Українська академія аграрних наук

ІНСТИТУТ ГІДРОТЕХНІКИ І МЕЛІОРАЦІЇ

Поліщук віталій васильович

УДК 631.67:63.001.05;63.001.57

Планування поливів сільськогосподарських культур в умовах обмежених ресурсів

06. 01. 02 - Сільськогосподарські меліорації

(сільськогосподарські науки)

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата сільськогосподарських наук

Київ-2007

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Інституті гідротехніки і меліорації Української академії аграрних наук (УААН)

Науковий керівник: | доктор сільськогосподарських наук,

старший науковий співробітник

Жовтоног Ольга Ігорівна,

Інститут гідротехніки і меліорації УААН,

завідувач лабораторії водокористування

Офіційні опоненти: | доктор сільськогосподарських наук, професор

Лимар Анатолій Остапович,

Інститут південного овочівництва та баштанництва УААН, головний науковий співробітник

кандидат сільськогосподарських наук, доцент

Онопрієнко Дмитро Михайлович, Дніпропетровський державний аграрний університет, декан еколого-меліоративного факультету

Провідна установа: | Інститут землеробства південного регіону УААН м. Херсон, сел. Наддніпрянське

Захист відбудеться “ 30 “ травня 2007 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.362.01 при Інституті гідротехніки і меліорації УААН за адресою: м. Київ - 03022, вул. Васильківська, 37.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту гідротехніки і меліорації УААН за адресою: м. Київ - 03022, вул. Васильківська, 37.

Автореферат розіслано “ “ квітня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, с.н.с. Т.І. Топольнік

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. За останнє десятиріччя відбулися суттєві зміни в умовах використання зрошуваних земель в Україні, що пов’язані з нестабільним та недостатнім ресурсозабезпеченням у зрошуваному землеробстві внаслідок комплексу економічних, технічних та організаційних проблем. Після реформування аграрного сектору та приватизації земель більшість з господарств не мають матеріально-технічних ресурсів для забезпечення оптимального зрошення. Зрошення проводиться залежно від реальних можливостей господарств та у багатьох випадках здійснюється на фоні недотримання необхідного комплексу агротехнологій вирощування сільськогосподарських культур. За таких умов фактичні параметри режимів зрошення значно відрізняються від науково-обґрунтованих.

Існуючі методи планування зрошення були розроблені для умов стабільного ресурсозабезпечення, коли наявні ресурси води, електроенергії та платоспроможність у господарствах дозволяли підтримувати оптимальний діапазон зволоження ґрунту протягом поливного сезону. При веденні неоптимального зрошення рослини протягом вегетації значний час перебувають в умовах недостатнього вологозабезпечення, коли вологозапаси у ґрунті знаходяться на рівні нижче за критичний. Відомі моделі природних процесів, що були рекомендовані для планування оптимальних та водозберігаючих режимів зрошення, не в повній мірі враховують особливості процесів водоспоживання рослин, розподілу вологості у ґрунті, росту та формування врожаю сільськогосподарських культур в умовах неоптимального зволоження ґрунту. Це, в свою чергу, не дозволяє адекватно вирішувати задачі економічного обґрунтування проведення поливів. В зв’язку з цим, актуальним є удосконалення модельного комплексу та систем прийняття рішень існуючих методів оперативного планування режимів зрошення сільськогосподарських культур для застосування їх в умовах обмеженого ресурсозабезпечення господарств.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконували в рамках науково-дослідних робіт відділу використання зрошуваних земель ІГіМ УААН: „Розробити екологічно безпечні режими зрошення сільськогосподарських культур” 04.01.01., 1998-2000 рр., № держреєстрації 0196U021792; ”Обґрунтування моделей управління зрошувальними системами відповідно умов приватного землекористування” №28/19, 2001-2005 рр., № держреєстрації 0103V008473; „Розробити базу знань та методи інформаційного забезпечення для підтримки процесів реорганізації управління зрошенням відповідно до умов реформування агропромислового комплексу” (Підпрограма 2, завдання 01.02) 2002-2005 рр., № держреєстрації 0102V003967.

Метою досліджень є розвиток методів оперативного планування режимів зрошення сільськогосподарських культур в умовах обмежених ресурсів у господарствах (дефіциту матеріально–технічних, фінансових та інших видів ресурсів) на основі економічної оцінки кожного наступного поливу.

Основні завдання досліджень:

- дослідити особливості розподілу вологозапасів у шарі, у якому в період активного розвитку рослин зосереджена основна всмоктуюча поверхня коренів та особливості водоспоживання сільськогосподарських культур при різних варіантах неоптимального зволоження ґрунту;

- удосконалити метод розрахунку водоспоживання сільськогосподарських культур для планування поливів в умовах неоптимального зрошення;

- дослідити особливості росту та розвитку рослин при різних варіантах неоптимального зрошення, розробити емпіричні моделі формування вегетативної маси сільськогосподарських культур та дослідити можливість застосування динамічних моделей продукційного процесу для даних умов;

- розробити метод прийняття рішень щодо проведення поливів при веденні неоптимального зрошення.

Об’єктом досліджень є процеси водоспоживання, росту та розвитку сільськогосподарських культур в умовах неоптимального зволоження чорноземів звичайних південного Степу України.

Предметом досліджень є методи оперативного планування режимів зрошення сільськогосподарських культур в умовах обмежених ресурсів господарств.

