами Інституту гідротехніки і меліорації.
У період 1987 - 1997 рр. за планом по науці і техніці Держводгоспу України, завдання “Розробити технології вирощування програмованих врожаїв сільськогосподарських культур на зрошуваних чорноземах за умов збереження та відновлення родючості грунту ” (автор – відповідальний виконавець), державна реєстрація № 01.89.0086968 , завдання “Розробити систему та технологію розподілу водних ресурсів у південних областях з метою їх економії”, державна реєстрація № 0196U021217 (автор – науковий керівник).
У період 1991 - 1995 рр. за державною програмою "Продовольство-95" завдання “Розробити і впровадити на базі ЕОМ нове покоління інформаційно-обчислювальних систем проектування водозабезпечення та управління зрошенням”, державна реєстрація № А 01007752Р (автор - науковий керівник) , проблема “Родючість грунтів”, завдання “Вивчити закономірності формування грунтоутворювальних процесів на зрошуваних землях і розробити інформаційно-обчислювальну систему оцінки стану родючості грунтів”, державна реєстрація № А 010094823 (автор -науковий керівник завдання).
У період 1996 – 2000 рр. за державною програмою “Ресурсозберігаюче водокористування в АПК”, завдання “Розробити і впровадити автоматизовану систему довгострокового та оперативного управління водокористуванням на меліоративних системах”, державна реєстрація
№ 02.070196U021791 (автор – науковий керівник), завдання “Розробити екологічно безпечні режими зрошення сільськогосподарських культур”, державна реєстрація № 0196U021792 (автор – відповідальний виконавець та науковий керівник підрозділу).
Мета досліджень – розвиток теоретичних основ та удосконалення методів планування зрошення на принципах адаптації їх до просторово-часової мінливості природних та антропогенних умов, дотримання екологічних вимог щодо збереження родючості грунтів та забезпечення рівноваги природних процесів у межах агроекологічних систем.
Завдання досліджень:
·
розвиток теоретичних основ та удосконалення методів нормування водопотреби сільськогосподарських культур для цілей стратегічного планування зрошення на регіональному рівні;
·
обгрунтування вимог до параметрів режимів зрошення сільськогосподарських культур залежно від змін, що спостерігаються у грунтах та навколишньому природному середовищі при тривалому зрошенні земель;
·
розробка методів кількісної оцінки впливу параметрів техногенних навантажень (зрошення, добрива, якість зрошувальної води) на стан родючості грунту та відповідного екологічного нормування;
·
дослідження закономірностей процесу вологопереносу та комплексу грунтових режимів залежно від варіантів зволоження грунту, розробка нормативно-методичної бази екологічного нормування параметрів поливних режимів для оперативного планування зрошення;
·
розробка наукових принципів планування адаптивного екологічно безпечного зрошення та удосконалення на нових методологічних засадах моделей і алгоритмів інформаційно-обчислювальних систем довгострокового та оперативного планування зрошення;
·
дослідження ефективності застосування у виробництві інформаційно-обчислювальних систем оперативного планування зрошення, визначення напрямів їх подальшого розвитку та організації впровадження у нових економічних умовах.
Об'єктом досліджень є процеси просторової та часової мінливості стану природно-агромеліоративних систем розташованих на чорноземах (типових, звичайних, південних) та лучно-чорноземних грунтах Лісостепової та Степової зони.
Предметом досліджень є комплекс природних умов та факторів (метеорологічних, грунтових, гідрогеологічних, формування врожаю сільськогосподарських культур), технології зрошуваного землеробства та технології управління водокористуванням на зрошувальних системах.
Методологія та методика досліджень: теоретичні та прикладні задачі досліджень виконувались із застосуванням методу системного аналізу та методології складних ієрархічних систем з урахуванням відмінностей цільових функцій управління природно-агромеліоративними системами на різних просторових та часових рівнях їх функціонування.
Для одержання наукових результатів виконано такі види досліджень: комплексні експериментальні водно-балансові та грунтові дослідження у факторних дослідах з різними варіантами режимів зрошення сільськогосподарських культур; рекогносцирувальні грунтово-меліоративні обстеження на зрошуваних та богарних землях; аналіз та узагальнення даних багаторічних стаціонарних дослідів на зрошуваних чорноземних грунтах, що виконувались різними науковими установами в Україні; імітаційні розрахунки з використанням програмних комплексів ІОС "Проект", ІОС "Полив-2" та базової моделі вологопереносу "AERATS-2".
Для оцінки стану природно-агромеліоративних систем, вивчення закономірностей при-родних процесів використовували методи математичного моделювання та системи експертних оцінок.
Рекогносцирувальні грунтові обстеження та експериментальні дослідження виконувались за загальноприйнятими та атестованими методиками. Склад спостережень та строки їх проведення визначались завдання досліджень. Обробку результатів виконували методами математичної статистики із застосуванням ЕОМ.
Наукова новизна одержаних результатів полягає у розробці теоретичних основ та методів планування адаптивного зрошення, що базуються на урахуванні просторово-часової мінливості стану та умов функціонування природно-агромеліоративних систем, відповідному екологічному нормуванні водопотреби та параметрів режимів зрошення сільськогосподарських культур.
