Глава 3 ^ 3.1. Ресурсы почвенных вод лесостепной и степной зон Как было сказано выше, количественной оценкой ресурсов почвенных вод является величина суммарного испарения за безморозный период. В результате проведенных по зависимостям (3) – (19) расчетов получены средние многолетние величины суммарного испарения посевов яровой пшеницы, представленные на рис. 5. На этом рисунке довольно четко прослеживается тенденция уменьшения испарения с северо-запада на юго-восток. Кроме того, обнаруживается локальная пестрота, когда две близко расположенных друг от друга станции имеют заметно различные значения исследуемой величины (Шумова, 1991).  |  | Рис. 5. Средние многолетние величины суммарного испарения полей яровой пшеницы за безморозный период, мм Рис. 6. Средние многолетние величины весеннего пополнения продуктивных запасов воды в метровом слое почвы , мм | Для лесостепной и степной зон, где сток дождевых осадков наблюдается редко и пренебрежимо мал по сравнению с годовым стоком, а водообмен между почвенными и грунтовыми водами на сельскохозяйственных полях практически отсутствует, для периода от полного схода снежного покрова и стекания талых вод до наступления отрицательных температур воздуха осенью (безморозный период) справедливо соотношение , (20) где - суммарное испарение за безморозный период; - осадки безморозного периода; - изменение запасов воды в почве за безморозный период; и - запасы воды в почве в начале (весной) и в конце (осенью) безморозного периода. Для средних многолетних условий справедливо соотношение , где - изменение запасов воды в почве за зиму (весеннее пополнение запасов воды в почве). В результате выполненных расчетов для полей яровой пшеницы лесостепной и степной зон получены средние многолетние величины продуктивных запасов воды в почве на момент полного схода снежного покрова весной и на момент перехода температуры воздуха через 0ОС осенью и оценены величины весеннего пополнения запасов воды в почве (рис. 6). Величины весеннего пополнения запасов воды в почве отличаются значительной пространственной изменчивостью, основные причины которой анализируются на примере результатов расчетов для трех сравнительно близко расположенных агрометеорологических станций – Воронежа, Нижнедевицка и Каменной Степи (Шумова, 1991). Наименьшие значения весеннего пополнения запасов воды в почве наблюдаются на северо-западе исследуемого района, составляя во Владимире-Волынском 4 мм, в Шокино – 25 мм, наибольшие - на востоке, достигая в Оренбурге 164 мм. Межгодовая изменчивость величин весеннего пополнения запасов воды в почве отличается значительными величинами средних квадратических отклонений, которые изменяются для характерных станций от42 до 55 мм при средних значениях от 30 до 79 мм, а коэффициенты вариации для станций Мироновка, Гигант и Одесса равны или превышают единицу. На всех шести характерных станциях имеют место случаи, когда к моменту полного схода снежного покрова запасы воды в почве оказываются ниже, чем их осенние значения . На основании эмпирической зависимости между средними многолетними значениями суммарного испарения за безморозный период и осадками того же периода (рис. 7) оценены зональная и локальная величина весеннего пополнения запасов воды в почве (Шумова, 1991). На рис. 7 пунктиром показана прямая, отвечающая случаю, когда суммарное испарение за безморозный период равно осадкам за тот же период . Отрезок ординаты между пунктирной прямой и кривой равен средней (зональной) величине весеннего пополнения запасов воды в почве . А такой же отрезок между пунктирной прямой и конкретной точкой равен локальной величине весеннего пополнения запасов воды в почве . Разность между указанными величинами можно рассматривать в качестве величины, характеризующей локальную пространственную неоднородность весеннего пополнения запасов воды в почве , причинами которой являются различия локальных условий снегораспределения и водопроницаемости почв в период снеготаяния и стекания талых вод. Значения величин локальных отклонений весеннего пополнения запасов воды в почве на исследуемой территории (рис. 8) находятся в диапазоне от -54 мм (Владимир-Волынский) до +49 мм (Капустин Яр). Показано, что средняя многолетняя