Влияние параметров дренажа на обеспечение урожайности сельскохозяйственных культур в северной зоне Омской области

Введение. Северная зона Омской области (Усть-Ишимский, Тевризский, Знаменский, Се-дельниковский, Большеуковский и Тарский районы) находится в зоне повышенного увлажнения и характеризуется наибольшим речным стоком [1, 2]. Возникновение в весенне-летний период дождевых паводков на реке Иртыш и его притоках в сочетании с такими опасными факторами, как осеннее переувлажнение почвы, значительный влагозапас воды в снеге перед его таянием и большое количество осадков вес-нойЮ способствуют риску наводнений, приводящих к затоплению больших площадей сельскохозяйственных угодий [3, 4].

Поэтому проблема рационального освоения и использования агроландшафтов северной зоны Омской области ставит задачу создания и применения современных информационных технологий управления производственными циклами земледелия с использованием гидротехнических мелиораций, которые создают необходимое количество влаги в корнеобитаемом слое почвы, для достижения высоких урожаев сельскохозяйственных культур [5, 6].

Достоверная оценка природной тепло-влагообеспеченности рассматриваемой зоны гарантирует обоснованное применение рациональных, экологически целесообразных гидротехнических мелиораций, которые наряду с другими факторами обеспечат устойчивое развитие сельского хозяйства (в том числе и агроландшафтов северной зоны Омской области) [7, 8].

Для оценки природной тепловлагообеспе-ченности освоенной для сельскохозяйственного производства территории северной зоны Омской области была сформирована следующая база исходных данных:

• а)    научный и практический опыт применения гидротехнических мелиораций на агроландшафтах северной зоны Омской области;

• б)    метеорологические характеристики (по репрезентативным метеостанциям Тара, Большие Уки, Тюкалинск за 46-летний ретроспективный период), включающие средние декадные температуры и среднемесячную температуру воздуха, скорость ветра, сумму декадных и месячных атмосферных осадков;

• в)    физико-географические характеристики территории, гидрологические, гидрогеологические и другие природные условия;

• г)    сведения об агрогидрологических свойствах почвы и ее фактической влажности [8].

Цель исследований - установить тепловла-гообеспеченность, определить глубину заложения дренажа и расстояние между дренами для обеспечения оптимального водного режима при выращивании кормовых культур на мелиорируемых землях севера Омской области.

Материалы и методы. Природная тепло-влагообеспеченность северной зоны Омской области определялась по коэффициенту природного увлажнения ( K у ) за расчетный период вегетации (декада) [9]. Испаряемость ( E о ) была определена по районированному методу гидролого-климатических расчетов профессора В.С. Мезенцева [8]. Расчеты параметров дренажа выполнены с использованием классических общепринятых методик А.Н. Костякова и С.Ф. Аверьянова [10, 11]. Исследование параметров дренажа мелиорируемых земель выполнено на основе анализа результатов численного эксперимента баланса влаги в расчетном слое почвы за декадные интервалы времени. Численный эксперимент проводился на основе ретроспективного использования природно-климатических данных по объектам за 1971-2017 гг. с применением информационных технологий.

Результаты численного эксперимента были проанализированы для объектов, находящихся в аналогичных природно-климатических условиях - Тюкалинск, Большие Уки, Тара. В основу численного эксперимента были положены фор- мулы по методикам Ю.Н. Никольского и В.В. Шабанова [12].

Результаты и их обсуждение. Коэффициент К у устанавливался по зависимости, рассчитываемой по формуле

K y = W d + KX) / E о ,              (1)

где K у - коэффициент природного увлажнения за период t a > 5 °C; W d - фактические влагоза-пасы в расчетном слое почвы 0,1; 0,2; 0,5; 1 м; KX - атмосферные осадки за расчетный интервал времени, мм; E о - испаряемость (максимально возможное испарение) за тот же расчетный период, мм.

