11 месяцев назад
Нету коментариев

Вода является одним из основных факторов жизни растений. Для эффективного использования земельных ресурсов территории необходим правильный учет ее водных ресурсов. Это требование становится одним из важнейших в настоящее время, когда резко повышается культура сельскохозяйственного производства (си­стема обработки почвы, количество удобрений и пр.) и широко развивается мелиорация земель.

Существенными функциями воды в жизни растений являются ее участие в процессе фотосинтеза, обеспечение терморегуляции растительного организма, перенос элементов питания. Решение проблемы влагообеспеченности растений — задача исключительно трудная, поскольку в процессе питания растений водой, помимо физиологических и физических аспектов, нужно учитывать особен­ности такой сложной системы, как почва.

Для оценки трудности этой проблемы скажем лишь об одной особенности почвенных процессов: антагонизме воздухо- и влагосодержания почвы. Необходимость газообмена в корневой системе практически исключает возможность использования режима с из­быточным увлажнением почвы, при котором потребление воды ре­гулировалось бы самим растением.

В настоящее время нельзя дать определенного ответа на во­прос о наиболее эффективных критериях влагообеспеченности. фундаментальные теоретические исследования этой проблемы не продвинулись далее полукачественных описаний процесса переноса влаги. Сложность проблемы влагообеспеченности растений при­вела к появлению различных методов и способов ее решения. Рас­смотрим те из них, которые используются наиболее широко.

Учитывая многочисленность методов оценки влагообеспеченно­сти и внутренние связи между ними, разделение их на указанные ниже группы следует считать условным.

 

Оценка влагообеспеченности по осадкам

В настоящее время все еще достаточно часто, особенно на практике, в качестве показателя обеспеченности влагой используют количество выпавших осадков, выраженное обычно в миллиметрах слоя воды. Среднее многолетнее количество осадков в данном рай­оне дает представление о 50%-ной обеспеченности этой территории осадками выше или ниже данной величины.

Имеющиеся в климатических справочниках данные о средних многолетних суммах осадков за отдельные месяцы и периоды не могут полностью характеризовать режим осадков, ибо изменчи­вость осадков в отдельных районах может быть значительной. На­пример, в Одессе самым влажным (по осадкам) является июнь. В среднем за этот месяц в Одессе выпадает 75 мм. однако в от­дельные годы осадков здесь нет совсем, а в другие годы они достигают 200 мм. Поэтому для правильного суждения о влаго обеспеченности культур необходим расчет осадков различной обеспеченности. Для этого можно пользоваться графиками А.Н. Ле­бедева. Образец такого графика приведен на рис. 8.

График для расчета осадков различной обеспеченности в юго-западных областях ЕТС

График для расчета осадков различной обеспеченности в юго-западных областях ЕТС

На графике по оси Y нанесены средние многолетние суммы осадков за теплый период, по оси X — возможные суммы осадков в отдельные годы, в поле графиков даны линии различной обеспе­ченности.

Однако оценка условий влагообеспеченности территории по ко­личеству выпадающих осадков не удовлетворяет агроклиматологов, ибо осадки являются лишь одной из характеристик приходной части водного баланса. Этим, в частности, объясняется тот факт, что в различных районах страны может выпадать одинаковое ко­личество осадков, но обеспеченность растений влагой будет раз­ной. Например, на Кольском полуострове выпадает столько же осадков, сколько и в Узбекистане (350 мм за год). Однако на Кольском полуострове наблюдается избыток влаги, что отрица­тельно сказывается на жизни растений, а в Узбекистане земледе­лие немыслимо без орошения. Поэтому для более правильной оценки влагообеспеченности необходимо знать потребность расте­ний во влаге и фактическое водопотребление. Сравнение этих двух величин (через разность или отношение) может служить показате­лем влагообеспеченности данной территории. Необходим также учет годового хода выпадения осадков.

 

Оценка влагообеспеченности по методам, учитывающим основные метеорологические характеристики

Величина водопотребления сельскохозяйственных культур за­висит от многих факторов, основными из которых являются погодные (климатические) условия, биологические особенности культуры и уровень применяемой агротехники. Считая за опреде­ленный период времени последнюю величину относительно по­стоянной, можно полагать, что водопотребление конкретного сорта растения в основном определяется погодными условиями и его био­логическими особенностями. Основными метеорологическими факто­рами, характеризующими потребность растений в воде, являются солнечная радиация, температура воздуха, дефицит влажности воздуха и некоторые другие показатели.

Ряд исследователей рассчитывают потребность растений во влаге по средней суточной температуре воздуха или по сумме сред­них суточных температур за определенный период времени.

Так, И. А. Шаров предлагает рассчитывать оптимальное водо­потребление культуры Е по формуле

f_006

где сумаt — сумма температур воздуха за период вегетации, е — коэф­фициент водопотребления культуры, рассчитанный на 1°, b — число дней вегетационного периода.

Температуру воздуха для расчета оптимального водопотребле­ния культур предлагают использовать также Д. А. Штойко, Г. К. Льгов, Д. Б. Циприс и ряд других исследователей. За рубе­жом для аналогичных расчетов рекомендуют использовать темпе­ратуру воздуха (и некоторые другие факторы) Торнтвейт, Блейни и Кридл, Ловри и Джонсон и др.