Особисто автором розроблено нові наукові положення, які виносяться на захист:
·
визначення норм водопотреби сільськогосподарських культур у зрошенні при довгостроковому плануванні зрошення на регіональному рівні з урахуванням біологічних особливостей рослин, закономірностей просторово-часової мінливості комплексу природно-меліоративних умов (кліматичних, грунтових, гідрогеологічних) та обмежень згідно з екологічними вимогами щодо дотримання оптимального співвідношення теплового та водного балансів територій, технічним станом та ресурсозабезпеченням зрошувальних систем;
·
екологічне нормування параметрів режимів зрошення сільськогосподарських культур здійснюється за результатами оцінки грунтово-екологічного стану земель, моделювання змін показників родючості грунту залежно від параметрів техногенних навантажень за багаторічний період експлуатації зрошувальних систем, з урахуванням закономірностей процесу вологопереносу та комплексу грунтових режимів при різних рівнях зволоження грунту впродовж поливного сезону;
·
принципи планування адаптивного екологічно безпечного зрошення, що враховують:
·
стан та закономірності функціонування природно-агромеліоративних систем;
·
застосування комплексу статистичних, балансових та динамічних моделей природних та технологічних процесів, систем експертних оцінок для характеристики стану природно-агромеліоративних систем;
·
дотримання екологічних вимог щодо мінімізації негативного впливу зрошення на грунти та навколишнє природне середовище;
·
багатокритеріальність та поліваріантність при прийнятті рішень щодо проведення поливів сільськогосподарських культур та внутрішньогосподарського водорозподілу на основі поєднання методів нормування, експертного оцінювання та імітаційного моделювання.
Практичне значення одержаних результатів полягає у створенні нормативно-методичної бази екологічного нормування водопотреби та параметрів режимів зрошення сільськогосподарських культур, удосконаленні інформаційного забезпечення, моделей та алгоритмів інформаційно-обчислювальних систем планування зрошення.
Методи екологічного нормування зрошення та відповідна нормативна база увійшли до складу нормативно-методичних документів ("Руководство по использованию орошаемых черноземов" - РНТД ЗЗ УССР 1018946-02-91, Киев - 1991; Инструкция по планированию почвосберегающих режимов орошения на черноземах, РДИ зз-1018946-01-93, Киев -1993; Методика планування оптимальних екологічно безпечних режимів зрошення, Київ -1997 та ін.).
Розроблена ресурсозберігаюча версія інформаційно-обчислювальної системи оперативного планування зрошення "Полив-2" пройшла дослідно-виробничі та приймальні випробування та впроваджується у виробництві на значних площах, які у період 1995-1998 рр. досягали 500 тис. га. Визначено, що ефективність впровадження системи полягає в економії до 30% водних, 34% енергетичних ресурсів, підвищенні врожайності сільськогосподарських культур на 10–15%, зменшенні ризику істотних втрат врожаїв при дефіциті водно-енергетичних ресурсів та негативних екологічних наслідків.
Особистий внесок здобувача. Дисертація є результатом багаторічної наукової праці здобувача, як керівника та відповідального виконавця багатьох наукових тем. Усі наукові положення, що виносяться на захист, одержані особисто дисертантом (постановки завдань, розробка методології та методів, проведення експериментальних досліджень, наукові висновки).
Експериментальні дослідження, дослідно-виробнича перевірка та впровадження одержаних наукових результатів виконувалися під керівництвом та за участі автора дисертації разом із співробітниками та аспірантами відділу Інституту гідротехніки і меліорації УААН, який очолює дисертант. В організації та проведенні експериментальних досліджень у АР Крим брали участь наукові співробітники та аспіранти кафедри екології Рівненьського державного технічного університету ( доктор сільськогосподарських наук, професор Т.М. Кірієнко, В.О.Задоєнко, В.І. Бовсуновський, А.І.Шеін та ін.).
Автор виносить подяку доктору технічних наук, академіку УААН та РАСГН , професору П.І. Коваленку, доктору технічних наук, чл.-кор. УААН М.І. Ромащенку, доктору сільськогосподарських наук, чл.-кор. УААН С.А. Балюку, доктору сільськогосподарських наук, чл.-кор. УААН. О.О. Собку за консультації та допомогу в дослідженнях, а також вважає за свій обов'язок відзначити значний вплив на витоки цієї роботи результатів наукових досліджень доктора технічних наук, професора В.П. Остапчика та наукових здобутків з розробки та впровадження ІОС планування зрошення всього колективу відділу, отриманих впродовж останніх 20–25 років (В.А. Бабич, Т.Ф. Деменкова, Е.В. Неміро, В.О. Костромін, Л.А. Філіпенко, В.Г. Чарний та ін.).
Апробація результатів дисертаційної роботи. Основні наукові положення, методики, результати теоретичних та експериментальних досліджень доповідались і отримали позитивну оцінку на наукових з'їздах, галузевих нарадах, конференціях, семінарах в Україні та за кордоном (Сімферополь, 1987; Москва, 1987; Київ, 1993, 1995,1996; Херсон, 1993, 1994; Одеса, 1994; Рівне, 1997,1998; Дніпропетровськ, 1997; Brno, Prague, Zbraslav (Czech Republic), 1998, 2001; Nice (France), 1998; Budapest (Hungary), 2000).
Публікації. За результатами досліджень надруковано 56 праць, з них у фахових виданнях 26 статей, у закордонних виданнях 6, методичних документів 3.
Структура і обсяг роботи. Дисертація викладена на 463 сторінках, містить вступ, 7 розді-
лів, висновки, 30 рисунків, 72 таблиці, 5 додатків на 9 сторінках. Список використаних літературних джерел містить 471 найменування.