Для расчета испаряемости используем формулу

•                          + 1,5 •           ,

0          _{1000         d} 0,75

где А - коэффициент для декады, равный 7,8; £ t > 10 °C - сумма среднесуточных температур воздуха выше 10 °С; d i - средние декадные дефициты влажности воздуха, мбар; d r - среднегодовой дефицит влажности воздуха, мбар.

Природная тепловлагообеспеченность определяет тип водного режима территории, по которому можно судить о необходимости применения и направления гидротехнических мелиораций. При К у меньше единицы тип водного режима - непромывной. Появляется необходимость орошения. При К у больше единицы тип водного режима - промывной. Создаются предпосылки к переувлажнению, а значит, требуется осушение переувлажненных земель. При К у = 1 отмечается оптимальное соотношение между ресурсами тепла и влаги. Тип водного режима -оптимальный, формируется выпадающими атмосферными осадками и вертикальным влаго-обменом между грунтовыми водами и зоной аэрации почвогрунтов.

Средние многолетние декадные коэффициенты увлажнения показывают, что в северной зоне Омской области коэффициенты увлажнения больше единицы как для пахотного (0,1–0,2 м), так и для подпахотных горизонтов (0,5–1,0 м) (рис. 1). Тип водного режима - промывной. Происходит переувлажнение земель и требуется их осушение.

Рис. 1. Среднемноголетние декадные коэффициенты увлажнения К у в северной зоне Омской области (1971–2017 гг.)

На основании расчета коэффициента увлажнения за ретроспективный период 1971–2017 гг. установлена тенденция и динамика изменения для расчетного слоя 1,0 м (рис. 2).

Средние многолетние декадные коэффициенты увлажнения показывают, что в северной зоне Омской области коэффициенты увлажнения больше единицы. Тип водного режима – промывной. Происходит переувлажнение земель, а значит, требуется их осушение.

Рис. 2. Динамика коэффициента увлажнения у в северной зоне Омской области (1971–2017 гг.)

Расчеты по методике А.Н. Костякова заключаются в определении расстояния между каналами, м, открытой регулирующей сети, определяющегося по формуле

а

0,51 ■ С • Т ²

^+4kI

о ■ h

где K – интенсивность впитывания воды в начальный момент времени, К = 0,18 мм/ч; С – коэффициент, аналогичный скоростному коэф-

фициенту, 1/с; Т – допустимое время отвода избыточных вод с поверхности и из корнеобитаемого слоя почвы, ч [10, 11]; σ – коэффициент стока (для весенней талой почвы он равен 0,5, для летнего периода – 0,15); h – интенсивность снеготаяния или интенсивность выпадения дождей.

Коэффициент С,  1/с, рассчитывается по формуле

C = a Ji ,               (4)

где a – принимается по [11] (для весеннеосеннего периода он равен 1,13; для вегетационного периода – 2,15); I – уклон поверхности, I = 0,0002.

С = 1,13 • 70,0002 = 0,027 ,1/с;

С ₂ = 2,15 • 7 0,0002 = 0,036 ,1 /с.

Сумма выпавших осадков за весеннеосенний период hвес, мм, рассчитывается по формуле hвес

¹ вес - осен

а • b

где a – продолжительность весеннего снеготаяния (7–9 сут); b – продолжительность весеннего снеготаяния в течение суток (5–7 ч).

Сумма выпавших осадков за летний период hлет, мм, рассчитывается по формуле l> = KXmr ,мм, (6) a • b где KXmax – максимальное значение слоя выпавших осадков за один месяц летнего периода, мм; a – продолжительность выпадения осадков (1 сут); b – продолжительность выпадения осадков в течение суток (5 ч).

Расчет выполнен для 10 и 25 % обеспеченностей по годам.