В Советском Союзе из этой группы эмпирических методов до­вольно широко распространен биофизический метод, предложен­ный А. М. Алпатьевым. В качестве основного элемента, определя­ющего величину оптимального водопотребления (оптимального суммарного испарения), Алпатьев выбрал дефицит влажности воздуха, поскольку он, как функция от температуры и влажности воздуха, является комплексным показателем условий суммарного испарения.

Вторым компонентом в расчетном уравнении является так на­зываемый биологический коэффициент испарения. В физической основе этого коэффициента, по Алпатьеву, «лежит сложившийся в филогенезе наследственный ритм развития растения, связанный с сезонным ритмом климата, ход накопления растительной массы одновременно с качественным изменением самого растения, степень затенения почвы и устойчивость фитоклимата». Эти зависимости дают основание полагать, что биологический коэффициент отра­жает главным образом биологические особенности развития расте­ний. С учетом указанных закономерностей расчетное уравнение имеет вид

f_007

где Е — оптимальное водопотребление данного фитоценоза (мм), К — биологический коэффициент данной культуры (безразмер­ная величина), сумаd — сумма дефицитов влажности воздуха (мм или мб).

Численные значения величины К получаются путем осреднения за 4—5 лет частных от деления фактических расходов влаги дан­ной культуры на сумаd за тот же период (при оптимальном увлажне­нии почвы). Биофизический метод характеризуется достаточной точностью расчета водопотребления растений (ошибка за вегета­цию составляет 10—15%, а за месяц — 20—25%), возможностью ретроспективного определения водопотребления за длительный пе­риод времени, простотой. Существенно, что этот метод учитывает биологические особенности растений. Эти преимущества привели к использованию биофизического метода не только в Советском Союзе, но и в ряде зарубежных стран (Болгария, Чехослова­кия и др.).

В изданных в нашей стране новых агроклиматических справоч­никах «Агроклиматические ресурсы области» (1971 —1972 гг.) влагообеспеченнссть растений рассчитана в целом по методу Алпатьева.

Оптимальное водопотребление (близко совпадающее с испаря­емостью или, что то же, с оптимальным суммарным испарением) в справочниках определено по формуле

f_008

здесь сума d — сумма дефицитов влажности воздуха, выраженная в мм; 0,65 — биологический коэффициент испарения, принятый Ал­патьевым постоянной величиной; Е — потребность в воде данного фитоценоза (оптимальное водопотребление, мм).

Влагообеспеченность растений в справочниках выражена как разность между оптимальным и фактическим испарением. Факти­ческое испарение сумаu рекомендовано вычислять по формуле сокра­щенного водного баланса

f_009

где О — осадки (мм), С — сток поверхностный (мм), w1 и w2запасы продуктивной влаги на начало и конец вегетации (мм). Поскольку поверхностный сток в период вегетации практически бывает мал, им обычно пренебрегают.

Территорию, для которой разность между фактическим и опти­мальным испарением не превышает ±50 мм, относят к оптималь­ным условиям увлажнения. Районы с отрицательной разностью бо­лее 50 мм отнесены к зоне недостаточного увлажнения, а районы с положительной разностью более 50 мм — к зоне избыточного увлажнения. Абсолютные величины разностей между оптимальным и фактическим водопотреблением в первом приближении можно ис­пользовать в качестве климатических показателей оросительных норм в районах орошения и избытка влаги в районах осушения. В этих же справочниках оценка ресурсов влаги дана также через отношение фактического водопотребления к оптимальному водо­потреблению. Такое отношение показывает, насколько обеспечена влагой (в процентах) данная культура в рассматриваемом районе по сравнению с величиной оптимального увлажнения.

Следует указать, что в последнее время доказана изменчивость биологических коэффициентов испарения в зависимости от почвен­но-климатических условий района местообитания растений. При этом обнаружена тенденция увеличения биологических коэффици­ентов с ростом широты. Поэтому более точными будут расчеты влагообеспеченности по методу Алпатьева с применением зональ­ных биологических коэффициентов, установленных рядом авторов.

В качестве примера приведем биологические коэффициенты ис­парения, предложенные С. М. Алпатьевым для Украины (табл. 7). В целях совмещения пофазных значений коэффициентов вегетаци­онный период в таблице выражен не временем (декадами), а на­растающей суммой температур воздуха с приведением их к 12-ча­совой длине светового дня.

t_007

В заключение заметим, что все эти методы (А. М. Алпатьева, Шарова и др.) имеют существенный недостаток — в них не учитывается подпитывание корнеобитаемого слоя за счет грунтовых вод. Поэтому данные методы дают хорошие результаты лишь при глу­боком залегании последних(более 3—5 м). Определение же биоло­гических коэффициентов для различных почвенно-климатических условий тоже довольно сложно.

 

Оценка влагообеспеченности по условным показателям увлажнения

Рядом авторов предложены условные показатели увлажнения, часто называемые индексами или коэффициентами. В основе боль­шинства коэффициентов лежит положение, согласно которому сте­пень увлажнения территории находится в прямой зависимости от количества осадков и в обратной от возможного расхода влаги растениями (испаряемости). Последняя рассчитывается по темпе­ратуре, дефициту влажности воздуха или другим параметрам.

Приведем некоторые из показателей увлажнения.

Показатель увлажнения, предложенный Н. Н. Ивановым:

f_010

здесь Р— осадки за год (мм), f — испаряемость за год (мм), оп­ределенная по испарению с поверхности водоемов (озер). Показатель увлажнения Д. И. Шашко:

f_011

где Р — осадки за год, сумаd — сумма среднесуточных дефицитов влажности за год (мм), являющаяся показателем испаряемости.