З М І С Т Р О Б О Т И
У п е р ш о м у р о з д і л і на основі аналізу сучасних проблем ведення зрошення в Україні, узагальнення нових науково-методологічних підходів до управління природно-агромеліоративними системами, обгрунтовано необхідність та визначено напрями розвитку теоретичних основ та удосконалення методів планування зрошення.
Складність розв'язання проблеми планування зрошення на великих зрошувальних системах в Україні зумовлюється необхідністю врахування значної кількості природних факторів, що характеризуються закономірною та стохастичною просторово-часовою мінливістю. До закономірних змін у природному середовищі можна віднести: зональну мінливість дефіциту природного зволоження; варіацію грунтового покриву на регіональному та локальному рівнях; регіональну та локальну варіацію еколого-меліоративних умов. До факторів стохастичної імовірної природи відносяться: просторовий та часовий розподіл опадів; інтенсивність сонячної радіації; сезонна динаміка метеорологічних елементів.
Розв'язання проблеми планування зрошення поряд с труднощами адекватного відображення природних процесів ускладнюється також нестабільністю та різноманіттям господарських, технічних та економічних умов.
У працях засновників меліоративної науки В.І. Віл'ямса, В.В. Докучаєва, О.М. Костякова вказується на необхідність застосування комплексного системного підходу до вивчення природного середовища та антропогенної діяльності як єдиного цілого. Однак, тривалий час впродовж широкомасштабного розвитку меліорації земель методологія планування зрошення грунтувалась головним чином лише на досягненні мети одержання стабільно високих врожаїв сільськогосподарських культур.
У працях В.Є. Алексієвського, Т.М. Антипової, С.А Балюка, С.Т. Вознюка, В.В. Гамаюнової, А.І. Голованова, Е.С. Драчинської, В.А. Духовного, Б.О. Зимовця, Л.В. Кірейчевої, П.І. Коваленка, В.А. Ковди, І.П. Кружиліна, Б.С. Маслова, В.В. Медведєва, Ю.О. Михайлова, Г.В. Новикової, Л.М. Рекса, Н.М. Решеткіної, М.І. Ромащенка, В.С. Снігового, О.Г. Тараріки, І.Д. Філіп'єва, Б.Б. Шумакова, В.О. Ушкаренка та інших вказується на недостатність зазначеного спрощеного методологічного підходу та обгрунтовується необхідність детальнішого врахування закономірностей взаємодії меліоративної діяльності людини з природним середовищем. При цьому як об'єкт управління зрошенням пропонується розглядати природно-агромеліоративні системи (ПАМС), що не тільки використовуються, але й активно змінюються, взаємодіють з природним середовищем та виробничою сферою.
Паралельно з розвитком методології управління зрошенням багатьма поколіннями вчених-меліораторів розроблялися теорія та методи планування зрошення. Аналіз методів планування зрошення, розроблених у 1950–1990-х рр. дав змогу визначити певні етапи їх розвитку від обгрунтування зональних режимів зрошення сільськогосподарських культур до моделювання комплексу природних і технологічних процесів у складі інформаційно-обчислювальних систем (Айдаров І.П., Алпатьєв А.М., Алпатьєв С.М., Багров М.М., Баєр Р.О., Голованов О.І., Галямін Є.П., Гарюгін Г.А., Голченко М.Г., Граматікаті О.Г., Григоров М.С., Данильченко М.В., Ковальчук П.І. Константинов О.Р., Косова Л.О., Костяков О.М.Кружилін І.П., Льгов Г.К., Ліхацевич А.П., Міхєєв Є.К., Михайлов Ю.О., Ольгаренко В.І., Остапчик В.П., Писаренко В.А., Полуектов Р.О., Рекс Л.М., Ромащенко М.І., Собко О.О., Столяров О.І., Харченко С.І., Шаров І.А., Шпак І.С., Штаковський А.В., Штойко Д.О., Ципріс Д.Б., Черемісінов О.Ю., Шумаков Б.А, Шумаков Б.Б., Ушкаренко В.О., Юрченко І.Ф., Ярмізін Д.В. та ін.).
В основу більшості відомих методів планування зрошення, що використовуються у країнах далекого зарубіжжя, покладено модель розрахунку евапотранспірації Х.Л.Пенмана або її модифікації. В Європі найбільш визнані інформаційні системи планування зрошення, розроблені ФАО – CROWAT та CIMIS, а також модель Королівського метеорологічного офісу (Великобританія) – MORECS. У США для цих цілей застосовується модель USDA – ARS , розроблена М.Е. Єнсоном та моделі Д.І.Стеварда та М. Хагана. В останні десятиріччя набули розвитку інформаційні системи планування зрошення, що містять комплексні динамічні моделі природних процесів у середовищі “грунти – рослина – атмосфера” та системи прийняття рішень, що використовують економіко-математичні моделі (R.J. Bailey, P. Droogers, C. A.Van Diepen, L.S.Pereira та ін.).
Нині у зв'язку з розвитком нових концептуальних підходів до меліорації земель, зміною економічних та екологічних умов ведення зрошення формується новий етап розвитку методів планування зрошення, що характеризується використанням та узагальненням усього попереднього досвіду щодо цієї проблеми для вирішення конкретних прикладних задач управління ПАМС.