величина ресурсов почвенных вод (суммарного испарения с сельскохозяйственных полей за безморозный период) практически не зависит от вида возделываемой культуры и, что существенно важно, для их приближенной оценки можно использовать средние многолетние величины суммарного испарения с речных бассейнов, вычисленных по уравнению водного баланса на основе материалов измерения речного стока и атмосферных осадков (Шумова, 2005). Различия между величинами суммарного испарения с сельскохозяйственных полей за безморозный период и испарения с речных бассейнов за год лежат в пределах ошибок измерения зимних осадков или вводимых в них поправок.  |
 | Рис. 7. График связи между средними многолетними осадками и суммарным испарением с сельскохозяйственных полей за безморозный период и - соответственно зональная и локальная величина весеннего пополнения запасов воды в почве Рис. 8. Средние многолетние величины локальной пространственной неоднородности весеннего пополнения запасов воды в метровом слое почвы , мм ^ | Выполненное сравнение средних многолетних величин ресурсов почвенных вод лесостепной и степной зон и величин валового увлажнения территории (Дрейер, 1969; Львович, 1969), которое в лесостепной и степной зонах практически равно величине испарения, показало, что значения валового увлажнения выше соответствующих значений ресурсов почвенных вод в среднем на 38%. Вероятной причиной отмеченных расхождений могут быть осадки, используемые для оценок: при расчетах валового увлажнения территории использовались осадки с поправками к показаниям осадкомера, а при расчетах ресурсов почвенных вод – без поправок. Оценки межгодовой изменчивости суммарного испарения за безморозный период показали, что при средних для характерных станций величинах испарения от 456 мм (Мироновка) до 305 мм (Ершов) значения среднего квадратического отклонения для всех станций (за исключением Ершова) изменяются в довольно узких пределах от 56 до 62 мм при среднем значении равном 58 мм; для засушливого юго-востока его величина возрастает до 78 мм. Коэффициент вариации изменяется в пределах от 0,13 до 0,16 при среднем значении равном 0,15; исключение также составляет Ершов, где коэффициент вариации достигает 0,26. Выявлена тенденция увеличения суммарного испарения с сельскохозяйственных полей лесостепной и степной зон во второй половине ХХ века (рис. 9).    Рис. 9. Межгодовая динамика суммарного испарения с сельскохозяйственных полей на станциях Ершов, Каменная Степь и Гигант ^ В результате выполненных расчетов наряду с суммарным испарением были определены величины испарения воды почвой и транспирации полей яровой пшеницы лесостепной и степной зон. Средние многолетние величины испарения воды почвой полей яровой пшеницы за безморозный период (рис.10) лежат в диапазоне от 354 мм (Краснодар) до 150 мм (Харабали). При средних многолетних величинах испарения воды почвой для характерных станций от 256 мм (Мироновка) до 183 мм (Ершов) среднее квадратическое отклонение величин находится в диапазоне 27-41 мм; коэффициент вариации изменяется от 0,13 до 0,22.  |  | Рис.10. Средние многолетние величины испарения воды почвой полей яровой пшеницы за безморозный период , мм Рис.11. Средние многолетние величины транспирации посевов яровой пшеницы , мм | Представленные на рис.10 средние многолетние величины испарения воды почвой полей яровой пшеницы за безморозный период заметно ниже оценок величин непродуктивного испарения с сельскохозяйственных полей, занятых зерновыми культурами, представленными в работе (Чернышев, Коронкевич, Иванова, 1994), и в отдельных районах исследуемой территории различия достигают 100-150 мм. Возможными причинами указанных расхождений в оценках величин непродуктивного испарения могут являться как различия в методических подходах к их оценке, так и использование исходной информации – в частности использования данных об осадках. Средние многолетние величины транспирации посевов яровой пшеницы в лесостепной и степной зонах изменяются от 230 мм в Новой Ушице до 57 мм в Джаныбеке (рис.11). При средних значениях транспирации для характерных станций от 201 мм (Мироновка) до 123 мм (Ершов) среднее квадратическое отклонение лежит в пределах от 29 до 42 мм, а