Величина Md = 0,45 указывает на соответствие в пределах года осадков и испаряемости; при Md>0,45 осадки превышают испаря­емость; Md>0,60 указывает на формирование избыточного увлаж­нения. Наоборот, величины Md<0,45 являются показателями не­достаточного увлажнения; Md<0,15 указывает на крайне засуш­ливые условия.

Поскольку испаряемость существенно зависит от влажности воз­духа, П. И. Колосков предложил следующий показатель, харак­теризующий увлажнение почвы:

f_012

здесь Рколичество осадков, Е — е — дефицит влажности воз­духа, К — коэффициент пропорциональности. Пользоваться фор­мулой Колоскова затруднительно, так как необходимо определять величину К (по данным влажности почвы).

Показатель увлажнения (гидротермический коэффициент) по Г. Т. Селянинову:

f_013

В последнее время М. И. Будыко предложил радиационный ин­декс сухости К:

f_014

где Rрадиационный баланс, Lскрытая теплота испарения, r —годовое количество осадков. Применение этого индекса за­труднено ограниченностью данных по радиационному балансу под­стилающей поверхности. Однако Будыко показал возможность оп­ределения радиационного баланса по суммам температур выше 10°.

Известны также показатели сухости климата В. П. Попова, ин­декс влажности, предложенный за рубежом Торнтвейтом, и т. д.

Из указанных показателей, представляющих по существу эмпи­рические зависимости, в Советском Союзе наибольшее распрост­ранение получили ГТК (по Селянинову) и показатель увлажнения Шашко. Поэтому остановимся на них несколько подробнее.

Г. Т. Селянинов отмечает большую устойчивость определенных значений гидротермического коэффициента на границах основных природных зон и на географических границах культур. Например, граница леса и степи совпадает с изолинией ГТК за июнь — ав­густ, равной 1,0; северная граница пустыни — с изолинией 0,5 и т. д.

В многочисленных агроклиматических работах и справочниках районирование территории по увлажнению и выделение зон про­ведено по гидротермическому коэффициенту.

Селянинов для упрощенной оценки режима увлажнения внутри вегетационного периода предложил рассчитывать начало и конец засушливых и сухих периодов и их продолжительность. За засушливый период он принял ГТК менее 1,0, а за сухой — менее 0,5. На­чало и конец указанных периодов можно рассчитывать по интер­поляционной формуле

f_015

где К — пороговое значение ГТК (1,0 или 0,5), b — среднее месяч­ное значение ГТК ниже порогового, а — соответствующее значение ГТК выше порогового, d — число дней в месяце с ГТК = 6.

Так как условия увлажнения отдельных лет отличаются от средних, наряду со средними значениями ГТК используют времен­ную изменчивость этого коэффициента (табл. 8).

t_008

В ряде работ ГТК широко использован для оценки влагообеспеченности урожая. Впервые такая связь была установлена С. А. Сапожниковой.

П. И. Колосков и В. А. Смирнова нашли зависимость урожая яровой пшеницы от увлажнения за период апрель — июнь; она при­ведена в табл. 9. Здесь урожай дан в баллах, которые получены путем пересчета его из абсолютных величин в доли от максималь­ного значения. Данные табл. 9 можно использовать для агроклима­тических расчетов обеспеченности урожая влагой при наличии обеспеченности различных значений ГТК, приведенных в табл. 8.

t_009

Несмотря на широкое использование показателей Шашко и Селянинова, они имеют определенные недостатки.

Недостатком ГТК является неучет весенних запасов влаги в почве, которые при неоднородном годовом ходе осадков могут быть существенно различными при одном и том же значении ГТК за вегетацию. Поэтому ГТК является хорошим показателем увлаж­нения лишь в тех районах, для которых характерен однородный тип годового хода осадков. При значительных различиях в годо­вом ходе осадков необходимо уточнение значений ГТК. В настоя­щее время такая корректировка проведена Сапожниковой для рай­онов с муссонным климатом (к востоку от Забайкалья).

Вторым существенным недостатком ГТК является то, что в ка­честве показателя испаряемости используется лишь температура воздуха. Правда, на значительной части территории Советского Союза температура воздуха тесно коррелирует с дефицитом влаж­ности воздуха, более полно учитывающим испаряемость. Однако в ряде районов, особенно прибрежных, эта связь нарушается. По­этому для таких районов ГТК, как показатель увлажнения, будет неточным.

Показатель увлажнения Шашко Md также нуждается во вве­дении поправок на годовой ход осадков, так как зимние и летние осадки не равнозначны для растений. Кроме того, при учете годо­вых сумм осадков показатель Шашко оказывается слишком ста­бильным во времени и плохо отражает изменения влагообеспечен­ности вегетационного периода в отдельные годы.

Учитывая указанные недостатки, С. А. Сапожникова предло­жила новый коэффициент увлажнения КУ, положив в его ос­нову ГТК:

f_016

где В — влагозапасы почвы, рассчитанные по зимне-весенним осадкам, Рв — осадки за период с температурой более 10°, у — ко­эффициент, переводящий сумаT10 в испаряемость по соотношению сумаТ10 и сума(Eе) с учетом изменения этого соотношения в отдель­ных районах.

Величины В, у, а следовательно, и КУ подлежат определению в ближайшем будущем.