а р10% а 0 овес - осп

р25% а 0 овес - гп

_h 10% вес

_h 10% лет

_h 25% вес

_h 25% лет

8 • 6

• 1    • 5

• 8    • 6

1 - 5

= 2,06 мм/ч;

= 11,2 мм/ч;

= 1,98 мм/ч;

= 17,6 мм/ч;

0,51 • 0,027 • 72 2 • [(0,5 • 2,06)^0.75 + 4 • 0,18]²

0,5 • 2,06

0,51 • 0,027 • 72 2 [(0,25 • 17,6) + 4 • 0,18]²

= 210 м;

0,5 • 1,98

= 219 м.

Расчет расстояния между каналами, м, открытой регулирующей сети по методике С.Ф. Аверьянова определяется по формуле

„            ^{(1 -} ° ) • ^а ,2

а 0 = 3,6--- 1 ,        (7)

n ° • ta где I – средний уклон осушаемой поверхности (0,0002); n – коэффициент шероховатости поверхности (2,3); ° - коэффициент стока [11] (0,25); h– слой осадков выпавших за время t , мм/ч; t – время выпадения осадков, ч; t– время отвода поверхностных вод, ч.

0,0002

a 0 овес - осп   ^3,6      2з

0,0002

а      = 3 6--

0 овес - гп      ,        2,3

•

•

(1 - 0,25) • 28 0,25 • 72

(1 - 0,25) • 35 0,25 • 72

• 72 2 = 133 м;

• 72 2 = 166 м.

По полученным результатам можно сделать вывод, что расстояния между открытыми собирателями для периода весеннего снеготаяния ( a 0 ) составляют 210–219 м, а для периода вегетации сельскохозяйственных культур – 133– 166 м. Существенным недостатком данных ме-

W k = W h + X 0001

■ [ o, + M - E - 10 3

тодик является косвенный учет влияния глубины и динамики грунтовых вод на процесс переувлажнения земель.

Для расчета численного эксперимента использовали формулы (8–16).

Уравнение баланса зоны аэрации:

■ q-W -A cp ) ■ S t ]            (8)

уравнение баланса грунтовых вод:

^A K = ^A H - v ■ [ q '(W CP ■ ^A CP ⁾⁺ q n ^- q dp ’ ^{( Д} С ^{) ]} ,                    ⁽⁹⁾

где W K – влажность почвы на конец расчетного периода, см³/см³; W H – влажность почвы на начало расчетного периода, см³/см³; X 0 - расчетный слой почвы, м; M – оросительная норма, мм; E – суммарное испарение, мм; q∙(W CP ∙∆ CP ) – вертикальный влагообмен, м/сут; 8 т - продолжительность расчетного периода, сут; ∆ K – глубина грунтовых вод на конец расчетного периода, м; ∆ H – глубина грунтовых вод на начало расчетного периода, м; μ – коэффициент водоотдачи; q n – модуль подземного притока, м/сут; q – модуль дренажного стока, м/сут.

Уровень грунтовых вод на начало вегетации трав, также по данным измерений, находился на глубине 0,45–0,55 м от поверхности.

Влажность мелиорируемых земель в начале и в конце расчетного периода определялась как средняя для всего периода. Величина расчетного слоя принималась по рекомендациям.

Расчет водного режима и режима увлажнения кормовых культур для периода вегетации проводился по декадам. Норма увлажнения получалась как сумма декадных увлажнительных норм (М) за период вегетации. Увлажнительная норма рассчитывалась по формуле при условии W K <  W min

Q p = 10 3 ■ Х 0 ■ ( W _max - W mn ) , (10)

где W max , W min – верхний и нижний пределы оптимального диапазона влажности почвы, принимаемые для мелиорируемых земель по данным исследований.

Для расчета вертикального влагообмена средние значения влажности торфяной почвы ( W ср ) и глубины грунтовых вод ( ∆ ср ) за расчетный период определялись следующим образом:

Wcp = WH -1 ■ (Wh - Wcp), если W ^ Wh , (11) W„ + W„ или Wcp = —K ^—H, если WK > WH,(12)

Д cp = A H - 1 ■ (A H - A cp ),если A к ^ A h , или Acp = AK + HH , если AK > AH.