Методи досліджень: польовий – для вивчення особливостей водоспоживання та формування врожаю сільськогосподарських культур при веденні неоптимального зрошення; аналітично-статистичний – для оцінки вірогідності та обґрунтування достовірності результатів досліджень; імітаційний - для економічного обґрунтування прийняття рішень з проведення поливів сільськогосподарських культур в умовах обмежених ресурсів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у розвитку науково-методичних засад оперативного планування зрошення сільськогосподарських культур в умовах обмежених ресурсів у господарствах, а саме:

- удосконаленні методів розрахунку водоспоживання сільськогосподарських культур та динаміки розподілу вологозапасів у ґрунті, розробці моделей формування врожаю сільськогосподарських культур;

- розробці методу призначення строків та норм поливу за економічною оцінкою ефективності кожного поливу, що планується, з врахуванням поточних економічних показників ведення зрошення та сільськогосподарського виробництва у господарстві.

Практичне значення одержаних результатів. Запропоновано науково обґрунтовану систему підтримки прийняття рішень з оперативного планування поливів в умовах обмеження ресурсів. Розроблений алгоритм прийняття рішень дозволяє прогнозувати ефективність проведення кожного наступного поливу та обґрунтовувати доцільність ведення зрошення в цих умовах. Планування поливів здійснюється на основі розрахунку динаміки вологозапасів у шарі ґрунту, в якому у період активного розвитку рослин зосереджена основна всмоктуюча поверхня коренів, моделювання прибавки врожаю від проведення поливу та визначення імовірного чистого прибутку чи ефективності використання коштів на проведення поливів відповідно до виду ресурсу, що обмежує зрошення (матеріально-технічні чи фінансові ресурси). Запропоновані моделі та алгоритм прийняття рішень можуть бути використані як у складі існуючих інформаційно-обчислювальних систем (ІОС) та інших методів оперативного планування зрошення, так і бути застосовані як методична база для річного планування зрошення в умовах обмеженого ресурсозабезпечення.

Особистий внесок дисертанта. Автором особисто проведені польові дослідження, узагальнено і проаналізовано літературні та фондові матеріали, проведений статистично-математичний аналіз результатів досліджень. Основні наукові положення, розрахункові моделі та висновки розроблені й сформульовані дисертантом самостійно. У загальному обсязі експериментального матеріалу частина автора становить 80 %.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідались і обговорювались на Міжнародній науково-виробничій конференції “Наукове забезпечення агропромислового виробництва”, 14-18 червня 1999 р., м. Одеса; Міжнародній науковій конференції молодих вчених „Актуальні проблеми землеробства на початку нового тисячоліття та шляхи їх вирішення”, 18-20 вересня 2002р., м. Херсон; Всеукраїнській конференції молодих вчених „Засади сталого розвитку аграрної галузі”, 28-30 жовтня 2002 р., м. Київ; Науково-практичній конференції “Водне господарство: завдання в період реформування економіки і перспективи розвитку”, 4-5 грудня 2003 р., м. Київ; Міжнародній науково-практичній конференції „Наукові засади сталого розвитку водного господарства та меліорації земель в Україні”, 26-27 квітня 2005 р., м. Київ; Міжнародній науково-методичній конференції “Нормування в зрошуваному землеробстві”, 15-17 вересня 2005 р., м. Херсон.

Публікації. Матеріали досліджень, представлені в дисертації, опубліковано в 13 роботах, у тому числі в брошурі – 1, у наукових фахових збірниках – 9, у тезах і матеріалах наукових конференцій – 3.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота викладена на 246 сторінках машинописного тексту. Вона містить вступ, п’ять розділів, рекомендації виробництву, висновки, список літературних джерел із 165 найменувань, серед яких 21 іноземною мовою. Текст дисертації ілюстровано 47 рисунками, 40 таблицями та додатками.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і завдання досліджень, показано зв’язок роботи з науковими програмами і темами, зазначено новизну одержаних результатів, їхнє практичне значення.

У першому розділі “Сучасний стан планування режимів зрошення сільськогосподарських культур” виконано аналіз літературних джерел за темою дисертаційної роботи, проведено узагальнення сучасного стану зрошення земель.

В основу всіх розрахункових методів планування режимів зрошення покладено методи визначення сумарного випаровування сільськогосподарських культур. Розробці цих методів присвячено численні дослідження вітчизняних та зарубіжних авторов: А.Н. Костякова, І.А. Шарова, Г.К. Льгова, А.М. та С.М. Алпатьевих, Д.А. Штойко, В.П. Остапчика, І.С. Шпака, О.Р. Константинова, Х.Л. Пенмана, Л. Тюрка, Р. Коїча, Г. Глюгля та інших. Розрахунки сумарного випаровування використовують для планування режимів зрошення сільськогосподарських культур у різних ґрунтово-кліматичних та технологічних умовах при проектуванні та експлуатації зрошувальних систем.

Розробці та удосконаленню методів планування режимів зрошення сільськогосподарських культур, управління водорозподілом при зрошені, розробці інформаційно–дорадчих систем у зрошуваному землеробстві присвячені роботи П.І. Коваленка, В.П. Остапчика, М.І. Ромащенка, О.І. Жовтоног, П.І. Ковальчука, В.С. Снігового, Є.П. Галяміна, Р.А.Полуектова А.О. Лимаря, Є.К. Міхєєва, Ю.О. Михайлова, В. А. Писаренка, К.С. Лисогорова, В.М. Попова, Л.А. Філіпенко, О.Ф. Литовченка, Д.М.Онопрієнка та ін. В сучасному виробництві, коли спостерігається значний дефіцит ресурсів, умови ведення зрошення значно відрізняються від умов, для яких було розроблено параметри та методи планування оптимальних, водозберігаючих та грунтозберігаючих поливних режимів.