Поскольку в основе большинства показателей увлажнения на­ходится испаряемость, следует сказать несколько слов о существе этого понятия.

Сравнительно долгое время в качестве испаряемости рассматри­валось испарение с водной поверхности, определенное по данным испарителей или малых водоемов. Измеренные таким образом ве­личины испаряемости оказались значительно заниженными по сравнению с испаряемостью растительного покрова. Это заниже­ние в основном объясняется особенностями теплового баланса вод­ной поверхности (проникновением радиации в воду) и связанным с ними изменением режима турбулентного обмена.

В настоящее время большинство исследователей понимает под испаряемостью максимально возможное испарение воды в атмосферу при неограниченном притоке ее к испаряющему телу (в том числе и полю). При такой формулировке испаряемость сельско­хозяйственного поля представляет собой интегральный показатель, характеризующий весь комплекс условий (почвенных, биологи­ческих, метеорологических), который определяет максимально воз­можное испарение поля. Однако на практике часто за испаряе­мость принимают данные, полученные на основании конкретной методики определения. Этот прием, естественно, может привести к значительным погрешностям, если учитывать несовершенство многих методик расчета. Примером таких расчетов является рас­смотренное выше определение испаряемости по знаменателю ГТК.

 

Оценка влагообеспеченности по методам, основанным на теоретических положениях

К числу этих методов прежде всего следует отнести комплекс­ный метод, разработанный М. И. Будыко. Автор рассматривает две стадии испарения с почвы. Первая из них соответствует опти­мально увлажненной почве, при которой испарение равно испаряе­мости, а вторая — недостаточно увлажненной почве, с влажностью ниже критической, при которой испарение ниже испаряемости.

Оптимальное водопотребление (потребность растений в воде) Будыко отождествляет с потенциально возможным испарением, т.е. с испаряемостью. Установлено, что величина возможного испаре­ния при оптимальном увлажнении почвы пропорциональна дефи­циту влажности воздуха, рассчитанному по температуре испаряю­щей поверхности. Исходя из этого, Будыко для расчета испаряе­мости предложил формулу

f_017

где р — плотность воздуха, D — интегральный коэффициент диффу­зии, qs— удельная влажность насыщенного водяным паром воз­духа, рассчитанная по температуре испаряющей поверхности, q — удельная влажность воздуха в психрометрической будке.

Для определения величины qs необходимо знать температуру ис­паряющей поверхности, что представляет наибольшую трудность. При решении этой задачи используется уравнение теплового ба­ланса, которое вместе с уравнением Магнуса дает возможность оп­ределить величину qs. В конечном итоге для расчета испаряемости по методу Будыко необходимо знать величины радиационного ба­ланса, теплообмена, температуры и влажности воздуха, коэффи­циента диффузии. Л. И. Зубенок, развивая методику Будыко, пре­образовала его формулу, в результате чего величину испаряемости для каждого месяца теперь можно определять по среднему месяч­ному значению дефицита влажности воздуха, определенному по температуре воздуха, с учетом поправки, зависящей от характера почвенно-климатических условий (тундра, лес, лесостепь, степь и т.д.)

Расчет испарения (при влагозапасах почвы ниже критических) производится по формуле

f_018

где Е — испарение (водопотребление культуры в естественных усло­виях, см), Ео— испаряемость (см), wн и wк — влажность почвы в начале и конце расчетного периода, wо — критическая влажность метрового слоя почвы (см), равная 70% полевой влагоемкости. При упрощенных расчетах сток воды по поверхности не принима­ется во внимание (или он считается заданным). По методу Будыко Л. И. Зубенок и Л. И. Дьяченко построили карты месячных величин испарения для Европейской части Совет­ского Союза. На основе этого метода позже были построены карты испарения и испаряемости для всей территории суши земного шара.

Ресурсы влаги (влагообеспеченность) по методу Будыко мо­гут быть определены как разность между оптимальным и факти­ческим испарением за тот же период времени. Фактически эта раз­ность при положительном знаке представляет собой климатиче­скую норму орошения (если используются средние многолетние данные).

Предложенный метод, однако, может быть применен и для оп­ределения внутригодовой влагообеспеченности отдельных кон­кретных лет.

Указанная разность оптимального и фактического испарения, являясь размерной величиной, не всегда удобна, особенно при со­поставлении условий увлажнения разных территорий. Для реше­ния последней задачи целесообразнее использовать показатель, представляющий собой отношение фактического испарения к испа­ряемости. Зубенок рассчитала такой показатель увлажнения для каждого месяца вегетационного периода применительно к терри­тории Советского Союза.

В целом следует отметить, что комплексный метод Будыко, основанный на учете основных факторов, определяющих испарение (радиационного баланса, температуры и влажности воздуха), яв­ляется одним из методов, наиболее обоснованных физически. К не­достаткам метода следует отнести неучет влияния растений и вод­но-физических свойств почвогрунтов. Для конкретных видов фитоценозов и определенных погодных условий величину коэффициента турбулентной диффузии D использовать трудно, ибо она опреде­лена на основе большого числа осреднений как по территории, так и во времени.

