Математика полива

Алан Андалес, специалист по системам орошения, доцент, кафедра почвоведения и растениеводства,

Джон Чавес, специалист по системам орошения, доцент, гражданские и экологические разработки,

Трой Баудер, специалист по улучшению качества воды, почвоведению и растениеводству, Университет штата Колорадо

• Атмометр – это прибор, с помощью которого можно получить показатель суммарного испарения влаги
• Данные о насыщенности почвы влагой следует начинать собирать с ранней весны
• Люцерна – эталонная культура для определения испарений почвы и растений

Чтобы полностью реализовать потенциал урожайности растения, необходимо удовлетворить его потребность в воде. Потребность растений в воде называется эвапотранспирацией и обозначается ETc. Эвапотранспирация – это комбинация двух процессов: испарения воды с поверхности почвы или влажной поверхности растений и испарение воды растением. Полив требуется, когда ETc превышает поступление воды из почвы и за счет осадков. Поскольку ETc меняется с развитием растения и изменением погодных условий, то весьма важны объем воды и выбор времени полива.

Планировать полив можно, если известны начальное содержание воды в корнеобитаемом слое почвы, ETc, количество осадков и объем содержания влаги в почве (available water capacity, AWC). На практике использовать можно только часть общего объема запасов влаги в почве.

Максимальное количество почвенной влаги, которая может быть использована растениями, определяется разницей между верхним и нижним пределом запасов влаги в почве. Верхний предел содержания воды называется полевой влагоемкостью и представляет собой количество воды, которая может быть удержана в почве силой тяжести после увлажнения и высыхания. Полевая влагоемкость обычно достигает нормального значения на следующий день после дождя или полива – для песчаных почв, и через два-три дня – для почв с более тяжелой структурой, содержащих больше ила и глины. Нижний предел содержания воды почвы называется точкой устойчивого увядания и представляет собой объем воды, остающейся в почве на тот момент, когда растения необратимо увядают из-за того, что не могут больше получать воду из почвы.

Расчет водного баланса

Начинать полив необходимо тогда, когда количество воды в корнеобитаемом слое почвы опустилось ниже уровня полевой влагоемкости. Ответственный за полив специалист-мелиоратор должен отслеживать дефицит почвенной влаги (D), который и соответствует необходимому чистому количеству воды для полива, он может измеряться в м3/га. Необходимое количество воды для полива можно определить с помощью уравнения:

Dc = Dp + ETc – P – Irr – U + SRO + DP [1],

где Dc – дефицит почвенной влаги (потребность в поливе) в корнеобитаемом слое почвы в данный конкретный день, Dp – дефицит почвенной влаги в предыдущий день, ETc – показатель интенсивности эвапотранспирации в данный день, P – совокупная норма осадков в данный день, Irr – чистый объем поливной воды, просочившейся в почву в данный день,U – просачивание воды, содержащейся в верхних слоях почвы, в корнеобитаемый слой, SRO – поверхностный сток, DP – глубокое просачивание, или дренаж.

В полевых условиях переменные (U, SRO, DP) сложно оценить, поэтому уравнение [1] упрощают до вида:

Dc = Dp + ETc – P – Irr [2].

Очевидно, если Dc принимает отрицательное значение (то есть воды больше, чем нужно), то поливать растения не следует.

Растения начинают испытывать недостаток воды еще до того, как количество воды в почве снизится до начала их устойчивого увядания. Поэтому вводится процентный показатель допустимого истощения запасов почвенной влаги (MAD), в процентах. Глубина корневой системы и показатель MAD любой культуры будут меняться в зависимости от стадии развития растений. Относительный, процентный показатель допустимого истощения запасов почвенной влаги (MAD) можно также выразить в абсолютной величине, в виде допустимого истощения влаги в почве (dMAD), измеряемого в дюймах, с помощью следующего уравнения:

dMAD = (MAD / 100) AWC Drz [3],

где MAD – процент допустимого истощения почвенной влаги (%), AWC – объем наличных водных ресурсов в корнеобитаемом слое (дюймов воды на дюйм почвы), аDrz – глубина корнеобитаемого слоя (дюймов; табл. 2). Значение dMAD можно использовать как справочное при принятии решения о времени полива. Обычно полив применяется тогда, когда дефицит запасов почвенной влаги (Dc) равен или больше значенияdMAD. Более частый полив увеличивает испарение воды с поверхности почвы, что считается потерей воды. Кроме того, когда метеорологи предсказывают дождь, мелиоратор может не поливать, даже если объем воды в корнеобитаемом слое ниже полевой влагоемкости.

Как узнать об эвапотранспирации растения

Показатель эвапотранспирации растения (ETc) в день можно рассчитать с помощью следующей формулы:

ETc = ETr Kc Ks [4],

где ETr – интенсивность транспирации (дюймов в день) эталонной культуры (например люцерны), Kc – коэффициент потребления воды культурой, меняющийся в зависимости от фазы развития растения (от 0 до 1), Ks – коэффициент недостатка влаги (обычно от 0 до 1). В роли эталонной культуры обычно выступает либо люцерна, либо другая кормовая культура.

В любой момент вегетационного периода коэффициент недостатка воды (Ks) представляет собой просто соотношение показателя эвапотранспирации (ETc) этой культуры и показателя эвапотранспирации эталонной культуры. Значения Ks обычно находятся в диапазоне от 0,2 для молодых всходов до 1,0 для культур на пике вегетации, когда листовая поверхность растений полностью покрывает почву. В некоторых случаях пиковое значение Ks может вырастать до 1,05-1,10, например у культур, имеющих сходные с люцерной характеристики биомассы, когда почва и листовой покров увлажнены (после полива/дождя).

В тех случаях, когда имеющиеся запасы воды ограничены (например в ситуации засухи или недостаточного полива), показатель Ks будет ниже 1, а ETc будет недостаточно эффективна. Коэффициент недостатка воды можно рассчитать по формуле:

Ks = (TAW – D) / (1-MAD) TAW) [5],

где TAW – совокупный объем располагаемых запасов влаги в корнеобитаемом слое, D – дефицит почвенной влаги, а MAD – допустимое истощение почвенной влаги. При Ks больше 1 результат принимает значение 1. Дефицит почвенной влаги берется с предыдущего дня наблюдений. Таким образом, следить за насыщенностью влагой лучше начинать еще с ранней весны, когда дефицита влаги нет.

Значение TAW можно вычислить с помощью формулы:

TAW = AWC Drz [6],

где AWC – объем почвенной влаги в корнеобитаемом слое (дюйм воды/дюйм почвы), а Drz – общая глубина корнеобитаемого слоя (дюймы). В уравнении 5 показатель MAD специально определен как доля AWC, которую растение может извлечь из корнеобитаемого слоя, не страдая от недостатка влаги. Заметим, что когда D меньше dMAD, Ks следует установить равным единице.

Расчет водного баланса нельзя начинать, пока не станет известно содержание влаги в корнеобитаемом слое. Его можно определить до или после появления всходов растений. Для этого годятся как точные, но медленные лабораторные, так и менее точные, но быстрые органолептические методы. После этого содержание влаги в почве в последующие дни можно оценивать с помощью уравнения для расчета водного баланса. Уравнения вставляют в качестве формул в электронные таблицы с колонками каждодневных значений.