На рис. 1 на прикладі озимої пшениці показано діапазони зволоження ґрунту при різних стратегіях ведення зрошення земель, тобто при застосуванні різних типів поливних режимів, у тому числі діапазон регулювання вологозапасів у ґрунті при веденні неоптимального зрошення. За таких умов рівень вологозапасів у ґрунті може бути постійно нижчим за той, що підтримується при реалізації оптимальних чи водозберігаючих режимів зрошення.

Рівень передполивного порогу при оптимальному зрошені, незмінний по фазам розвитку

Диференційований передполивний поріг при плануванні оптимальних режимів зрошення, реалізований у системі ІОС „Полив -2”

Диференційований передполивний поріг при плануванні водозберігаючих режимів зрошення

Діапазон зміни вологозапасів при неоптимальному зрошені

W - запаси вологи в грунті, %НВ, WВВ –запаси вологи в ґрунті, що відповідають вологості в’янення, %НВ

WНВ – запаси вологи у грунті, що відповідають найменшій вологоємності

mmin-мінімально можлива величина поливної норми, в залежності від типу дощувальної техніки, %НВ

t- період вегетації сільськогосподарських культур

Рис. 1. Приклад формування діапазонів зволоження ґрунту (%НВ) за різних стратегіях ведення зрошення озимої пшениці (важкі ґрунти)

На основі аналізу літературних джерел та сучасних умов ведення зрошення доведена необхідність проведення досліджень з удосконалення та розвитку модельного комплексу оперативного планування зрошення сільськогосподарських культур для планування поливів в умовах обмежених ресурсів та розробки методу призначення строків та норм поливу за економічною оцінкою ефективності кожного наступного поливу. Обґрунтовано мету і завдання досліджень.

У другому розділі “Умови та методика проведення досліджень” наведено відомості про природні та господарські умови об’єкта та викладено методику проведення досліджень.

Дослідження проводили протягом 1998-2005 рр.

Для вивчення особливостей водоспоживання та формування врожаю сільськогосподарських культур при веденні неоптимального зрошення у 1998-2000 рр. на полях Кам’янко-Дніпровської дослідної станції ІГіМ в м. Кам’янка-Дніпровська Запорізької області на зрошуваному масиві Кам’янський Під було проведено польові дослідження.

У період 2001-2005 рр. на основі обробки даних польових досліджень та імітаційного моделювання досліджувалась можливість застосування одержаних емпіричних статистичних моделей врожаю для економічного обґрунтування прийняття рішень щодо проведення поливів в умовах обмежених ресурсів та динамічної моделі продукційного процесу WOFOST (Van Diepen,1998). Вивчались існуючі та розроблялись нові підходи до прийняття рішень з проведення поливів сільськогосподарських культур за таких умов.

Експериментальні дослідження проводились у мікропольовому факторному досліді, що містив різні варіанти ведення неоптимального зрошення. Ґрунтовий покрив дослідної ділянки був представлений чорноземом звичайним малогумусним легкосуглинковим. Район досліджень за кліматичними умовами відноситься до південного Степу України, для якого характерна недостатня кількість опадів та нерівномірність розподілу їх по періодах року, високі температури і низька відносна вологість повітря. Аналіз природно-кліматичних умов району досліджень свідчить про те, що при низькій забезпеченості опадами рослин в вегетаційний період, високій величині сумарного випаровування, тривалих бездощових та засушливих періодах отримати стабільні високі врожаї сільськогосподарських культур можна тільки при зрошенні.

В процесі досліджень визначались властивості ґрунту та процеси у системі ґрунт-рослина-атмосфера. На дослідних ділянках визначались водно-фізичні, фізико-хімічні властивості ґрунту (поглинуті Na+, Ca2+, Mg2+) та склад водної витяжки; виконувалась оцінка придатності води до зрошення за агрономічними критеріями; проводились комплексні водно-балансові дослідження та спостереження за динамікою накопичення біомаси сільськогосподарських культур протягом їхньої вегетації. Динаміка і пошаровий розподіл вологозапасів ґрунту досліджувались у шарі 0-150 см, у якому в активний період розвитку сільськогосподарських культур зосереджується основна всмоктуюча поверхня коренів (А.С. Кружилін, 1977).

Досліджували наступні культури: озиму пшеницю, ярий ячмінь, сою, кормовий буряк, кукурудзу на силос, які розміщували на мікропольових ділянках (0,16 га) зрошуваної сівозміни. Площа одного варіанта – 0,0256 га, облікова площа варіанта - 0,0196 га. У однофакторному досліді за контрольний було прийнято варіант без зрошення. На кожному полі сівозміни було закладено 5 ділянок, де підтримувались різні варіанти зволоження ґрунту за умов неоптимального зрошення: 1 – без поливу; 2 –5 варіанти зрошення, які різнилися за тривалістю та обсягами водного дефіциту сільськогосподарських культур. Повторність досліду трикратна. Було застосовано пасивний експеримент щодо часу проведення поливів.

За фактичними метеоумовами років досліджень на основі розрахунків за програмою ІОС „ Полив-2” по культурах було визначено обсяги водопотреби у зрошенні за умов повного покриття дефіциту водоспоживання. В результаті порівняння фактичних обсягів зрошення по варіантах з розрахунковою оптимальною водопотребою сільськогосподарських культур у зрошенні було встановлено, що фактичні поливи по варіантах досліду забезпечували покриття дефіциту водоспоживання культур від 9,9 до 83,3 %.