К методам, основанным на теоретических положениях, следует отнести также метод С. И. Харченко. Используя элементы водного и теплового баланса, Харченко для расчета оптимального водопотребления рекомендует формулу

f_019

где Rо — радиационный баланс, Ро — поток тепла в почву, z — скрытая теплота испарения, wh н.в — запасы влаги в расчетном слое почвы при наименьшей влагоемкости, у — параметр, вычислен­ный как разность между наименьшей влагоемкостью и влажностью завядания, в — коэффициент, зависящий от фазы развития расте­ний и состояния деятельной поверхности.

Ресурсы влаги, по Харченко, оцениваются коэффициентом влагообеспеченности n, представляющим собой отношение вод­ного баланса корнеобитаемого слоя почвы к оптимальному водопотреблению (испаряемости):

f_020

здесь X — атмосферные осадки; whн и whк — начальные и конеч­ные влагозапасы в слое почвы толщиной h; Kh, — приход влаги за счет восходящего потока капиллярной, пленочной и парообраз­ной влаги, или подпитывание корнеобитаемого слоя почвы за счет грунтовых вод; Ihинфильтрация влаги (расход ее за пределы корнеобитаемого слоя за счет нисходящего потока); Iпов — поверх­ностный сток; Еоп — оптимальное водопотребление культуры.

При глубоком залегании грунтовых вод (4—5 м), когда ком­поненты влагообмена по вертикали Kh и Ih можно считать рав­ными нулю, расчет коэффициента влагообеспеченности упростится:

f_021

Важным преимуществом этого метода по сравнению с другими является учет влагообмена по вертикали, особенно величин Kh и Ih. Это обстоятельство имеет существенное значение при расчете влагообеспеченности за короткие интервалы времени и при неглу­боком залегании грунтовых вод.

Используя предложенный метод, Харченко, помимо коэффици­ента влагообеспеченности, определил средние многолетние недо­статки водопотребления для ряда сельскохозяйственных культур, произрастающих на юге ETC, в Казахстане и в Западной Сибири. Под этим термином Харченко понимает недостаток влаги корнеобитаемой зоны поля до величины оптимального испарения (во­допотребления). Для характеристики недостатков водопотребления в среднесухие климатические годы им построены карты изолиний этих величин 25%-ной обеспеченности. Установлены также терри­ториально общие зависимости урожая ряда культур от недостат­ков водопотребления, предложена новая методика расчета основ­ных параметров оросительных систем; на примере отдельных оро­сительных систем разработаны дифференцированные оросительные нормы.

В целом метод Харченко, давая хорошие результаты, является трудоемким, так как требует использования значительного числа компонентов, точность вычисления которых должна быть относи­тельно высокой. Как показали последние исследования самого автора, параметр в, учитывающий фазы развития растений и со­стояние деятельной поверхности, нуждается в уточнении для ряда культур. Ограничивает применение метода и тот факт, что пара­метр р определен для сравнительно небольшого числа культур.

Перспективной является оценка водопотребления по радиаци­онному балансу подстилающей поверхности. В условиях континен­тального климата умеренных широт количество тепла, которое мо­жет быть израсходовано на испарение в теплую часть года, меньше величины радиационного баланса за вегетационный период и ближе к его годовой величине. Это положение дало основание Бу­дыко считать, что испаряемость (водопотребление культуры) в це­лом за вегетационный период с приемлемой для практики точно­стью можно определить по годовым значениям радиационного баланса.

Обычно тепловой баланс подстилающей поверхности запи­сывается в виде равенства:

f_022

Многочисленными исследованиями показано, что при больших размерах поля и хорошем увлажнении почвы турбулентным пото­ком Р и теплообменом в почве А можно пренебречь, так как они малы по сравнению с затратами тепла на испарение. Тогда в це­лом за вегетационный период суммарное испарение с хорошо увлажненных (или орошаемых) полей можно определить из ра­венства

f_023

где Е — оптимальное суммарное испарение (водопотребление культуры, мм); R — радиационный баланс за год (ккал/см2год); L — скрытая теплота испарения; k — коэффициент, учитывающий биологические особенности культуры (длину вегетационного пе­риода, особенности развития листовой поверхности и т. д.).

Расчеты водопотребления отдельных культур, основанные на данных радиационного баланса, произведены Ю. С. Мельником, В. В. Романовым и Другими исследователями. При отсутствии на­блюдений по радиационному балансу Мельник рекомендует рас­считывать последний по сумме температур выше 10°, используя зависимость, найденную им для равнинной части ETC:

f_024

где R — радиационный баланс за год; Сума t 10° — сумма температур воздуха более 10°. Теснота связи между этими величинами харак­теризуется коэффициентом корреляции, равным 0,925±0,024.

Ресурсы влаги (влагообеспеченность территории) Мельник пред­лагает определять как разность между оптимальным водопотреблением и приходной частью водного баланса, используя равенство

f_025

где Q — ресурсы влаги, представляющие собой в засушливых райо­нах оросительную норму; Е— оптимальное водопотребление, определяемое по R или по Сума t 10°; Р — сумма осадков за расчетный период; Wo — запасы продуктивной влаги в почве к началу сева; Г — количество используемых грунтовых вод.

Важно отметить, что при определении водопотребления расте­ний по суммам температур можно использовать прогнозы тепло­обеспеченности вегетационного периода для расчета суммарных расходов влаги с орошаемых полей с заблаговременностью 3— 4 месяца. Это обстоятельство позволяет корректировать ороситель­ные нормы. Идея использовать прогнозы теплообеспеченности в указанных целях принадлежит Ф. Ф. Давитая. Впервые отдель­ные аспекты этой идеи были разработаны и реализованы примени­тельно к орошаемым полям Восточной Грузии (Т. И. Турманидзе).