На основі узагальнення існуючих методів планування зрошення нами виконано їх класифікацію залежно від методологічних та методичних підходів, застосованих при їх розробці. Всі існуючі методи планування зрошення, мають ряд недоліків, що за певних умов значно впливають на точність управління та ефективність зрошення.
Методи планування зрошення, що використовуються у виробництві, недостатньо враховують технологію поливу, технічні характеристики зрошувальної системи, екологічний стан земель, напрями розвитку грунтоутворювальних процесів, поточний обсяг ресурсів, господарські умови ведення зрошуваного землеробства.
Однак, основним недоліком існуючих методів планування зрошення є відсутність комп-лексного еколого-економічного обгрунтування управлінських рішень щодо поливів та водорозподілу на основі вивчення просторово–часової мінливості стану та умов функціонування ПАМС.
Для розв'язання проблеми розвитку теоретичних основ та удосконалення методів планування зрошення нами обгрунтовано завдання досліджень з вивчення закономірностей просторово-часової мінливості природних та антропогенних факторів, що визначають стан функціонування ПАМС у зоні зрошення в Україні.
У д р у г о м у р о з д і л і надається характеристика природних умов на об'єктах, методологічна основа та методика проведення досліджень.
Вивчення закономірностей функціонування природно-агромеліоративних систем та окремих процесів у їх межах виконувалось нами у період 1986-1998 рр. на основі проведення власних експериментальних досліджень та використання результатів стаціонарних дослідів інших наукових установ – Інституту грунтознавства та агрохімії (ІГА), Інституту овочівництва та баштанництва (ІОБ), Інституту зрошуваного землеробства (ІЗЗ), Кам'янсько-Дніпровської дослідно-меліоративної станції (КДДМС) у зоні зрошення в Україні. Коефіцієнти природного зволоження у межах зони досліджень змінюються від 0,36 до 0,60, середньобагаторічні суми річних опадів 300–500 мм, суми випаровуваності 580 - 770 мм. Варіація фізико-географічних умов по всій зоні досліджень зумовлює значні відмінності дефіцитів водоспоживання сільськогосподарських культур, що змінюються по території у 2,2 – 3,0 рази.
Роки досліджень за рівнем природного зволоження характеризувалися як посушливі, середньопосушливі, вологі та середні.
Грунти зони досліджень представлені з півночі на південь чорноземами типовими (понад 10% усієї площі зрошуваних земель), звичайними (понад 30%), південними (понад 20%) та лучно-чорноземними грунтами (понад 5%). Крім зональних відмінностей грунти на об'єктах дос-ліджень різняться за гранулометричним складом, водно-фізичними, фізико-хімічними та агрохімічними властивостями.
Гідрогеологічні умови на об'єктах також відзначалися значною різноманітністю. Грунтові води слабосолоні та солоні з високим рівнем залягання спостерігалися у межах територій, що характеризуються недостатньою природною дренованістю та незадовільним рівнем експлуатації зрошувальних систем. Глибокі рівні грунтових вод (понад 20 м) спостерігалися головним чином на водороздільних інтенсивно дренованих територіях.
Мінералізація води у джерелах зрошення на об'єктах досліджень коливалась у межах 0,3–2,0 г/л та різнилась за хімічним складом.
Просторова різноманітність кліматичних, грунтово-екологічних умов та широкий діапазон зміни дефіциту водоспоживання сільськогосподарських культур по об'єктах і роках досліджень забезпечують репрезентативність та обгрунтованість одержаних наукових результатів.
Методологія досліджень базувалась на системному підході та сучасній концепції меліоративної діяльності (Айдаров І.П., Антипова Т.М., Голованов О.І., Гурін В.А., Духовний В.А., Кружилін І.П, Лазарчук М.О.Ольгаренко Г.В., Парфенова Н.І., Рекс Л.М., Решеткіна Н.М., Рокочинський А.М., Хачатурян В.Х., Шабанов В.В., Шумаков Б.Б. та ін.), що розглядає як об'єкт управління зрошенням ПАМС в цілому та окремі її підсистеми на різних рівнях просторової ієрархії (сільськогосподарська культура - поле; сівозміна, господарство - агроекосистема; зрошувальна система - агроландшафт). При обгрунтуванні структури зазначених підсистем було враховано основні фундаментальні поняття про систему: цілісність, структурність, взаємозалежність з навколишнім середовищем, ієрархічність та інше.
На рис. 1 наведено схему функціонування ПАМС на нижньому ієрархічному рівні – сільськогосподарському полі. Дослідження ПАМС на цьому рівні мали за мету удосконалення методів планування режимів зрошення сільськогосподарських культур з точки зору збільшення додаткового чистого прибутку від зрошення за умов економії ресурсів та збереження родючості грунтів.
Для реалізації загальнометодологічного принципу системного підходу застосовано метод системного аналізу як на рівні звичайної логіки, експертного оцінювання, так і кількісної формалізації наукових знань за допомогою математичних моделей та ЕОМ.
Дані факторних експериментів обробляли за допомогою дисперсійного, регресійного аналізів та з використанням інших методів варіаційної статистики (визначення закону розподілу
змінних, оцінка однорідності рядів даних, допустимої імовірності, тощо).
Рис. 1. Схема функціонування природно-агромеліоративної системи на рівні
сільськогосподарського поля
Для вирішення конкретних завдань досліджень відповідно до методології системного аналізу на основі використання методів математичного моделювання та експертних оцінок було розроблено спеціальні та застосовано загальноприйняті методики проведення експериментальних та теоретичних досліджень.