коэффициент вариации – от 0,16 до 0,35. Величины потенциальной транспирации посевов яровой пшеницы для исследуемого региона находится в пределах от 191 во Владимире-Волынском до 335 мм в Джаныбеке (рис. 12). Среднее квадратическое отклонение величин для характерных станций лежит в пределах от 16 до 41 мм при средних значениях от 246 мм в Мироновке до 300 мм в Ершове; коэффициент вариации изменяется от 0,07 до 0,15. Имеющиеся данные позволяют определить, насколько продуктивно расходуются ресурсы почвенных вод (Shumova, 2000). Диапазон изменения параметра структуры ресурсов почвенных вод составляет 0,49-0,24 (рис. 13). Иными словами в средний по водности год доля транспирации в суммарном испарении полей яровой пшеницы за безморозный период составляет от 49 до 24 %, что согласуется с данными, приведенными в работе (Ананьева, Самарина, 1986), согласно которым для зерновых культур доля транспирации в суммарном испарении за безморозный период составляет 32-38%. При средних для характерных станций значениях параметра от 0,46 до 0,39 среднее квадратическое отклонение изменяется в пределах от 0,04 до 0,06; коэффициент вариации – от 0,09 до 0,16.  |  | Рис. 12. Средние многолетние величины потенциальной транспирации посевов яровой пшеницы , мм Рис. 13. Средние многолетние значения параметра структуры ресурсов почвенных вод посевов яровой пшеницы за безморозный период | Анализ структуры суммарного испарения позволяет сделать вывод о том, что большая часть ресурсов почвенных вод идет на испарение воды почвой – то есть расходуется непродуктивно. ^ К антропогенно изменяемым факторам суммарного испарения отнесены весенние запасы воды в почве и относительная площадь листьев - эти величины могут задаваться по соображениям практического характера. Весенние запасы воды в почве можно увеличить за счет задержания весеннего стока талых вод на сельскохозяйственных полях или за счет влагозарядковых поливов, а величина относительной площади листьев может быть задана из практических соображений варьируя густотой посева. Выполненные исследования показали, что изменение на определенную величину весенних запасов воды в почве приводит практически к такому же изменению величины суммарного испарения, при этом лишь 65% от увеличения весенних запасов воды в почве пойдет на увеличение транспирации (Будаговский, Шумова, 1983). Что касается относительной площади листьев , то при ее изменении от 5 до 1 суммарное испарение поля яровой пшеницы за безморозный период уменьшается лишь на 4%, то есть практически остается неизменным (Shumova, 1994). В то же время структура суммарного испарения претерпевает значительные изменения – доля транспирации в суммарном испарении снижается с 44% при до 24% при . Из этого следует, что при разреженных посевах ресурсы почвенных вод расходуются менее эффектитвно. ^ На основе обширного материала, полученного в результате расчетов, выполненных с декадным временным шагом и охватывающих период от полного схода снежного покрова весной до наступления отрицательных температур воздуха осенью, анализируется динамика суммарного испарения, его составляющих (испарения воды почвой и транспирации) и продуктивных запасов воды в метровом слое почвы полей яровой пшеницы в разные по водности годы (Шумова, 2010). ^ Анализируется пространственная и временная изменчивость весенних продуктивных запасов воды метрового слоя почвы , сформировавшихся к моменту полного схода снежного покрова (Шумова, 1993). На фоне явно прослеживающейся тенденции уменьшения с северо-запада на юго-восток, их распределение на территории лесостепной и степной зон характеризуется сильной пестротой (рис. 14). К северной границе лесостепной зоны значения средних многолетних величин весенних продуктивных запасов воды в почве достигают наименьшей влагоемкости. А в низовьях Волги, за пределами степной зоны, они близки к критическим, которые приняты за критерий достаточности продуктивных запасов воды в почве для нормального развития растений. Естественно, что к моменту посева яровой пшеницы, а тем более всходов, в этих районах продуктивные запасы воды в почве становятся еще меньше. На рис. 14 выделено три зоны: влажная (150-200 мм), умеренно влажная (100-150 мм) и недостаточно влажная (50-100 мм), что согласуется с данными (Вериго, Разумова, 1973; Синицина, 1959). При средних для характерных станций значениях продуктивных запасов воды в почве от 124 до 169 мм среднее квадратическое отклонение изменяется в пределах от 31 до 50 мм; коэффициент вариации составляет 0,22-0,37, что согласуется с данными (Кельчевская, 1983). Оценивается, насколько обеспечены запасы воды в почве , равные наименьшей влагоемкости и их критические значения. Базой, на которой происходит формирование весенних запасов воды в почве , являются запасы воды в почве, сформировавшиеся на момент перехода температуры воздуха через 0ОС осенью предыдущего года (Шумова, 1993). Средняя многолетняя величина осенних запасов воды метрового слоя почвы для рассматриваемой территории изменяется от очень высоких значений на северо-западе (Шокино – 235 мм, Владимир Волынский – 178 мм) до крайне низких значений на юго-востоке, опускаясь ниже 20 мм, причем прослеживается явная тенденция их уменьшения с северо-запада на юго-восток (рис.15). Средние квадратические отклонения продуктивных запасов воды в почве для характерных станций довольно высокие и изменяются от 23 мм (Ершов) до 59 мм (Мироновка) при средних значениях от 43 до 118 мм; коэффициент вариации изменяется в узких пределах и принимает значения от 0,46 до 0,53.  |  | Рис. 14. Средние многолетние весенние продуктивные запасы воды в метровом слое почвы полей яровой пшеницы, мм Пунктиром показаны границы зон: I – влажная, II – умеренно-влажная, III – недостаточно влажная Рис. 15. Средние многолетние осенние продуктивные запасы воды в метровом слое почвы полей яровой пшеницы , мм | Показано влияние основных климатообразующих факторов на формирование величины весенних запасов воды в почве. Проведено сравнение составляющих баланса почвенных вод в осеннее-зимний период с данными (Комаров, 1959; Коронкевич, 1970; Атлас мирового водного…, 1974). Обсуждается использование физико-математических моделей (Гусев, 1993) для вычисления характеристик режима почвенных вод в зимне-весенний период. Глава 4. водообеспеченность посевов сельскохозяйственных культур ^ Приводится краткая характеристика основных методов оценки водообеспеченности посевов сельскохозяйственных культур (Алпатьев, 1954; Будыко, 1971; Константинов, 1968; Селянинов, 1958; Харченко, 1975; Шашко, 1967; Allen, Pereira, Raes, Smith, 1998). В данной работе для оценки водообеспеченности посевов сельскохозяйственных культур используется параметр (Шумова, 2001). Если величина отношения равна 1, это значит, что растения не испытывают недостатка влаги. Если отношение меньше единицы, то запасы воды в почве ограничивают транспирацию, а, следовательно, рост и развитие растений, то есть имеет место засуха. Представление об абсолютных величинах влаги, которой не хватает растениям, можно получить через дефицит транспирации, определяемый как разность между величиной потенциальной транспирации и ее фактическим значением (Shumova, 2000). ^ Дается краткий обзор наиболее известных методов определения потенциального испарения (Будаговский, 1964; Будыко, 1956; Будыко, Зубенок, 1961; Иванов, 1954; Константинов, 1968; Мезенцев, 1962; Ольдекоп, 1911; Тюрк, 1958; Holdridge, 1959; Monteith, 1985; Thornthwaite, 1948) и приводятся результаты расчетов средних многолетних годовых величин потенциального испарения для лесостепной и степной зон, полученные по этим методам (Черенкова, Шумова, 2007). Выполненный анализ полученных результатов позволил сделать вывод, что из тринадцати рассмотренных методов расчета наиболее надежными для использования на территории лесостепной и степной зон являются методы А.И.Будаговского, Пенмана-Монтейта, Н.Н.Иванова, А.Р.Константинова, М.И.Будыко (на основе дефицита влажности воздуха) и Э.М.