В штате Небраска площадь сельскохозяйственных земель составляет 16 млн. акров (6,475 млн. га). При этом орошение проводится на площади около 8 млн. акров (3.24 млн. га).
Около 70% площади орошаемых земель — 5,6 млн. акров (около 2,27 млн. га) — находится под кукурузой. Улучшение способов орошения может оказать существенное влияние на запасы и качество воды, самого ценного природного ресурса штата Небраска.
Система почва-растение-вода
Для эффективного управления процессом орошения необходимо понимание взаимосвязи растений с окружающей средой. Для управления процессом орошения важными характеристиками растений являются: потребление воды в течение вегетационного периода, ежедневное потребление воды, темпы роста растений и глубина их корневой системы.Важные свойства почвы: влагоудерживающая способность, степень увлажнения, а также наличие почвенных горизонтов, препятствующих проникновению корней и/или просачиванию воды. Также необходимо учитывать объем и качество водных запасов. Основной задачей управления процессом орошения является обеспечение дополнительного объема воды, необходимой растениям, и оптимальное использование воды.
Использование воды растениями кукурузы
Эвапотранспирация (ЕТс) или расход влаги сельскохозяйственной культурой — это влага, образующаяся при испарении с поверхности почвы и при транспирации растений. Для кукурузы испарение в течение вегетационного периода составляет 20-30% ЕТс. Транспирация — это последняя стадия на пути движения воды из почвы по корням и стеблям в листья, с поверхности которых она испаряется в атмосферу. На транспирацию расходуется приблизительно 70-80% воды, потребляемой сельскохозяйственной культурой.
Ежедневное водопотребление кукурузы варьирует в зависимости от атмосферных условий: температуры воздуха, влажности, солнечной радиации и скорости ветра. При высокой температуре воздуха, низкой влажности, отсутствии облачности и сильном ветре эвапотранспирация усиливается. Высокая влажность, безоблачное небо и слабый ветер будут способствовать снижению ЕТс. Для определения ежедневного водопотребления сельскохозяйственной культуры необходимо учитывать погодные условия и фазу развития культуры. При высокой суммарной испаряемости в начале мая эвапотранспирация будет незначительной, потому что растения кукурузы еще небольшие, с недостаточно развитой корневой системой и малой площадью поверхности листьев для транспирации.При аналогичной суммарной испаряемости в середине июля кукуруза будет использовать максимальное количество воды, потому что корневая система растения полностью развита и площадь поверхности листьев достаточна для транспирации на уровне, соответствующем суммарной испаряемости.
На сезонное использование воды влияют климатические условия, фаза развития растения, плодородие почв, наличие запасов воды и взаимодействие этих факторов. Хотя общее количество воды, используемое кукурузой, варьирует в зависимости от сезона года и местности, в целом оно будет зависеть от погодных условий и фазы развития растений кукурузы.На рис.1 кривая А показывает среднее многолетние потребление воды кукурузой. При данном среднем потребление воды показаны типичные среднесуточные уровни ЕТс за вегетационный период, полученные на основании данных за период более 10 лет. Кривая Б на рис.1 показывает возможные колебания значений среднесуточной ЕТс в отдельные годы. Управляющие ирригационными сооружениями должны ознакомиться с многолетней тенденцией и, что более важно, должны определять суточное значение ЕТс за несколько последних дней. Для определения времени орошения и необходимого объема подачи воды необходимы данные многолетней тенденции и уровня ежедневного использование воды культурой.
В штате Небраска общее водопотребление кукурузы варьирует от 28 дюймов (около 711 мм) в год на юго-западе до 24 дюймов (около 609 мм) в год на востоке. Водопотребление зависит от погодных условий и от сорта кукурузы. На сезонную ЕТс в наибольшей степени влияет продолжительность периода созревания определенного сорта. Например, в одном и том же районе в определенный год гибрид кукурузы с периодом созревания 113 дней будет потреблять больше воды, чем гибрид с периодом созревания 100 дней. Гибриды кукурузы длительного периода созревания требуют больше воды, но если они получают достаточное количество тепла и воды, они дают больше зерна.