З метою експериментального обгрунтування параметрів грунтозберігаючих та екологічно безпечних режимів зрошення сільськогосподарських культур проводили такі види досліджень:
·
стаціонарні досліди з вивчення впливу різних варіантів режимів зрошення на стан родючості грунту та комплекс грунтових процесів і режимів ;
·
рекогносцирувальні грунтово-меліоративні обстеження на полях з різною тривалістю зрошення та на богарних ділянках;
·
аналіз та узагальнення багаточисельних даних експериментальних досліджень впливу технологій зрошуваного землеробства на стан родючості грунту та продуктивність сільськогосподарських культур;
·
проведення "пасивних експериментів" на дослідних та виробничих полях.
При вирішенні завдань розвитку та удосконалення нормативно-методичної бази та модельного комплексу планування зрошення було проведено обчислювальні експерименти з базовою моделлю вологопереносу за програмою AERATS-2, статистичними моделями зв'язку "врожай - вологозабезпеченість" та з використанням програмного комплексу інформаційно-обчислювальних систем довгострокового та оперативного планування зрошення – ІОС "Проект" та ІОС "Полив-2" .
Для оцінки ефективності розроблених у дисертаційній роботі методів планування адаптивного екологічно безпечного зрошення у складі ІОС оперативного планування зрошення проводили спеціальні дослідження у виробничих умовах базових господарств, за даними яких розраховувались імовірні врожаї сільськогосподарських культур та додатковий чистий прибуток від зрошення при різних рівнях виконання рекомендацій ІОС у господарствах.
Експериментальні дослідження виконували у період 1986–1998 рр. на полях дослідно-меліоративних станцій ІГіМ (Кримська ДМС, сел. Желябовка, Нижньогірського району АР Крим, Кам`янсько-Дніпровська ДМС, сел. Кам'янка-Дніпровська Запорізької області) та виробничих полях господарств степового Криму.
На обраних об`єктах досліджували ступінь строкатості основних характеристик складу та властивостей грунту. Для одержання вихідних характеристик виконували морфологічний опис профілю грунтів та хімічні аналізи грунтових проб. Необхідну кількість повторень спостережень за властивостями та режимами грунтів у стаціонарних дослідах визначали на основі статистичної обробки вихідних даних масових зйомок їх параметрів.
На кожному з дослідних полів було обладнано ділянки спостережень, що відповідали варіантам дослідів. Ділянки розташовувалися при поливах ДМ "Фрегат" на різних секторах поля і на рівних відстанях від гідранту (між 5-м та 6-м візками водопровідного поясу машини), а при поливі ДДА-100МА на рівних відстанях від тимчасового зрошувача. Розміри ділянок на виробничих полях були 10 ґ 20 м .
Схема дослідів на усіх об`єктах досліджень являла собою факторний експеримент з двома варіантами режимів зрошення сільськогосподарської культури: грунтозберігаючим та оптимальним. Грунтозберігаючий варіант зрошення визначали проведенням поливів невеликими нормами (200 - 400 м3/га) при зміні передполивного порога зволоження активного шару грунту від 60 до 80% від НВ. На оптимальному варіанті поливні норми становили 450 - 600 м3/га при нижньому рівні зволоження 75 - 80% від НВ. Глибина активного розрахункового шару по варіантах досліду змінювалась у діапазоні 30 – 90 см.
На дослідних ділянках за загальноприйнятими методиками виконували комплексні водно-балансові спостереження, детальні грунтові обстеження, періодичне визначення грунтових властивостей та грунтових режимів, фенологічні та біометричні спостереження, облік врожаю сільськогосподарських культур.
У т р е т ь о м у р о з д і л і викладено удосконалену методологію нормування зрошення на регіональному рівні, розроблено відповідні методи визначення та районування норм водопотреби у зрошенні сільськогосподарських культур.
Проблема нормування водопотреби у зрошенні виникла у період інтенсивного меліоративного та водогосподарського будівництва (70-ті роки ХХ століття) для вирішення стратегічних питань розподілу фінансових та матеріально-технічних ресурсів на цілі меліорації у колишньому СРСР, розробки концептуальних підходів до використання водних ресурсів у межах крупних регіонів та техніко-економічного обгрунтування проектів крупних зрошувальних систем (Данільченко М.В., Ковальчук П.І., Маслов Б.С., Михайлов Ю.О., Остапчик В.П., Рекс Л.М., Філіпенко Л.А, Штаковський А.В., Шумаков Б.Б. та ін.).
Розроблені у той час укрупнені регіональні норми водопотреби у зрошенні основних сільськогосподарських культур характеризували біологічну потребу рослин у додатковому зволоженні у межах територій, що визначались за результатами районування коефіцієнтів природного зволоження. При цьому грунтові та гідрогеологічні умови у межах цих територій усереднювались або приймались за даними обстежень однієї чи кількох опорних агрометеостанцій.
Враховуючи закономірності функціонування ПАМС в Україні, що характеризуються значною просторово-часовою мінливістю природних умов, значними змінами і варіацією еколого-меліоративного стану земель та технічного стану зрошувальних систем, дефіцитом та нестабільністю водо-енергозабезпечення, нами запропоновано методологію поетапного нормування водопотреби для зрошення.