Модуль дренажного стока определяется по формулам В.И. Шестакова:

8 ^ К . ' m i

Яд, =----------L—' ( Hgp-A ср ).(15)

B2 др ■ (1 + 8 ■

Bдр

_ ^0,73 ■ K h • ^mN   8 ^т в

^Ld P =                ^ ^lg T

K_b        2 n r

где K i – коэффициент фильтрации пласта, м/сут; m i – мощность водоносного пласта, м; m N , m B – соотвественно мощность нижнего и верхнего пластов, м; K N , K B – коэффициент фильтрации нижнего и верхнего пластов, м/сут; r – эффективный радиус дрены, м.

Расчет проектной урожайности проводился по методике Ю.Н. Никольского, В.А. Шабанова, изложенной в работе [12]:

n

У = У max ■ К 0 ■ X K w. ' Wa.' K sa' L .    (17)

i = 1

где У - проектная урожайность в конкретные годы или в среднем за многолетний период; У _тах - максимальная урожайность при оптимальном ходе (в пределах вегетации) влажности почвы и уровня грунтовых вод; K wi ■ K _Ai ■ K _SAi - коэффициенты, учитывающие снижение урожайности в результате соответственно: запаздывания со сроками сева, отклонений от оптимальных значений влажности почвы ( W ), уровня грунтовых вод (Д) и периодических колебаний уровня грунтовых вод с амплитудой ( Ski ); L i - удельный вес фазы, отражающий чувствительность растений в каждой фазе развития с порядковым номером (i) к отклонениям водно-воздушного режима почвы от оптимальных условий; K 0 - коэффициент снижения урожайности за счет неблагоприятного водного режима мелиорируемых земель.

Для обеспечения оптимального водного режима мелиорируемых земель для разных регионов северной зоны Омской области глубина заложения дренажа и расстояний между дренами для основных кормовых культур севооборота (овес с подсевом трав, многолетние травы, подсолнечник и вико-овсяная смесь) составили:

• а)    для Тары - глубина заложения дренажа -1,5 м, расстояние между дренами - 100 м;

• б)    для Тюкалинска - глубина заложения дренажа - 2,0 м, расстояние между дренами - 130 м;

• в)    для Больших Уков - глубина заложения дренажа - 1,4 м, расстояние между дренами -200 м (рис. 3, 4).

При увеличении расстояний между дренами урожайность сельскохозяйственных культур значительно снижается. Урожайность сельскохозяйственных культур при более глубоком заложении дренажа практически не изменяется. Полученные прогнозные значения урожайности сельскохозяйственных культур близки к действительно возможной урожайности по теплоэнергетическим ресурсам для данного региона.

Рис. 3. Графики зависимости урожайности от глубины дрены и расстояний между ними для овса с подсевом трав, многолетних трав

Рис. 4. Графики зависимости урожайности от глубины дрены и расстояний между ними для подсолнечника и викоовсяной травосмеси

Заключение. Согласно расчетам, природная тепловлагообеспеченность, определяемая коэффициентом увлажнения как для пахотного 1. (0,1–0,2 м), так и для подпахотных горизонтов (0,5–1,0 м) северной зоны Омской области, больше единицы, что свидетельствует о переувлажнении почвы и промывном типе водного режима и требует проведения гидротехнических мелиораций. Расстояния между открытыми собирателями для периода весеннего снеготаяния 2. сельскохозяйственных культур составили 210– 219 м, для всего периода вегетации – 133–166 м. Для обеспечения оптимального водного режима 3. на мелиорируемых землях северной зоны Омской области в результате подсчетов были получены следующие параметры дренажа: глубина заложения дренажа – 1,5 м, расстояние между дренами – 100 м (для Тары); глубина заложения дренажа – 2,0 м, расстояние между дренами –  4.

• 130 м (для Тюкалинска); глубина заложения дренажа – 1,4 м, расстояние между дренами – 200 м (для Больших Уков).