Если оба сорта вызревают полностью, объем зерна, произведенного на каждый дюйм (25,4 мм) ЕТс, приблизительно одинаков. При этом сезонное использование воды указанными сортами кукурузы различается, потому что различается общее количество дней использования воды этими сортами, а в некоторых случаях объемы ежедневного использования воды также различны. По причине варьирования погодных условий в течение года и в отдельные годы, среднее многолетнее использование воды в сутки (линия А) может различаться на ±0,03 дюйма (около 0,7 мм) в день. Суточные колебания использования воды в определенный год (линия Б) могут превышать 0,20 дюймов (5,08 мм) в день. В связи с этим рекомендуется использование датчиков почвенной влаги и расчет ежедневного использования воды культурой с учетом погодных условий данного сельскохозяйственного сезона. Кроме того, по сравнению со средними многолетними значениями продолжительность каждой фазы роста кукурузы может различаться на ± 2 дня.
(1) Среднее многолетнее значение количества дней с момента посадки, необходимое для определенной фазы спелости. Например, для перехода от фазы R3 к фазе ранней восковой спелости необходимо приблизительно 15 дней (период с 89 по 104 день). Количество дней для каждой фазы роста было определено с использованием модели роста гибридной кукурузы за период с 1982 по 2005 гг. в Клэй Сентер, штат Небраска.
Уровень поглощения влаги корневой системой растения кукурузы зависит от глубины корневой системы. В целом, по сравнению с более глубокими горизонтами, на небольшой глубине корни извлекают больше влаги. Если вода подается на поверхность почвы, ее поглощение корневой системой происходит согласно правилу четвертей — «4-3-2-1»: 40% влаги поглощается верхней четвертью корневой системы, 30% влаги поглощается второй четвертью и т.д. Данная зависимость показана на рис. 2. Подача воды через подповерхностную систему капельного орошения приводит к значительному извлечению воды из более глубоких горизонтов, где расположен поливной трубопровод. Кроме того, хотя корневая система растений кукурузы достигает глубины 5-6 футов (1,52-1,83 м), вплоть до поздней стадии вегетации при стабильном орошении эффективной считается участок корневой системы на глубине 3 футов (0,91 м). Далее, при расчетах времени и объема воды последнего полива, эффективная корневая зона расширяется до глубины 4 футов (1,22 м).
Обеспечение потребности кукурузы в воде
Помимо воды, содержащейся в почвенном профиле, и выпадающих во время вегетационного периода эффективных осадков, дополнительная влага обеспечивается орошением. Поэтому, чтобы определить необходимое орошение, используется следующее уравнение водного баланса:Эффективные осадки + Извлеченная почвенная влага — ЕТс за период = Необходимое орошение.Согласно средним многолетним данным, оросительная норма нетто для кукурузы на илисто-глинистых почвах юго-востока Небраски составляет около 6 дюймов (152,4 мм) в год, в центральной части Небраски — около 9 дюймов (228,6 мм) в год, а на территории Пенхэндл на северо-западе Небраски оросительная норма нетто составляет около 14 дюймов (355,6 мм) в год (Департамент природных ресурсов, 2006 г.). Эти величины могут ежегодно варьировать в зависимости от погодных условий (осадков, солнечной радиации, температуры воздуха, скорости ветра и относительной влажности), влияние которых на ЕТс было описано выше.
Проектируемая ирригационная система должна обладать пропускной способностью, отвечающей уровню водопотребления сельскохозяйственной культуры (колонка 2, Таблица 1). Однако использование значений уровня водопотребления в расчете пропускной способности системы может привести к чрезмерному увеличению размеров составляющих системы. Руководство Университета Небраска-Линкольн G1851 «Минимальные размеры систем кругового орошения в Небраске» содержит метод расчета расхода воды, необходимого для обеспечения потребностей в воде сельскохозяйственных культур с учетом времени простоя системы, водоудерживающей способности почвы и количества осадков в течение вегетационного периода. Используя данный метод можно определить пропускную способность оросительной системы, которая будет соответствовать схеме управления орошением и позволит снизить затраты на сооружение и эксплуатацию оросительной системы.