Ольдекопа. ^ Рассчитанные величины транспирации и потенциальной транспирации позволили оценить значения параметра водообеспеченности и дефицита транспирации посевов яровой пшеницы как средние многолетние, так и за отдельные годы. На рис. 16 представлены средние многолетние величины водообеспеченности посевов яровой пшеницы за периоды всходы - полная спелость и по основным фазам развития растений (Шумова, 2001). В средний по водности год за вегетационный период в целом параметр водообеспеченности не достигает единицы на всей территории лесостепной и степной зон и изменяется в пределах от 0.8 на северо-западе лесостепной зоны до 0.3 в низовьях Волги. Это свидетельствует о том, что засухи здесь распространены повсеместно и отличаются только интенсивностью. В начальные фазы развития растений - всходы и третий лист - величина не достигает единицы лишь за пределами степной зоны в низовьях Волги. Но уже с фазы кущение засуха пересекает юго-восточную границу степной зоны и начинает свое движение в более северные районы. К фазе колошения засухой охвачена уже практически вся исследуемая территория за исключением северо-запада и юга. Такое пространственное распространение засухи прослеживается до фазы молочная спелость, усиливается лишь ее интенсивность. К фазе полной спелости засухой охвачена уже вся территория лесостепной и степной зоны.  |  |  |  |  |  | Рис. 16. Средняя многолетняя водообеспеченность посевов яровой пшеницы всего вегетационного периода (всходы - полная спелость) и по основным фазам развития растений. Темные кружки - растения не испытывают недостатка влаги ( ), светлые кружки - водообеспеченность растений ниже оптимальной (имеет место засуха), цифрами показаны величины отношений  | Между водообеспеченностью всего вегетационного периода и водообеспеченностью в отдельные фазы развития растений существует довольно тесная зависимость (рис. 17).  |  |  |  |  |  | Рис. 17. Зависимость величины водообеспеченности посевов яровой пшеницы в основные фазы развития растений от водообеспеченности всего вегетационного периода  | Что касается межгодовой изменчивости, то за вегетационный период в целом величина достигает единицы лишь в 20% случаев даже в наиболее благоприятной по увлажнению Мироновке, в 14% случаев в Каменной Степи, и в 4% случаев в Гиганте и никогда не достигает единицы в Безенчуке, Ершове и Одессе. Другими словами в Безенчуке, Ершове и Одессе засуха наблюдается каждый год, отличаясь лишь интенсивностью. При средних значениях водообеспеченности вегетационного париода посевов яровой пшеницы для характерных станций от 0,42 (Ершов) до 0,82 (Мироновка) коэффициент вариации соответственно изменяется от 0,43 до 0,20. На рис. 18 показаны кривые обеспеченности параметра для всего вегетационного периода (всходы - полная спелость) и в основные фазы развития яровой пшеницы в Каменной Степи. Если рассматривать водообеспеченность посевов яровой пшеницы по отдельным фазам развития растений, то из шести характерных станций растения полностью обеспечены влагой в начальные фазы развития (всходы, третий лист) лишь в Гиганте. На остальных пяти станциях на фазу всходов засуха имеет место в 4% случаев в Безенчуке, Каменной Степи, Мироновке и Одессе и около 30% случаев - в Ершове. Полностью охвачены засухой все годы в Безенчуке к фазе цветения, в Ершове - к фазе молочная спелость, в Одессе - к фазе восковая спелость.  |  |  |  |  |  | Рис. 18. Кривые обеспеченности параметра по основным фазам развития яровой пшеницы в Каменной Степи | Критическим периодом к влаге для яровой пшеницы в засушливых регионах считается период от фазы кущения до колошения. Так называемое понятие «продуктивное использование растениями влаги» включает формулу: 30% урожая планируется в период кущения зерновых, 60% - в период колошения, 10% - в период налива. Расчеты показывают, что в фазу кущения засуха наблюдается в 25% случаев в Безенчуке, в 42% - в Ершове, в 9% - в Каменной Степи, и в 4% случаев – в Мироновке, Гиганте и Одессе. В фазу колошения засуха отмечается в 88% случаев в Безенчуке и Ершове, в 54% случаев в Каменной Степи, в 33% - в Мироновке, в 62% - в Гиганте и 46% - в Одессе. К фазе молочной спелости засуха наблюдается ежегодно в Безенчуке и Ершове, в 82% случаев в Каменной Степи, в 58% - в Мироновке, в 88% - в Гиганте и в 83% - в Одессе. По мере снижения водообеспеченности при переходе от одной фазы развития растений к другой возрастает изменчивость водообеспеченности. Наибольший диапазон изменения коэффициента вариации характерен для Ершова – от 0,15 в фазу всходов до 0,81 в фазу молочной спелости, а наименьший для Мироновки (от 0,03 в фазу всходов до 0,48 в фазу полной спелости). Средняя многолетняя