Перший етап нормування полягає у більш точному визначенні біологічно оптимальних норм водопотреби для зрошення сільськогосподарських культур на основі врахування мінливості природно-меліоративних умов, що визначають водопотребу рослин у зрошенні, а саме: кліматичних, грунтових, гідрогеологічних. Таке уточнення є одним із заходів з дотримання вимог ресурсозбереження та екологічної стійкості агроландшафтів при вирішенні стратегічних задач планування зрошення на регіональному рівні.
Згідно з сучасною концепцією меліорації земель для забезпечення рівноваги природних процесів у межах агроекосистем пропонується сумісне регулювання біологічного та геологічного кругообігів. З цією метою, крім вирішення завдань оптимізації меліоративного режиму грунту на локальному рівні, багато дослідників вивчають закономірності та розробляють методи регулювання природних процесів на значних за площами територіях (Айдаров І.П., Кирейчева Л.В., Парфенова Н.І., Решеткіна Н.М. та ін).
Враховуючи результати зазначених досліджень, наступним етапом планування зрошення на регіональному рівні є обгрунтування екологічних обмежень на біологічно оптимальні норми водопотреби у зрошенні сільськогосподарських культур на основі застосування критерію дотримання гідротермічного коефіцієнту у межах, які забезпечують оптимальні умови грунтоутворення (= 0,9 – 1,0) за певних природних умов тепло-водогозабезпеченості (І.П.Айдаров, 1990).
Оптимальні та екологічно допустимі норми водопотреби на діючих зрошувальних системах можуть також обмежуватись через технічні, технологічні умови або економічні вимоги, що визначають величину фактичного експлуатаційного гідромодуля зрошувальної системи. У зв'язку з цим, останній етап нормування зрошення полягає у визначенні технічно, технологічно та ресурсозабезпечених норм водопотреби у зрошенні сільськогосподарських культур.
Запропонована методологія поетапного визначення біологічно оптимальних, екологічно допустимих та технічно забезпечених у виробництві норм водопотреби у зрошенні реалізована у складі комплексу відповідних методів, що розроблені на основі вивчення функціонування ПАМС у зоні Південного Степу України.
Для районування біологічно оптимальних норм водопотреби, нами було використано метод спеціального природного районування (типізація земель), який засновується на послідовному відокремленні площ з однорідними кліматичними умовами (за площами репрезентативності спостережень метеостанцій), грунтовими (водно-фізичні властивості грунту) та гідрогеологічними умовами (рівні та мінералізація грунтових вод) з подальшим їх поєднанням у типологічні області за комплексом однорідних природно-меліоративних умов (табл. 1).
Таблиця 1
Таксони, показники та результати типізації території за однорідними
природно-меліоративними умовами
Таксони спеціального районування Показники виділення таксонів районування Характеристика таксонів
Кліматична зона коефіцієнт природного зволоження, Кз територія з однаковим діапазоном коефіцієнту природного зволоження
Кліматична область середньобагаторічна випаровуваність за вегетаційний період, Е0, мм область репрезентативності спостережень метеостанцій
Грунтова група вологозапаси при найменшій вологоємності, WHB, мм площа грунтів з однорідними водно-фізичними властивостями
Гідрогеологічна провінція Рівень грунтових вод, РГВ, м площа з близько 1,5–3,5 м або глибоким рівнем грунтових вод >> 3,5 м
Типологічна об-ласть виділена за комплексом природно-меліора-тивних показників Е0 , WHB , РГВ площа з однорідними кліматичними, грунтовими та гідрогеологічними умовами.
Для виділених типологічних областей за програмою ІОС "Проект" розраховуються біологічно оптимальні норми водопотреби сільськогосподарських культур у зрошенні. Типологічні області у межах яких варіація значень норм водопотреби певної сільськогосподарської культури не перевищує заданої величини (на рівні регіону Південного Степу - 30 мм, на рівні окремих господарств - 10 мм) поєднуються у більш крупні області при остаточному районуванні.
Далі, одержані біологічно оптимальні норми водопотреби перевіряють на відповідність екологічно допустимим зрошувальним нормам (),визначеним для типологічних областей за рівнянням, одержаним за відомою залежністю гідротермічного коефіцієнту () від показників водного та теплового балансу (Айдаров І.П. ,1990) :
, (1)
де R – радіаційний баланс, Кдж/см2 / рік;
Ос – річна сума опадів, мм;
– гідротермічний коефіцієнт (при =0,9 дотримуються оптимальні умови розвитку грунтоутворювального процесу);
L – прихована теплота випаровування Кдж/ см2 / рік;
q – інфільтраційні витрати вологи за межі розрахункового шару у автоморфних умовах, або обсяги підживлення вологи з грунтових вод при їх близькому заляганні, мм.
Для визначення технічно або ресурсозабезпечених норм водопотреби розроблено спеціальний алгоритм, за яким послідовно визначають: сезонний розподіл потрібної водоподачі на структурний гектар при існуючій структурі посівних площ; дефіцит водоподачі порівняно з фактичним експлуатаційним гідромодулем, технічно забезпечені норми водопотреби окремих культур.
Запропонований метод районування норм водопотреби сільськогосподарських культур у зрошенні реалізовано нами для південних областей України (Запорізька, Миколаївська, Одеська, Херсонська) та АР Крим.
За результатами районування сформовано базу даних норм водопотреби для зрошення основних сільськогосподарських культур (пшениця озима, кукурудза зернова, люцерна) для років 50, 75, 95% вологозабезпеченості.