Использование атмометров

Определить потребность растений в воде (ETc) можно с помощью полевого инструмента, называемого атмометром. Атмометр дает надежные показатели на эталонном растении – люцерне, хотя может недооценить интенсивность транспирации (ETr) в период дождей или сильных ветров. Атмометр состоит из влажной пористой керамической емкости, установленной поверх цилиндрического резервуара с водой. Керамическая емкость покрыта зеленой тканью, имитирующей растительный покров. Резервуар наполнен дистиллированной водой, которая испаряется из керамической чаши и подается при этом через всасывающий шланг, доходящий до дна резервуара. Под тканью керамическая емкость покрыта специальной пленкой, предохраняющей от попадания в нее дождевой воды. Жесткая проволока поверх емкости не дает птицам усаживаться на прибор сверху. Специальная трубка на передней части прибора позволяет наблюдать за уровнем воды и фиксировать его, как это делается в дождемере. Показатель ET за период времени представляет собой разницу в уровнях воды в начале и конце периода.

Атмометры созданы для моделирования потребления воды эталонной (контрольной) культурой, хорошо обеспеченной влагой; в роли такой культуры выступают культуры, полностью покрывающие поверхность почвы: либо люцерна, либо другая травяная культура.

Фактическое потребление влаги культурой можно оценить с помощью уравнения 4. Атмометр дает оценку испарения эталонной культуры (ETr), которую надо умножить на подходящие значения показателей Kc и Ks.

Коэффициенты для других культур приведены в табл. 3. Для большинства не испытывающих водного стресса фуражных и зерновых культур, полностью покрывающих землю, потери воды, замеренные атмометром, будут практически равны водопотреблению обычных (не эталонных) культур.

Атмометры обычно устанавливаются на деревянной стойке неподалеку от орошаемых полей. Хорошее место для размещения атмометра – на краю поля люцерны. Однако можно расположить прибор рядом с грунтовой дорогой, если при этом его окружают низкорослые поливные культуры.

Возможно, что из-за пыли, поднимающейся над дорогой, вам придется чаще очищать зеленую ткань. Условия на участке должны соответствовать средним условиям поля. Не ставьте атмометр рядом со зданиями фермы, деревьями и высокими культурами, которые могут защищать прибор ветра. Кроме того, не размещайте его рядом с сухими невозделанными полями. Верх керамической чаши должен находиться на высоте 99 см над уровнем почвы.

Пример

Мы подготовили пример гипотетического поля бобовых культур в Юме (Колорадо) с почвой типа илистого суглинка с запасом влаги (AWC) в 0,20 дюйма воды на дюйм почвы для верхнего слоя в 30 дюймов. Показатель AWC для такой почвы взят из онлайнового отчета Web Soil Survey (адрес . gov/app/). Web Soil Survey – это онлайновая база данных почв, которую ведет Служба охраны природных ресурсов Министерства сельского хозяйства США.

Бобовые были высеяны 31 мая 2008 года, а изначальный объем почвенной влаги был принят равным полевой влагоемкости. Это означает, что в начале вегетационного периода дефицит почвенной влаги (D) был нулевым. Такое предположение разумно, потому что фактическая норма осадков с 15 января по 30 мая 2008 года составила 2,56 дюйма, что выше, чем располагаемый запас влаги (AWC) в корне обитаемом слое почвы в фазе укоренения.

Потребность в воде у бобовых культур изменяется на протяжении вегетативного периода, поскольку глубина проникновения корней и показатель ETc меняются с ростом растения и изменением погодных условий. В табл. 4 показана предположительная глубина корневой системы и соответствующие значения AWC и MAD для корнеобитаемого слоя на разных фазах роста бобовых. Прежде чем вычислить дефицит почвенной влаги (уравнение 2), мелиоратор должен определить величину допустимого истощения запасов почвенной влаги (dMAD), которая отвечает значению MAD для бобовых культур в соответствующую фазу роста. Значения dMAD были рассчитаны с помощью уравнения 3. Совокупный объем запасов влаги (TAW) в табл. 4 получен с помощью уравнения 6. Например, dMAD корнеобитаемого слоя в период укоренения равен (согласно [3]): (60/100) 12 дюймов почвы 0,20 дюймов воды/дюймов почвы = 1,4 дюйма воды. Это означает, что во время фазы укоренения (с 1 по 30 июня), когда дефицит почвенной влаги (Dc) достигает или превышает 1,4 дюйма, следует применять полив. Аналогичные расчеты были выполнены и для прочих фаз роста культуры (табл. 4).