У роки експериментальних досліджень сформувались різні умови вологозабезпечення сільськогосподарських культур за дефіцитом водоспоживання - від посушливих (кукурудза на силос 1998-1999 рр., соя 1999 р.) до вологих (кукурудза на силос, соя 2000 р.).

Запропонована та реалізована для сої та озимої пшениці методика ідентифікації параметрів моделі продукційного процесу WOFOST.

При статистичній обробці даних досліджень застосовували метод дисперсійного аналізу, відомі методи кореляційного та регресійного аналізу з використанням стандартних комп’ютерних програм, а також метод імітаційного моделювання.

У третьому розділі “Особливості водоспоживання та розвитку сільськогосподарських культур в умовах неоптимального зрошення” викладено дані експериментальних досліджень та проаналізовано результати їхньої обробки.

Визначено наступні особливості формування водного режиму ґрунту, водоспоживання та формування врожаю сільськогосподарських культур у даних умовах:

- розподіл вологи по профілю ґрунту та її відбір коренями рослин з різних шарів ґрунту протягом вегетаційного сезону суттєво залежить від обсягів зимово- весняних опадів, які кожного року формують певні об’єми та пошаровий розподіл вологозапасів у шарі ґрунту, в якому протягом вегетаційного сезону розвивається коренева система рослин. За умов неоптимального зрошення частка вологи, що відбирається коренями рослин з шару ґрунту, що розташований нижче розрахункового шару (hрозх) (Остапчик В.П., 1989) досить значна. За даними наших досліджень вона змінювалась від 9,3 до 37 % водоспоживання рослин (табл. 2), що було визначено за водно-балансовими розрахунками для шару, в якому у період активного розвитку рослин зосереджена основна всмоктуюча поверхня коренів (0-150 см).

- динаміка пошарового розподілу вологи у шарі ґрунту, в якому протягом сезону розвивається коренева система рослин, суттєво впливає на формування врожаю сільськогосподарських культур (табл. 2-3). Тому, при оперативному плануванні поливів розрахунки вологозапасів необхідно проводити пошарово для цього шару ґрунту протягом всього періоду вегетації;

- величина водоспоживання сільськогосподарських культур в умовах неоптимального зрошення не завжди є достатньою для прогнозування величини врожаю. У таких умовах для прогнозу врожаю необхідно використовувати моделі, що враховують динаміку зволоження ґрунту протягом всього вегетаційного сезону (табл. 3);

Таблиця 2

Частка водоспоживання з розрахункового шару ґрунту та шарів нижче розрахункового кукурудзою на силос, %

Варіант | Зрошувальна норма, м3/га | Частка шарів ґрунту у сумарному водоспоживанні

hрозхhрозх –100см | hрозх –150см

1998 р.

1 | - | 68,4 | 12,9 | 31,6

2 | 300 | 76,3 | 8,6 | 23,7

3 | 500 | 79,4 | 7,6 | 20,6

4 | 600 | 81,9 | 6,8 | 18,1

1999 р.

1 | - | 69,2 | 11,0 | 30,8

2 | 300 | 74,1 | 7,3 | 25,9

3 | 500 | 81,7 | 3,6 | 18,3

4 | 600 | 80,8 | 3,2 | 19,2

2000 р.

1 | - | 86,0 | 5,6 | 14,0

2 | 600 | 81,7 | 6,2 | 18,3

3 | 500 | 83,7 | 6,2 | 16,3

4 | 1000 | 88,3 | 3,8 | 11,7

5 | 1200 | 90,7 | 2,3 | 9,3

Таблиця 3

Результати воднобалансових розрахунків та врожай кукурудзи на силос у роки досліджень (для шару ґрунту 0-150 см)

Культура, рік спостережень | Варіант | Стартові

вологозапаси в шарі

0-150 см, мм | Опади, мм | Фактична зрошувальна норма, м3/га | Оптимальна зрошувальна норма, м3/га | Кількість поливів | Водоспо-живання,

м3/га | Врожай,

т/га

Кукурудза

на силос,

1998 | 1 | 315,9 | 89,8 | - | 2150 | - | 15,6

2 | 318,5 | 300 | 1 | 25,6

3 | 318,9 | 500 | 1 | 26,2

4 | 319,3 | 600 | 1 | 28,7

Sx =5,54% НІР0,5=1.34 т/га

Кукурудза

на силос,

1999 | 1 | 260,9 | 50,8 | - | 2300 | - | 5,1

2 | 276,8 | 300 | 1 | 11,5

3 | 269,1 | 500 | 1 | 17,2

4 | 278,1 | 600 | 1 | 19,1

Sx =7,29% НІР0,5=0,96 т/га

Кукурудза

на силос,

2000 | 1 | 316,4 | 104,0 | - | 2200 | - | 41,67

2 | 318,2 | 500 | 1 | 44,9

3 | 318,0 | 600 | 2 | 46,17

4 | 319,3 | 1000 | 2 | 47,67

5 | 320,4 | 1200 | 2 | 49,50

Sx =8,24% НІР0,5=3,3 т/га

- призупинення та повне припинення процесу розвитку рослин та формування врожаю залежить від розподілу вологості по профілю ґрунту, в якому розміщена коренева система рослин. Так, у разі наявності доступної вологи у нижніх горизонтах ґрунту (1999, 2000 рр. кукурудза на силос), при зниженні вологості у розрахунковому шарі нижче критичного рівня спостерігалося короткочасне зниження інтенсивності приросту біомаси рослин (1-3 дні - період адаптації до несприятливих умов), потім розвиток кукурудзи поновлювався (рис. 2).