Порівняння результатів типологічного районування норм водопотреби у зрошенні основних сільськогосподарських культур з зональними укрупненими нормативами (ДБН В.2.4...1-99) (табл. 2) свідчить про істотне підвищення точності нормування (у середньому на 20–30%) та значні резерви економії водних ресурсів і підвищення ефективності зрошення за рахунок більш ретельного врахування неоднорідності природних умов при довгостроковому плануванні зрошення у межах зон, областей, адміністративних районів або окремої зрошувальної системи.
Таблиця 2
Порівняння діапазонів змін норм водопотреби у зрошенні (м3/га) основних сільськогосподарських культур у Південному Степу, одержаних за методом типологічного районування,
з зональними нормативами згідно ДБН В. 2.4...1-99
Культура р, % Норми водопотреби згідно ДБН Адміністративна область АР Крим
Херсонська Миколаївська Запорізька Одеська
Пшениця озима 95 75 2200–2300 1700–1800 900–2300 600–1700 900–2000 500–1400 800–2300 500–1400 1000–1800 700 –1300 700 –1700 500 –1200
Кукурудза зернова 95 75 2000–2300 1700–2000 1700–3900 1300–3200 1200 –3500 800–2700 1400–3400 1200–2700 1500–2800 1200–2300 1700–3200 1100–2500
Люцерна 2-го року 95 75 3400–3800 3100–3400 2100–5900 1600–4700 2000–5000 1200–3800 2100–4900 1600–3800 1800–4000 1700–3200 1500–4500 1200–3500
У ч е т в е р т о м у р о з д і л і надано результати досліджень впливу тривалого зрошення на агроекосистеми, розроблено методи оцінки грунтово-екологічного стану земель, моделювання родючості грунту та відповідного екологічного нормування зрошення на локальному рівні.
Тривале інтенсивне використання зрошення є потужним фактором втручання людини у природний кругообіг речовин та енергії у агроекосистемах. Додаткові обсяги води, призначені для покриття дефіциту водоспоживання сільськогосподарських культур змінюють напрями природного грунтоутворення, та за певних сполучень природних та господарських умов, зумовлюють розвиток негативних екологічних наслідків - зниження родючості грунту та погіршення еколого-меліоративного стану земель.
Велика кількість досліджень (Антипов-Каратаєв І.М., Баєр Р.О., Балюк С.А., Барановська В.А., Гамаюнова В.В., Гоголев І.М., Єгоров В.В., Зборищук Н.Г., Зимовець Б.А., Кізяков Ю.Є., Ковда В.А., Кукоба П.І., Маркин В.А., Медведев В.В., Морозов В.В., Николаева С.О., Новикова Г.В., Позняк С.П., Полупан М.І., Сафонова О.П., Стома Г.В., Тупіцин Б.А., Філіп'єв І.Д. Ушкаренко В.О. та ін.) було присвячено вивченню впливу зрошення на еколого-меліоративний стан земель та родючість грунтів, особливо чорноземних.
Проте, існуючі методи визначення параметрів режимів зрошення сільськогосподарських культур та водоподачі на зрошення територій різного рівня використовують обмежену науково-дослідну інформацію щодо стану родючості грунтів та еколого-меліоративного стану земель при зрошенні та не враховують змін, що зазнала ПАМС за роки їх використання.
Вирішення задач оптимального управління зрошенням потребує аналізу, класифікації та моделювання значно більшої кількості природних процесів, що відбуваються у агроекологічних системах, залежно від природних та господарських умов.
При цьому управління водним режимом грунту при зрошенні необхідно розглядати не тільки як фактор підвищення продуктивності сільськогосподарських культур, але й як захід регулювання родючості грунту та екологічного стану земель у межах ПАМС на різних етапах та рівнях їх функціонування.
Зазначене регулювання на локальному рівні запропоновано здійснювати шляхом екологічного нормування параметрів режимів зрошення сільськогосподарських культур та обсягів сезонної водоподачі на поля відповідно до грунтово-екологічного стану земель умов ведення зрошення у господарствах.
На основі аналізу даних стаціонарних досліджень та рекогносцирувальних грунтово-меліоративних обстежень, що виконувалися нами та іншими науковими установами (РДТУ, ІЗЗ, ІГА, КДДМС) у різних кліматичних, грунтових та гідрогеологічних умовах, розроблено класифікацію змін, що спостерігаються під дією тривалого зрошення у чорноземних грунтах:
·
закономірні зміни, що відбуваються на всіх об'єктах зрошення незалежно від зони, характеристик грунтового покриву, якості зрошувальної води та місцевих особливостей;
·
закономірно-локальні зміни, зумовлені специфікою локальних еколого-меліоративних умов (якістю зрошувальної води, характеристиками грунтового покриву, гідрогеолого-меліоративними умовами);
·
випадкові стохастичні процеси, пов'язані з рівнем ведення зрошуваного землеробства (технологією зрошення, системою добрив, агротехнічними заходами).
Результати проведених досліджень свідчать, що в чорноземних грунтах України закономірними є процеси трансформації іоно-солевого складу грунту та ущільнення підорного шару.
До закономірно локальних змін віднесено процеси вторинного осолонцювання та засолення, підлуження, погіршення структурного стану грунту.