Цель управления процессом орошения состоит в обеспечении дополнительного объема воды с учетом экономических и экологических последствий. Одна из причин, по которой урожайность кукурузы повышается в результате орошения, объясняется законом убывающего плодородия (по мере того, как урожайность сельскохозяйственной культуры приближается к пиковому значению, последние 1-2 дюйма (25,4-50,8 мм) используемой воды внесут меньший вклад в дополнительное увеличение урожайности, чем первый дюйм воды). Также, поскольку подача воды оросительной системой не является эффективной на 100%, не представляется возможным преобразовать весь используемый объем воды в ЕТс и, в конечном итоге, в зерно. Поэтому, для принятия решения об использовании «последнего дюйма» воды для орошения, управляющие должны учитывать потенциал увеличения урожайности зерна и стоимость использования воды.
Использование нескольких дополнительных дюймов воды потенциально снизит чистую прибыль орошаемого поля из-за снижения урожайности в результате вымывания питательных веществ за пределы активной корневой зоны и снижения степени аэрации почвы. Также к стоимости производства кукурузы добавится стоимость подачи дополнительного объема воды. Для расчета стоимости подачи воды количество топлива на акр-дюйм (101 м3/га) умножается на стоимость 1 галлона (3,79 л) топлива. Например, для подачи воды с глубины 100 футов (30,48 м) при давлении на выпуске насоса 50 фунтов на квадратный дюйм (3,45 бар), расход дизельного топлива составит приблизительно 1,97 галлонов (около 7,46 л) на акр-дюйм (101 м3/га). Таким образом, стоимость подачи одного дюйма (25,4 мм) воды в 1,97 раза превысит стоимость дизельного топлива.
Если подача воды для орошения и выпадающие осадки не соответствуют потребностям ЕТс сельскохозяйственной культуры, ограниченное или дефицитное орошение может способствовать увеличению урожайности по сравнению с уровнем урожайности богарного земледелия. Но в результате органичения орошения урожайность будет ниже, чем при поливе. В условиях нехватки водных ресурсов полив должен применяться на важных фазах роста кукурузы, например, между опылением и ранней фазой тестообразной спелости, что позволяет наиболее эффективно использовать имеющиеся водные ресурсы.
Фазы роста кукурузы
Непосредственно после посадки практически вся используемая растением влага поступает в результате испарения с поверхности почвы. Согласно расчетам, ЕТс будет составлять менее 0,10 дюйма (2,5 мм) в день при условии, что поверхность почвы не увлажняется с помощью орошения. После выпадения осадков уровень испарения с поверхности почвы может возрасти до более 0,20 дюйма (5,1 мм) в день в зависимости от механического состава почвы, наличия пожнивных остатков и количества осадков. Орошение в этот период не рекомендуется, потому что подача воды через систему дождевального орошения может способствовать образованию поверхностной корки, которая снизит уровень фильтрации воды и может задержать начало всходов. При значительном количестве пожнивных остатков будет поглощаться энергия капель воды, и корка будет образовываться менее интенсивно.Также пожнивные остатки снижают испарение почвенной влаги, отражая определенное количество солнечной радиации.
Приблизительно через две недели после появления всходов растение кукурузы вырастает до 6 дюймов (15,24 см) (фаза 4-го листа). В это время из первого узлового корня начинает развиваться постоянная корневая система. Когда растение достигает высоты 10-12 дюймов (25,4-30,5 см) (фаза 6-8 листа), начинают формироваться метелка и початок. В этот период также формируется определенное число рядов зерен и число зерен в ряду. Индекс площади листа для поливной кукурузы возрастает до 2,0. Ежедневное водопотребление кукурузы варьирует от 0,15 до 0,20 дюймов (3,8-5,1 мм) в день (Таблица 1). При отсутствии ограничивающих факторов — уплотнения почвы, водоупорного слоя или галечника — корневая система кукурузы располагается в верхнем слое почвы на глубине 18 дюймов (45,7 см). Если эффективная глубина корневой системы составляет 18 дюймов (45,7 см), доступная растениям влага в илисто-глинистых почвах составит 3 дюйма (76,2 мм), а в песчаных почвах — 1,5 дюйма (38,1 мм). Норма полива во время первого орошения должна учитывать осадки и должна быть небольшой — для снижения потерь при глубокой фильтрации.