Напомним, что рассмотренный метод можно использовать лишь для достаточно больших по площади и оптимально увлажненных сельскохозяйственных полей. При расчете влагообеспеченности за интервалы времени меньше периода вегетации коэффициент k необходимо определять дифференцированно (для каждой культуры и отрезка времени).

В целом следует считать, что методы определения водопо­требления, основанные на учете одного элемента (в том числе и радиационного баланса), должны давать худшие результаты по сравнению с методами, учитывающими основные факторы водо­потребления.

Метод, разработанный А. Р. Константиновым, также оценивает влагообеспеченность как разность между максимально возможным испарением (испаряемостью) и фактическим. В основе метода ле­жит схема расчета фактического испарения по градиентным дан­ным. Построив эмпирические зависимости, автор заменил вели­чины градиентов скорости ветра, температуры и влажности воз­духа температурой Т и упругостью пара е, измеренными на высоте 2 м. По этим данным было определено фактическое испарение луга, которое относят к территории, окружающей метеостанцию.

Для расчета испарения с конкретного сельскохозяйственного поля необходимо воспользоваться второй частью метода Констан­тинова — графиками перехода от величин испарения с луга к ве­личинам испарения с сельскохозяйственного поля. Такие графики построены пока для зерновых культур по данным синхронных из­мерений испарения с луга и с исследуемой культуры.

Под испаряемостью Константинов понимает максимально воз­можное испарение с оптимально увлажненного сельскохозяйствен­ного поля. Испаряемость при оптимальных влагозапасах почвы, сомкнутом травостое и активной вегетации растений практически одинакова для любых сельскохозяйственных культур. Доказана идентичность величин испаряемости разных подстилающих поверх­ностей (сельскохозяйственное поле, паровое поле, водоем) при условии значительных размеров испаряющих поверхностей и опти­мальном увлажнении почвы. На этом основании Константинов построил график испаряемости, используя данные оптимального испарения различных культур (кукурузы, клевера, картофеля и др.).

Влагообеспеченность территории оценивается Константиновым через дефицит испарения, представляющий собой разность между испаряемостью и испарением.

Построенный на закономерностях метода турбулентной диффу­зии, этот метод принципиально отличается от многих подобных расчетных схем тем, что позволяет определять испарение и испаряе­мость по данным метеостанций без градиентных наблюдений. В практической работе это выгодно проявляется в том, что расчет­ная схема становится простой и доступной. Вместе с тем методу свойственны крупные недостатки.

До настоящего времени не создана единая теория обмена в при­земном слое воздуха, на основе которой можно было бы рассчиты­вать потоки тепла и влаги над различными видами подстилающих поверхностей при разных сочетаниях температуры и ветра. Адвек­тивные вторжения воздушных масс могут существенно нарушать тесноту связи между температурой и влажностью у подстилающей поверхности и соответствующими величинами на высоте 2 м. Гра­фики, позволяющие переходить от испарения с луга к испарению с других культур, по мнению самого автора, являются сугубо ори­ентировочными. Число таких графиков весьма ограничено. Воз­можны значительные ошибки расчетов водопотребления из-за боль­ших ошибок измерения градиентов температуры и влажности воз­духа, что составляет основу метода Константинова (как и метода турбулентной диффузии в целом). Автор сравнивал расчетные ве­личины испарения, полученные своим методом, с эталоном, за ко­торый он принял гидравлический испаритель большой модели (Валдай). За период вегетации (май—сентябрь) ошибка составила 18% в 1951 г., 22% в 1952 г., 27% в 1953 г., 18% в 1954 г.

Таким образом, метод Константинова как вследствие слабой общей теоретической разработки, так и из-за указанных частных недостатков не может быть рекомендован как достаточно точный, особенно за короткие интервалы времени (меньше месяца).

В работах последних лет Константинов и его сотрудники пришли к недостаточно обоснованному выводу, что величины Т и е полностью определяют все составляющие теплового и водного балансов (осадки, сток, характеристики почвенного покрова и т. д.). На основании этого они приняли температуру и влажность воздуха за исходные величины для комплексной характеристики агрокли­матических ресурсов территории Украины. Несомненно, однако, что указанный тезис не имеет достаточного физического обоснования, поэтому проведенное ими агроклиматическое районирование Украины является недостаточно точным.

 

Оценка влагообеспеченности по влагозапасам корнеобитаемого слоя почвы

Многочисленными опытами показано, что нарастание расти­тельной массы и формирование урожая осуществляется лишь за счет влаги, усвояемой растениями. Эта влага, названная поэтому продуктивной, вычисляется как разность между общим количест­вом воды в почве и влажностью устойчивого завядания. Коли­чество продуктивной влаги для сопоставимости с осадками и испарением принято выражать в миллиметрах толщины водного слоя.

Продуктивная влага почвы является важным комплексным по­казателем увлажнения сельскохозяйственных полей, ибо она есть результат взаимодействия погодных, почвенных, растительных и агротехнических условий. Этот интегральный показатель включает осадки, сток, влагообмен почвы по вертикали, испарение и поэтому может характеризовать действительные ресурсы влаги, находя­щиеся в распоряжении растений. Недостатком этого показателя является трудность точного определения влагозапасов почвы.