Випадковими процесами стохастичної природи є процеси зміни вмісту гумусу, динаміка рухомих форм азоту, фосфору, калію та окремих параметрів грунтової структури.
В умовах, коли за роки зрошення спостерігаються тенденції, або розвиток деградаційних процесів у грунтах та погіршення еколого-меліоративного стану земель, запропоновано поряд з агромеліоративними заходами з відтворення родючості грунтів вдаватися до більш заощаджувального зрошення, тобто застосовувати грунтозберігаючі режими зрошення сільськогосподарських культур.
Для диференціації параметрів грунтозберігаючих режимів зрошення, згідно з конкретним станом родючості грунту та еколого-меліоративним станом земель, нами розроблено метод оцінки грунтово-екологічного стану земель.
На відміну від існуючих методів оцінки стану зрошуваних земель, запропонований метод дає змогу пов'язати результати оцінки з визначенням параметрів грунтозберігаючих поливних режимів. Метод базується на порівнянні показників стану родючості грунту та стану навколишнього природного середовища з їх вихідними (до початку зрошення) та оптимальними значеннями. При цьому шкала оцінки містить шість класів, а оціночні показники розподілені на групи (гідрогеолого-меліоративні та грунтові). Результати оцінки надаються окремо по кожній групі по-казників, що дає можливість визначити найбільш доцільні агромеліоративні заходи з поліпшення або збереження грунтово-екологічного стану земель.
Розроблений метод використано нами для оцінки грунтово-екологічного стану та відповідної типізації зрошуваних чорноземів у АР Крим.
На основі проведення власних та узагальнення результатів експериментальних досліджень інших наукових установ нами обгрунтовано вимоги до параметрів грунтозберігаючих режимів зрошення, що відповідають певному класу земель за результатом оцінки їх грунтово-екологічного стану (табл. 3).
З метою розробки методів екологічного нормування зрошення залежно від параметрів техногенних навантажень ( зрошення, добрива, якість поливної води) нами виконано статистичну обробку результатів багаторічних стаціонарних грунтових досліджень, які проводили у Харківській (ІГА, ІОБ) та Одеській (ІЗЗ, ІГА) областях.
Статистичну обробку результатів грунтових досліджень здійснювали за спеціально розробленою методикою, яка включала вирішення наступних завдань:
·
дисперсійний аналіз показників родючості грунту та урожаїв сільськогосподарських культур за варіантами дослідів;
·
обгрунтування найбільш інформативних, базових показників для характеристики напрямів грунтоутворювальних процесів та визначення комплексного показника зміни стану родючості грунту у певних природних та господарських умовах;
·
моделювання динаміки базових показників родючості зрошуваних грунтів та їх взаємозв'язку з антропогенними та природними факторами;
·
розробку комплексу моделей, що описують зв'язок динаміки базових показників родючості з рівнем продуктивності сільськогосподарських культур у різних сівозмінах і при
Таблиця 3
Вимоги до параметрів грунтозберігаючих режимів зрошення та агромеліоративні заходи відповідно до
грунтово-екологічного стану земель
Групи показників Загальна характеристика грунтово-екологічного стану зрошуваних земель
добрий задовільний незадовільний
Класи земель за результатами оцінки грунтово-екологічного стану
К1 К2 К3 К4 К5 К6
І. Гідрогеолого- меліоративні оптимальні екологічно допустимі режими зрошення при відсутності засолення грунтів виключення вологозарядки, зменшення зрошувальної норми на величину підживлення з грунтових вод, використання регулюючого дренажу при наявності сольових горизонтів на глибині 150–200см застосування періодично промивного водного режиму грунту на фоні дренажу при слабому засоленні верхнього метрового шару, наявності тенденції до повторного засолення, створення промивного режиму зволоження грунту на фоні дренажу, збільшення поливних норм на 10–15% при стійкому зростанні запасів солей в активному шарі грунту поливи солестійких культур (рис, буряки кормові, просо, травосумішкі, люцерна та ін.), регулярні промивки на фоні дренажу у разі появи содового засолення, зростання запасів солей на поверхні грунту, припинення зрошення та с.-г. використання земель, агромеліоративні заходи, технічні промивки, реконструкція дренажу, підбір с.-г. культур
ІІ. Водно-фізичні властивості грунту те саме при ущільненні 30–40 см шару грунту до1,4–1,5г/см3 зменшення обсягів поливних норм на 30–50% та розрахункового шару зволоження грунту до 30–50 см не поливати без попередньої оранки або глибокого розпушування до глибини 40–50 см
ІІІ. Агрохімічні і фізико-хімічні властивості грунту - “ - поливи невеликими нормами (300–400 м3/га), зменшення зрошувальної норми за рахунок зниження передполивного порогу у некритичні фази розвитку с.-г. культур (до 60–75% від НВ), внесення меліорантів та рідких добрив зі зрошувальною водою скорочення зрошувальної норми на 30–50%, вирощування посухостійких культур
певних параметрах техногенних впливів;
·
визначення критичних значень показників родючості грунту.
У результаті для стаціонарів, розташованих у різних грунтово-кліматичних та господарських умовах одержані моделі родючості грунту, що є статистичними регресійними рівняннями, які відрізняються за видом залежностей та складом предикторів. Відмінності зумовлені як особливістю природних та господарських умов на об'єктах досліджень, так і обсягами вихідних даних, що застосовували для побудови моделей (табл. 4).
Для автоморфних умов грунтоутворення при поливах водою задовільної