Рис.2. Динаміка накопичення сухої вегетативної маси кукурудзою на силос та динаміка вологості ґрунту в шарах 0-90, 0-150 см у 2000 році

В умовах, коли кількість доступної вологи в нижніх горизонтах була менше оптимального рівня, призупинення росту кукурудзи на силос відбувалось зразу після того, як у активному шарі ґрунту вологозапаси зменшувались до критичного рівня. Тому проведення або перенесення поливу на пізніший термін не завжди сприяло відновленню продукційного процесу рослин та підвищенню врожайності сільськогосподарських культур. Дана тенденція спостерігалась також і для інших культур.

На основі встановлених в умовах неоптимального зрошення особливостей формування водного режиму ґрунту, водоспоживання та розвитку сільськогосподарських культур обґрунтовано необхідність удосконалення існуючих методів розрахунку вологості ґрунту, моделей водоспоживання та врожаю сільськогосподарських культур для планування режимів зрошення у таких умовах, а також необхідність економічної оцінки кожного поливу, що планується.

У четвертому розділі “Оперативне планування зрошення в умовах неоптимального вологозабезпечення рослин” наведено результати удосконалення та розвитку модельного комплексу оперативного планування зрошення сільськогосподарських культур відповідно до особливостей природних процесів у ґрунті та рослинах, встановлених на основі виконання експериментальних досліджень.

За результатами досліджень та аналізу існуючих моделей водного режиму ґрунту розроблено вимоги щодо розрахунків динаміки вологозапасів в умовах неоптимального зволоження ґрунту:

- для врахування обсягів вологозапасів, що формуються у нижніх горизонтах ґрунту внаслідок осінньо-весняних вологозапасів, стартові вологозапаси повинні визначатись для всього шару ґрунту, у якому в період активного розвитку рослин зосереджена основна всмоктуюча поверхня коренів рослин, шляхом прямого вимірювання їх чи на основі розрахункових методів (О.Ф.Литовченко, 2001);

- при застосуванні моделей вологопереносу чи рівнянь водного балансу розрахунки вологозапасів протягом вегетаційного сезону потрібно здійснювати пошарово для даного шару ґрунту.

Точність розрахунку динаміки вологості ґрунту суттєво залежить від точності визначення основного елемента витратної частини водного балансу зрошуваного поля – водоспоживання сільськогосподарських культур.

У сучасній меліоративній науці найбільш розповсюдженими є методи визначення водоспоживання (Ex,x+dx) на основі розрахунку потенційної евапотранспірації (О.Р. Константинов (1976), Х.Л. Пенман (1949), В.П. Остапчик, (1980) та ін.). Згідно відомих методів Р. Коїча, Г. Глюгля (1977), В.П. Остапчика (1980), розподіл витрат вологи між елементарними шарами ґрунту визначається на основі розрахунків потенційної евапотранспірації (Е(пт)) та її редукції в залежності від рівня зволоження ґрунту. Якщо ґрунт повністю покритий рослинами, то протягом доби з елементарного шару х, що розміщений між поверхнею ґрунту х=0 та максимальною глибиною десукції (глибиною відбору вологи коренями рослин) х=hmax, витрачається така кількість вологи:

Ex,x+dx = Е(пт) r(W) f(x)dx, (1)

де f(x) – функція залежності потенційної щільності десукції від глибини х, см-1;

r(W) – функція редукції десукції залежно від запасів вологи при зниженні вологості ґрунту нижче критичного рівня.

Для врахування зниження споживання вологи рослинами, коли вологість грунту зменшується нижче критичного рівня, розраховується запропонований Р. Коїчем редукційний коефіцієнт:

Wr - W(вв)

r (W) = ---------------- при W(вв) Wr W(кр); (2)

W(кр) - W(вв)

де Wr - поточна вологість ґрунту; W(кр) – критична вологість ґрунту;

W(вв) – вологість в’янення; W(x) – запаси вологи на глибині х, мм/см.

На основі обробки результатів експериментальних досліджень нами запропоновано удосконалення моделей водоспоживання сільськогосподарських культур за рахунок визначення типу функції розподілу щільності десукції вологи по глибині відповідно до рівня зволоження ґрунту. Для цього нами було використано дані експериментальних досліджень за періоди з різними рівнями зволоження ґрунту та проведені імітаційні розрахунки водоспоживання з використанням різних типів функцій розподілу щільності десукції.

Розрахунки проводили для періодів без опадів, коли вологість ґрунту в розрахунковому шарі та шарі, в якому у період активного розвитку рослин зосереджена основна всмоктуюча поверхня коренів (0-150 см) на початок розрахунку знаходилась у таких діапазонах: 1) вологість в розрахунковому шарі та шарі 0-150 см знаходилась в оптимальних межах; 2) середня вологість ґрунту в розрахунковому шарі нижча за критичний рівень, а в шарі 0-150 см вона знаходиться у оптимальному діапазоні; 3) вологість ґрунту в розрахунковому шарі та у шарі 0-150 см знаходиться на рівні нижче критичного.