Наиболее распространенным методом определения влажности почвы в настоящее время является термостатно-весовой, основан­ный на определении количества воды в почве посредством ее вы­сушивания. Основным источником ошибок этого метода является естественная вариация влажности почвы в поле. Результаты опы­тов, проведенных на орошаемых полях в 1961—1963 гг., позволили Л. А. Разумовой сделать вывод, что для определения влагозапасов орошаемого поля с точностью ±15 мм нужно пробурить 3—6 сква­жин до полива и 4—8 после полива. А. К. Филиппова показала, что при 4-кратном взятии проб на влажность средние ошибки ее опре­деления составляют 2—5 мм для однородных грунтов и 40— 45 мм для неоднородных.

Таким образом, применяемая в настоящее время на сети агро­метеостанций методика, при которой осуществляется бурение почвы с 4-кратной повторностью, обеспечивает удовлетворительные ре­зультаты расчета влагозапасов (и, следовательно, влагообеспечен­ности) лишь для сравнительно однородных почвогрунтов. При должном увеличении числа повторностей метод дает хорошие результаты и для неоднородных почвогрунтов.

Продуктивную влагу метрового или пахотного слоя почвы, как комплексный агроклиматический показатель увлажнения, исполь­зуют для характеристики:

а) условий обеспеченности растений влагой в онтогенезе;

б) исходных запасов влаги весной;

в) исходных запасов влаги осенью;

г) критического к влаге периода жизни растений. Сопоставление фактических запасов продуктивной влаги в корнеобитаемом слое почвы с потребностью растений в ней позво­ляет дать количественную оценку водных ресурсов территории. Весенние запасы влаги в почве (слой 0—100 см) принято оце­нивать по их соответствию величине наименьшей полевой влагоемкости (НПВ). Для большинства степных и лесостепных районов нашей страны НПВ суглинистых почв при глубоком залегании грунтовых вод соответствует примерно 170—190 мм продуктивной влаги метрового слоя почвы.

Исходя из этой величины и потребности растений во влаге, ве­сенние запасы влаги метрового слоя почвы оценивают следующим образом:

хорошие 180—160 мм, удовлетворительные 160—130 мм, недостаточные 130—80 мм, плохие и очень плохие 80—50 мм и менее.

Повторяемость указанных градаций в длинном ряду лет харак­теризует климатическую обеспеченность растений влагой весной в данном районе.

Оценку влагозапасов почвы в летний период для зерновых культур можно проводить исходя из следующих величин. С. А. Ве­риго установила, что в период от всходов до кущения зерновых в пахотном слое (0—20 см) оптимальными считаются запасы влаги 25—30 мм, хорошими — 20—25, удовлетворительными — 15—20 мм, плохими — менее 10 мм. В период развития злаков от выхода в трубку до цветения решающее значение приобретают запасы влаги метрового слоя почвы. Они оцениваются по величине продук­тивной влаги в метровом слое почвы следующим образом: хоро­шие— 120 мм и более, удовлетворительные — 120—80 мм, неудовле­творительные (меньше 40—50% НПВ) — менее 80 мм.

В завершающий этап развития злаковых (период от цветения до восковой спелости) потребность растений в воде несколько уменьшается. Условия влагообеспеченности в этот период оцени­вают следующим образом: оптимальные запасы влаги в метровом слое почвы соответствуют 80—100 мм; удовлетворительные — 40—80; неудовлетворительные — 30—40 мм; плохие — менее 25 и более 125 мм. Раздельная градация в последнем случае объяс­няется тем, что влагозапасы менее 25 мм являются резко недоста­точными, а влагозапасы более 125 мм вызывают значительное полегание растений и развитие болезней.

Содержание продуктивной влаги в природных условиях нашей страны существенно изменяется в географическом разрезе, что опре­деляется влиянием многих факторов. К основным из них следует отнести условия климата, свойства почвы, характер растительно­сти, агротехнические мероприятия. Географическое распределение запасов продуктивной почвенной влаги на территории СССР по­казано на соответствующих картах ряда атласов.

Динамика годового хода продуктивной почвенной влаги обу­словливается прежде всего количеством и распределением во вре­мени осадков и температурным режимом данной территории. Изу­чение динамики годового хода влажности почв на территории СССР и соответствия особенностей режима влажности потребности во влаге зерновых культур позволило С. А. Вериго выделить на территории нашей страны четыре агрогидрологические зоны: об­воднения, капиллярного увлажнения, полного весеннего промачи­вания и слабого весеннего промачивания (рис. 9).

Агрогидрологические зоны СССР

Агрогидрологические зоны СССР

Зона обводнения. Для почв этой зоны характерно наличие верхней капиллярной каймы грунтовых вод в метровом слое круг­лый год. Только на 2—3 летних месяца она отрывается от поверх­ности почвы и располагается на глубине до 50 см. На территории зоны зерновые культуры ежегодно обеспечены влагой. В осенний и весенний периоды наблюдается переувлажнение. Наименьшие запасы влаги метрового слоя не опускаются ниже 150 мм. Здесь в основном необходимы мероприятия по борьбе с избытком влаги.

Зона капиллярного увлажнения расположена к югу от зоны об­воднения. Динамика годового хода продуктивной влаги в метровом слое характеризуется большими запасами (более 200 мм) в холод­ную часть года и уменьшением их до 100 мм летом.

Корневая система растений в этой зоне из-за плохой аэрации нижних слоев вследствие переувлажнения развивается только в верхнем слое почвы. Поэтому в отдельные годы, когда сильно пересыхает верхний слой почвы, растения страдают от недостатка влаги.