величина дефицита транспирации посевов яровой пшеницы (рис. 19) равна нулю только на севере за пределами лесостепной зоны (Немчиновка, Шокино), то есть здесь растения не испытывают недостатка влаги. В низовьях Волги дефицит транспирации составляет 246 мм (Харабали). На рис. 20 представлена зависимость между параметром водообеспеченности и дефицитами транспирации . Наибольшие значения дефицита транспирации посевов яровой пшеницы для характерных станций наблюдаются в Ершове и достигают 346 мм, в наиболее увлажненные годы дефицит транспирации может снизится до 50 мм. Более благоприятные условия обеспечены в Мироновке, где максимальная величина дефицита транспирации не превышает 120 мм, а каждый шестой год посевы яровой пшеницы вовсе не испытывают недостатка в воде. При средних значениях дефицита транспирации для характерных станций 45-177 мм значения среднего квадратического отклонения лежат в пределах 41-72 мм, а коэффициенты вариации изменяются в пределах от 0,40 в Ершове до 0,90 в Мироновке.  |  | Рис. 19. Средние многолетние величины дефицита транспирации посевов яровой пшеницы за период вегетации , мм Рис. 20. Зависимость между параметром водообеспеченности и дефицитом транспирации  | Построена зависимость (Шумова, 2001) между урожаем зерна яровой пшеницы, полученным при использовании традиционной агротехники, и водообеспеченностью (рис. 21), в основе которой лежат подходы, предлагаемые в (Кириличева, 1967) – темные точки и в (Мещанинова, 1971) - светлые точки. Коэффициент корреляции между значениями водообеспеченности и урожаем в первом случае равен 0,98, во втором 0,90 при среднем значении 0,93. Для обеспечения минимального урожая зерна яровой пшеницы в лесостепной и степной зоне величина отношения в среднем за вегетационный период должна быть не менее 0.2. В условиях оптимального увлажнения (когда ) урожай зерна яровой пшеницы на исследуемой территории может достигать 25 центнеров с гектара. Наблюдаемые с начала 1950-х годов климатические изменения привели к увеличению водообеспеченности посевов сельскохозяйственных культур на юге Русской равнины (рис. 22). Повысилась урожайность всех зерновых и зернобобовых культур, в том числе за годы перестройки с обвальным ухудшением культуры земледелия, что свидетельствует об улучшении агроклиматических условий территории, среди которых ведущая роль принадлежит водному фактору.  |
Рис. 21. Зависимость урожая зерна яровой пшеницы от водообеспеченности вегетационного периода  ^ |
   Рис. 22. Межгодовая динамика водообеспеченности посевов яровой пшеницы на станциях Ершов, Каменная Степь и Гигант ^ Количественное представление о резервах возможного повышения водообеспеченности (резервах ресурсов почвенных вод) посевов сельскохозяйственных культур (Shumova, 2000) дает параметр (рис. 23), величина которого для наиболее увлажненных северо-западных районов рассматриваемой территории достигает 2,0, для средне засушливых районов она не менее 1,5 и только для острозасушливых районов юго-востока она снижается до 1,0; и лишь для таких уникальных районов как низовья Волги – до 0,8. Для характерных станций величина параметра больше 1 и находится в пределах от 1,87 (Мироновка) до 1,05 (Ершов), что свидетельствует об имеющихся резервах повышения водообеспеченности посевов. Величина среднего квадратического отклонения параметра резервов ресурсов почвенных вод для характерных станций лежит в пределах 0,29-0,37, а коэффициент вариации составляет от 0,16 (Мироновка) до 0,32 (Ершов).  |
Рис. 23. Средние многолетние значения параметра резервов ресурсов почвенных вод посевов яровой пшеницы за безморозный период  ^ | Приведенные материалы показывают, что в средний по водности год практически на всей территории лесостепной и степной зон для яровой пшеницы или любой другой культуры с такой же продолжительностью вегетационного периода в принципе можно довести водообеспеченность посевов до оптимальной не прибегая к дополнительным затратам воды на орошение, а используя лишь имеющиеся резервы ресурсов почвенных вод, то есть за счет изменения структуры суммарного испарения путем снижения непродуктивной составляющей.
|
страница | 2/3 | Дата конвертации | 17.05.2013 | Размер | 0,56 Mb. | Тип | Автореферат |
|
|