В імітаційному режимі було проведено три варіанти розрахунків сумарного випаровування по шарах ґрунту: 1) за допомогою похилої прямої пропорційного зменшення щільності десукції по глибині (Глюгль–Коїч,1977); 2) рівномірної функції відбору вологи коренями (Г.В. Менжулин, 1977); 3) за рекомендаціями по витратах вологи сільськогосподарськими культурами в різні фази розвитку (Г.А. Гарюгин, 1979). Дані наведених варіантів імітаційних розрахунків порівнювали з результатами воднобалансових розрахунків, що проводили за даними фактичних експериментальних досліджень. При проведенні розрахунків було враховано пошарову (з кроком 10 см) редукцію транспірації (табл. 5).

Таблиця 5

Оцінка точності розрахунку витрат вологи за допомогою різних функцій відбору вологи кукурудзою на силос у фазу викидання волоті порівняно з даними воднобалансових розрахунків

Кількість днів у

періоді | Шари ґрунту,

см | Вологість ґрунту % НВ | Витрати вологи

Експеримен-тальні дані, | Імітаційні розрахунки за різними функціями відбору вологи коренями рослин

на початку періоду | на кінець періоду | мм | % | рівномірна функція

функція пропорційного зменшення | нелінійна функція

мм | , % | мм | , % | мм | , %

12 | ha (0-90) | 97 | 62 | 77,7 | 80,1 | 47,6 | 38,8 | 63,4 | 18,8 | 68,6 | 11,7

hmax (0-150) | 92 | 73 | 97,0 | 100 | 78,7 | 18,7 | 75,4 | 22,2 | 77,4 | 20,3

h (90-150) | 88 | 73 | 19.3 | 19.9 | 31.1 | 61,1 | 12.0 | 37,8 | 8.8 | 54,4

12 | ha (0-90) | 70 | 50 | 46,2 | 73,3 | 35,7 | 22,8 | 43,1 | 6,8 | 45,1 | 2,4

hmax (0-150) | 78 | 61 | 63,1 | 100 | 64,7 | 2,6 | 54,5 | 13,6 | 53,7 | 14,8

h (90-150) | 85 | 73 | 16.9 | 26,7 | 29.0 | 71,6 | 11.4 | 32,5 | 8.6 | 49,1

16 | ha (0-90) | 50 | 45 | 10,4 | 34,9 | 12,2 | 17,2 | 14,4 | 38,3 | 16,2 | 55,6

hmax (0-150) | 61 | 58 | 29,8 | 100 | 28,9 | 3,1 | 20,3 | 31,9 | 20,7 | 30,6

h (90-150) | 73 | 58 | 19.4 | 65,1 | 16,7 | 13,9 | 5,9 | 69,6 | 4,5 | 76,8

Дані таблиці свідчать, що в умовах оптимального зволоження для розрахункового шару ґрунту, де зосереджена основна коренева маса рослин, найвищу точність моделювання розподілу вологості по профілю ґрунту отримано при використанні нелінійної функції та похилої прямої пропорційного зменшення щільності десукції. У випадку, коли вологість ґрунту в шарі 0-150 см знижується за критичний рівень, більшу точність розрахунків отримано при використанні рівномірної функції відбору вологи коренями рослин.

Для економічної оцінки оперативних планів поливів в умовах обмежених ресурсів необхідним є прогнозування величини врожаю. При цьому відповідно до рівня інформаційного забезпечення господарств нами запропоновано використовувати різні типи моделей врожаю. У разі недостатнього інформаційного забезпечення запропоновано використання статистичних динамічних моделей врожаю, що базуються на моделюванні процесу накопичення вегетативної біомаси сільськогосподарських культур. У разі наявності відповідної інформаційної бази можуть бути застосовані більш універсальні моделі продукційного процесу типу WOFOST.

На основі обробки результатів наших досліджень розроблені статистичні динамічні моделі врожаю для кукурудзи на силос та сої. Визначені параметри моделей, що мають найбільш тісний зв'язок з динамікою накопичення сухої вегетативної маси цих культур (табл. 6).

Таблиця 6

Моделі визначення величини (Б, т/га) та інтенсивності приросту сухої вегетативної маси (б, т/га за добу) кукурудзи на силос та сої

Типи регресійних залежностей | Коефіцієнт кореляції

Кукурудза на силос

Б =3,11 - 0,075Тс2 - 0,062E/Ео + 0,039Nвег0,88

Б = -9,874-0,395Т-0,28N<opt+0,559 Nвег0,87

б =0,589+0,023Wmax-0,03Wcp+0,152E-0,309N<opt-0,008Nвег | 0,76

Соя

Б = -30,173 + 0,403Nвег + 0,25Wcp +0,671Е +0,21Тс0,86

Б= 0,99 +0,004 Nвег2 – 0,0055 Nорт +0,311Е2 –0,22 Е/Ео | 0,92

б =0,079-0,0016Wmin+0,181E-0,307N<opt | 0,74

Примітка: T-середня температура повітря за пентаду, оС; Wmin - мінімальна вологість ґрунту за пентаду в шарі 0-150см, % від НВ; Wmax - максимальна вологість ґрунту за пентаду в шарі 0-150 см, % від НВ; Wcp - середня вологість ґрунту за пентаду в шарі 0-150 см, % від НВ; N<opt - кількість днів, протягом яких вологість ґрунту опускалась нижче критичного рівня; Nвег - кількість днів від початку вегетації; Eo - випаровування з водної поверхні, середнє за пентаду, мм/добу; E - водоспоживання, середнє за пентаду в шарі 0-150 см, мм/добу.