Зона полного весеннего протачивания занимает территорию с выщелоченными черноземами, черноземами мощными и тучными. Грунтовые воды здесь залегают глубоко. Годовой максимум запа­сов продуктивной влаги приходится на весну, он равен наименьшей влагоемкости (170—200 мм).

Минимальные запасы влаги наблюдаются в конце вегетации зерновых и доходят до 50 мм, а в отдельные годы они еще ниже. Зерновые на этой территории в целом обеспечены влагой. Однако в теплую часть года здесь очень эффективны мероприятия по со­хранению влаги в почве.

Зона слабого весеннего протачивания занимает юг и юго-во­сток ETC и степные районы Казахстана. Почвы этой зоны при наи­больших запасах влаги весной не увлажняются до наименьшей полевой влагоемкости. Поэтому влагообеспеченность зерновых здесь недостаточна. В этой зоне необходимы мероприятия по на­коплению и сохранению почвенной влаги. Большой эффект дает орошение.

Заметим, что указанные на рисунке границы агрогидрологиче­ских зон относительно схематичны. Вследствие различия в рельефе, почвах, гидрогеологических условиях, а также в результате на­правленной деятельности человека (главным образом мелиора­ции) границы зон в естественных природных условиях могут отли­чаться от указанных. Например, районы капиллярного насыщения глубокими «языками» и «островами» могут заходить на террито­рию, отнесенную к типу полного и даже слабого весеннего прома­чивания, располагаясь в понижениях с близким стоянием уровня грунтовых вод.

Возможны значительные отклонения и от агрогидрологических характеристик зон. Так, длительное бездождье может привести к формированию острого недостатка влаги в корнеобитаемом слое в зоне полного весеннего промачивания, для которой в целом ха­рактерно достаточное водоснабжение. Осушительные мелиорации в зоне обводнения, для которой типичен избыток влаги, приводят к необходимости сооружения здесь для отдельных культур систем орошения.

 

Оценка влагообеспеченности с помощью биологических методов

Биологические методы основаны на использовании ряда физио­логических показателей: величины транспирации, скорости пере­мещения сока в стебле, интенсивности фотосинтеза, концентрации и состава клеточного сока и т. д. Экспериментами доказано, что многие физиологические показатели плавно изменяются при изме­нении количества доступной влаги в почве. Эти закономерности в принципе могут быть использованы для оценки влагообеспечен­ности растений.

Ряд физиологических показателей (концентрация клеточного сока и др.) можно использовать только с точки зрения сигнали­зации о физическом состоянии растений. Это означает, что такие показатели могут служить лишь для определения сроков полива.

Отдельные физиологические показатели можно использовать для определения потребности растений во влаге. К таким физиоло­гическим параметрам следует отнести коэффициенты транспирации и водопотребления.

Под коэффициентом транспирации Ктр понимают количество воды, необходимое данной культуре для создания единицы урожая, вещества в условиях оптимальной влажности почвы. Величина во­допотребления Е, рассчитанная по коэффициенту транспирации, определяется формулой

f_026

где N — урожай культуры (т/га), р — коэффициент перевода уро­жая в абсолютно сухую массу, а — отношение испарения с почвы к расходу воды на транспирацию, Ктр — коэффициент транспи­рации.

Под коэффициентом водопотребления Кв понимают количество воды, небходимое данной культуре для создания единицы урожая. Общее водопотребление культуры за вегетацию при использова­нии коэффициента водопотребления определяется по формуле

f_027

где Е — водопотребление (общее) культуры (м3/га), N — проекти­руемый или фактический урожай культуры (т/га). При изменении агротехники в приведенные формулы должен вводиться добавоч­ный коэффициент, характеризующий изменение затрат воды на единицу продукции.

Таким образом, коэффициенты транспирации и водопотребле­ния дают возможность определить общий за вегетацию расход воды при определенной массе урожая. Разность между общим опти­мальным расходом воды (формирующим оптимальный урожай) и фактическим расходом характеризует влагообеспеченность данной территории. Фактические расходы воды наиболее часто оп­ределяются методом водного баланса.

В целом следует заметить, что оценке водопотребления по ука­занным коэффициентам свойственны значительные недостатки. Так, численные значения коэффициента водопотребления и особенно коэффициента транспирации могут резко отклоняться от сред­ней величины (до 100—200%) даже для одного и того же сорта растения. Эти отклонения вызываются изменениями погодных условий, уровня урожая, агротехники и другими причинами. Важ­ным возражением против использования коэффициентов является тот факт, что испарение с поля определяется не величиной расти­тельной массы (при высоких урожаях), а энергетическими ресур­сами атмосферы, если воды для растений достаточно. Коэффици­енты не содержат в себе элементов времени, поэтому ими оцени­вается не абсолютная, а относительная потребность растений в воде. Использование коэффициентов не позволяет проследить ди­намику водопотребления культуры в течение вегетации, что важно для установления правильного водного режима растений. Коэффи­циенты можно определять лишь экспериментальным путем в кон­кретных почвенно-климатических условиях.

Вследствие всех этих недостатков коэффициенты транспирации и водопотребления для оценки влагообеспеченности используются в настоящее время ограниченно. Коэффициент транспирации можно применять как показатель пластичности сельскохозяйственной культуры.

comments powered by HyperComments