Таким образом, уравнение 5 для Ks не использовалось, а Ks принимался равным 1. Значения дневной эвапотранспирации для бобовых культур и сведения о ежедневных осадках за 2008 год были получены на метеостанции CoAgMet в Юме. Начиная с 31 мая 2008 г. (даты посева) до 10 сентября 2008 г. (даты созревания урожая) бобовые культуры потребили 22,78 дюйма воды за счет эвапотранспирации, однако получили всего лишь 14,31 дюйма осадков (рис. 2). Интересно отметить, что до 2 июля 2008 г. совокупные осадки превышали кумулятивную потребность ETc бобовых. Однако после этой даты осадки уже не могли удовлетворить кумулятивной потребности ETc.

Возвращаясь к расчетам, ежедневные значения ETc и P за 2008 год были скопированы из открытых страниц на сайте CoAgMet и вставлены в соответствующие колонки электронной таблицы. В таблицу также была добавлена колонка для ввода данных о поливе. Таким образом, мы реализовали вычисление ежедневного показателя дефицита почвенной влаги D. Справа – скриншот электронной таблицы, которая использовалась для нашего примера. Для разных фаз роста и развития бобовых в таблицу вводился объем полива, равный соответствующему показателю дефицита почвенной влаги в дни, когда показатель дефицита почвенной влаги (Dc) был равен или превышал показатель dMAD (дюймов почвенной влаги), указанный в крайней правой колонке табл. 4.

На рис. 3 можно увидеть развитие дефицита почвенной влаги, даты полива и нормы полива на протяжении всего вегетационного периода. Красной линией отмечено значение dMAD (дюймов почвенной влаги), которое использовалось в качестве порогового для определения времени и объема полива. Полив назначался (оранжевые квадратики), когда кривая дефицита почвенной влаги (голубая линия) опускалась ниже dMAD (красная линия) на всех фазах развития растений. Например, 10 июля 2008 года требовалось 2,56 дюйма полива. В это время текущий дефицит почвенной влаги (Dc = 2,56 дюйма) превышал допустимое истощение почвенной влаги (MAD) – 2,4 дюйма для вегетативной стадии развития растений.

Как показывает уравнение 2, с 31 мая по 10 сентября 2008 г. потребовалось пять поливов, чтобы удовлетворить потребность ETc бобовых во влаге. Отметим, что после полива дефицит почвенной влаги снижался (рис. 3). Кроме того, дефицит почвенной влаги также снижался после дождей. Общая чистая потребность в поливе в этот период составила 11,53 дюйма. Последний раз полив потребовался 2 августа при показателе 3,31 дюйма. После этого прошло несколько сильных дождей, которые полностью устранили или значительно снизили дефицит почвенной влаги, поддерживая его ниже значения dMAD во время образования и созревания стручков.

Нормы полива, показанные на рис. 3, иногда приходится вносить частями или разными комбинациями полива, в зависимости от типа ирригационной системы. В реальности эти объемы (от 1,6 до 3,3 дюйма) могут оказаться более подходящими для установленных на поверхности почвы систем – например полив напуском по бороздам. Дождевальные оросительные системы, такие как веерный дождеватель, не всегда бывают достаточно мощными, чтобы вносить большие объемы воды за один полив. Поэтому для таких систем необходимо вносить небольшие объемы воды, но чаще, а полив производить до того, как дефицит почвенной влаги достигнет значения dMAD.

Независимо от типа оросительной системы, при регулярном поливе описанный подход к поддержанию водного баланса может использоваться также для контроля дефицита почвенной влаги и проведения полива до того, как будет достигнуто допустимое истощение почвенной влаги.