Запропоновані вхідні параметри моделей досить легко отримати у виробничих умовах. Розрахунок за даними моделями необхідно здійснювати починаючи від моменту інтенсивного накопичення біомаси: для кукурудзи на силос - на 60-61-й день від початку вегетації, для сої - на 60-65-й день. Для перевірки запропонованих моделей використовувались незалежні дані спостережень на Кам’янсько-Дніпровській дослідній станції у період 2001-2002 рр. В результаті було доведено достатню точність моделей.

Доведено можливість використання для цілей оперативного планування режимів зрошення в умовах обмеження ресурсів динамічної моделі продукційного процесу WOFOST, що використовується у країнах Європейського союзу для цілей агромоніторингу. Проведено перевірку та верифікацію параметрів даної моделі для сої сорту Аркадія Одеська для умов Запорізької та Херсонської областей.

У п’ятому розділі “Обґрунтування оперативних планів поливів сільськогосподарських культур в умовах обмежених ресурсів господарств на основі економічної оцінки” запропоновано метод прийняття рішень щодо планування поливів в умовах обмежених ресурсів та розроблено алгоритм для його реалізації. Метод базується на результатах наших досліджень з удосконалення та розвитку модельного комплексу планування режимів зрошення сільськогосподарських культур, аналізі сучасного стану використання зрошення. Метод передбачає виконання оцінки економічної ефективності кожного наступного поливу, що планується (рис. 3.).

Рис.3. Блок-схема обґрунтування проведення поливу на основі економічної оцінки

Розроблений метод прийняття рішень та сформована база даних можуть бути застосовані у складі існуючих розрахункових методів ІОС оперативного планування зрошення.

При використанні даного методу оптимізаційна задача розв’язується відповідно до типу ресурсів, що обмежують ведення оптимального зрошення у господарствах.

1. При дефіциті матеріально-технічних ресурсів (водних, енергетичних ресурсів та поливної техніки) оптимізація строків та норм поливів здійснюється за критерієм отримання максимальної величини чистого прибутку внаслідок проведеного поливу (Пп), грн/га.

Пп = Вп*Уп- З, (3)

де: Вп – ціна одиниці продукції, грн/ц;

Уп - величина прибавки врожаю від проведеного поливу, ц/га;

Уп = Упр - Уі , (4)

Упр – прогнозована величина врожаю при проведенні поливу, яку розраховують за допомогою моделей формування врожаю сільськогосподарських культур, ц/га;

Уі - величина врожаю без проведення поливу, ц/га;

З – додаткові затрати на проведення поливу, грн./га.

2. При обмеженні зрошення внаслідок дефіциту фінансових ресурсів та необхідності залучення допоміжних позикових коштів, прийняття рішень щодо проведення поливу здійснюється за критерієм ефективності використання коштів Еп. Даний показник характеризується відношенням величини чистого прибутку, що одержує виробник, до додаткових коштів, які необхідно витратити на проведення поливу.

Пп

Еп=------- 100% (5)

З

Ефективність використання коштів на проведення поливу повинна бути вищою за величину процентної ставки по кредитах банків.

У табл. 7 наведений приклад, що ілюструє можливості розробленого методу, коли порівняння різних варіантів строків та норм проведення наступного поливу дозволяє обирати найбільш доцільний з економічної точки зору варіант в умовах обмежених ресурсів.

Згідно ІОС “Полив-2” для умов оптимального зрошення полив рекомендовано провести 10.07 нормою m=500 м3/га.

Таблиця 7

Оцінка різних варіантів строків та норм проведення поливу сої в умовах обмежених ресурсів (за цінами 2003 року)

Технологія | Дата поливу | Поливна норма, м3/га | Витрати на

полив, грн/га | Витрати на виро-щування, грн/га | Накладні

витрати, грн/га | Сума витрат всього, тис. грн/га | Прогнозований врожай, ц/га | Реалізаційна

ціна, грн/ц | Дохід,

тис.грн/га | Прибуток, тис. грн/га | Собівартість 1ц, грн | Пп, тис грн | Еп, %

Без поливу | 0 | 0 | 1079 | 86 | 1,17 | 8,3 | 140 | 1,16 | 0,0 | 140

ДМ „Фрегат” | 10.07 | 600 | 312 | 1079 | 111 | 1,50 | 14,1 | 140 | 1,97 | 0,47 | 107 | 0,47 | 139

-//- | 10.07 | 500 | 305 | 1079 | 111 | 1,50 | 13,0 | 140 | 1,82 | 0,33 | 115 | 0,33 | 99

-//- | 10.07 | 300 | 292 | 1079 | 110 | 1,48 | 10,9 | 140 | 1,52 | 0,04 | 136 | 0,04 | 14

-//- | 15.07 | 600 | 312 | 1079 | 111 | 1,50 | 14,7 | 140 | 2,05 | 0,56 | 102 | 0,56 | 165

-//- | 15.07 | 500 | 305 | 1079 | 111 | 1,50 | 13,6 | 140 | 1,89 | 0,40 | 110 | 0,40 | 122

-//- | 15.07 | 300 | 292 | 1079 | 110 | 1,48 | 11,2 | 140 | 1,57 | 0,09 | 132 | 0,09 | 29

-//- | 20.07 | 600 | 312 | 1079 | 111 | 1,50 | 14,4 | 140 | 2,01 | 0,51 | 104 | 0,51 | 152

-//- | 20.07 | 500 | 305 | 1079 | 111 | 1,50 | 13,3 | 140 | 1,85 | 0,36 | 113 | 0,36 | 110

-//- | 20.07 | 300 | 292 | 1079 | 110 | 1,48 | 11,0 | 140 | 1,54 | 0,06 | 134 | 0,06 | 21

Розрахунки показали, що найбільш економічно ефективним є проведення даного поливу сої не пізніше ніж 15.07 нормою m=600 м3/га, оскільки в цьому разі чистий прибуток від поливу становить 0,560 тис.грн/га. Дані таблиці свідчать, що при дефіциті фінансових ресурсів недоцільно залучати позики банку для проведення поливу 10.07 нормою m=300 м3/га внаслідок низької ефективності використання коштів - 14%. Оптимізація рішення щодо дати та норми при плануванні даного поливу сої дозволяє прогнозувати отримання економічного ефекту в розмірі 0.230 тис. грн/га.

Запропонований метод обґрунтування поливів на основі економічної оцінки може використовуватись як для цілей оперативного планування зрошення, так для техніко-економічного обґрунтування проектів модернізації внутрішньо-господарських зрошувальних систем та розробки бізнес-планів ведення зрошуваного землеробства у господарствах.

ВИСНОВКИ

На основі експериментальних та теоретичних досліджень з удосконалення та розвитку методів оперативного планування поливів для умов ведення зрошення при обмежених ресурсах отримані наступні висновки.

1. Встановлено залежність зміни водоспоживання та розвитку сільськогосподарських культур від обсягів та розподілу вологозапасів у кореневому шарі ґрунту, які суттєво змінюється по роках залежно від обсягів зимово-весняних опадів, а також опадів і поливів протягом вегетаційного сезону.

2. Показано, що при недостатньому вологозабезпеченні протягом періоду розвитку рослин поступово збільшується частка вологи, що відбирається з шарів ґрунту нижче активного. На легкосуглинкових ґрунтах об’єкту досліджень вона складала від 5 до 37 % (відповідно від 10 до 70 мм) водоспоживання рослин з шару ґрунту 0-150 см – шару, у якому в період активного розвитку рослин зосереджена основна всмоктуюча поверхня коренів.

3. Запропоновано удосконалення методу розрахунку водоспоживання сільськогосподарських культур для планування поливів при веденні неоптимального зрошення на основі:

- проведення розрахунків динаміки вологозапасів ґрунту протягом поливного сезону на глибину, де у період активного розвитку рослин зосереджена основна всмоктуюча поверхня коренів.

- пошарового (10-15см) визначення витрат вологи у цьому шарі та застосуванні диференційованого підходу щодо вибору функції розподілу щільності десукції відповідно до рівня зволоження ґрунту. В оптимальних умовах зволоження при розрахунках водоспоживання сільськогосподарських культур рекомендовано застосовувати функцію пропорційного зменшення розподілу щільності десукції, а в умовах, коли вологість ґрунту нижче критичного рівня - рівномірну функцію.

4. Встановлено граничні умови адаптивної здатності рослин відновлювати продукційний процес залежно від тривалості періоду неоптимального зволоження у різних шарах ґрунту:

- при наявності доступної вологи у нижніх горизонтах ґрунту та зниженні вологості у розрахунковому шарі нижче критичного рівня спостерігається короткочасне зниження інтенсивності приросту біомаси рослин (1-3 дні - період адаптації до несприятливих умов), потім розвиток рослин поновлюється;

- в умовах, коли волога в нижніх горизонтах нижче оптимального рівня, призупинення росту рослин відбувається зразу після того, як у активному шарі ґрунту вологозапаси знижуються до критичного рівня. Відновлення продукційного процесу у цьому випадку можливе якщо період неоптимального зволоження ґрунту не перевищує граничних умов (10-13 днів, кукурудза на силос);

5. Встановлено залежності приросту сухої вегетативної маси для кукурудзи на силос і сої та інтенсивності її накопичення від динаміки зволоження шару ґрунту 0-150см та кількості днів, протягом яких волога у цьому шарі перебувала на рівні нижче критичного. Розроблені статистичні моделі дозволяють з достатньою точністю апроксимувати процес накопичення сухої біомаси та інтенсивності її приросту в умовах неоптимального зрошення (R2=0,85-0,90) та можуть бути застосовані у аналогічних до об’єкту досліджень природно-кліматичних умовах. Доведено, що при наявності відповідного інформаційного забезпечення, для цілей оперативного планування режимів зрошення сільськогосподарських культур в умовах обмежених ресурсів можливо також використання більш універсальної динамічної моделі продукційного процессу WOFOST.

6. Розроблено метод оперативного планування зрошення на основі проведення економічної оцінки кожного наступного поливу для умов обмежених ресурсів. У якості критерію оптимізації планів поливів для умов обмежених енергетичних та матеріально-технічних ресурсів запропоновано використовувати величину прогнозованого чистого прибутку від проведення поливу. Для прийняття рішень щодо проведення поливів в умовах дефіциту фінансових ресурсів пропонується показник ефективності використання коштів, які потрібно витратити на проведення поливу. Даний метод дозволяє оптимізувати термін та норму проведення кожного наступного поливу для забезпечення максимально можливої за цих умов економічної ефективності зрошення.

РЕКОМЕНДАЦІЇ ВИРОБНИЦТВУ

1. На початку вегетаційного сезону гідротехнікам господарств необхідно обрати стратегію ведення зрошення земель у господарстві. Для цього доречно провести розрахунки бізнес - планів на рік 75%-ної вологозабезпеченості та визначитись з типом режиму зрошення (оптимальний, водозберігаючий, неоптимальний), що буде