В период между фазой 8-го листа и появлением метелки глубина корневой системы и поверхность листьев кукурузы увеличиваются, а также возрастает использование воды; пиковое значение суточного водопотребления достигается на стадии опыления. В это время глубина корневой системы увеличивается с 18 дюймов (45,7 см) до 4 футов (около 1,2 м), а усвоение почвенной влаги, необходимой для роста кукурузы, увеличивается в два раза. У поливной кукурузы с плотностью посадок более 24 тыс. растений на акр (0,41 га) индекс площади листа достигает 5,0. Средняя норма водопотребления, рассчитанная за период 3-5 дней, возрастает до 0,32 дюймов (8,3 мм) в день (Таблица 1). В условиях высокой температуры воздуха, низкой влажности и сильного ветра водопотребление в отдельные дни может достигать 0,40 дюйма (10,2 мм). В связи с высоким уровнем водопотребления на стадии репродукции необходимо обеспечивать достаточное количество воды в этот период. Значительная нехватка воды в фазу выметывания пестичных стобликов влечет за собой иссушение пестичных стобликов и пыльцевых зерен, что ведет к недостаточному опылению. Нехватка воды на стадии опыления приводит к существенному снижению урожайности. Необходимо увеличить норму полива с учетом уровня ЕТс кукурузы минус количество осадков, при этом нужно учитывать возможные осадки в будущем (0,5 дюймов/12,7 мм для илисто-глинистой почвы).
На ранней фазе репродукции потребность в воде остается высокой, часто на уровне от 0,30 до 0,35 дюймов (7,6-8,9 мм) в день вплоть до стадии восковой спелости (Таблица 1). В это время происходит рост зерен кукурузы и накопление в них сухого вещества. На студенисто-жидкой фазе начинается замедление роста корневой системы. До конца вегетационного периода глубина корневой системы остается практически постоянной — от 4,5 до 5, 0 футов (1,34-1,52 м). На этой фазе поступление почвенной влаги в растение достигает максимальной величины. В это время нижние листья растений вянут, но это практически не влияет на объем использования воды кульутрой или урожайность. Норма полива должна соответствовать объему потребления воды кукурузой минус количество осадков с учетом возможного выпадения осадков в будущем.
В фазе тестообразной спелости потребление воды растением кукурузы начинает снижаться в связи со снижением потенциальной испаряемости (более короткие дни, прохладная температура и уменьшение солнечной радиации), уменьшением площади поверхности листьев (что снижает транспирацию), а также в связи с изменением физиологии растений по мере созревания зерна. По достижении полной восковой спелости потребление воды снижается с 0.30 дюйма (7,6 мм) в день до 0.20 дюйма (5,1 мм) в день (Таблица 1). Также в этот период продолжают увядать нижние листья. Предполагается, что глубина корневой системы в условиях полного орошения остается постоянной — приблизительно 4,5 фута (1,34 м). В связи со снижением потребности культуры в воде, возможно снижение уровня почвенной влаги к концу фазы восковой спелости на 50%, что не повлияет на урожайность зерна. Тем не менее, до полного созревания кукурузе необходимо определенное количество воды, поэтому следует наблюдать за уровнем водопотребления растениями кукурузы и за уровнем почвенной влаги.
По мере приближения к фазе полного созревания можно снизить содержание воды в почве, что не повлияет на урожайность. Определение момента прекращения полива является важным экономическим решением. Отмена одного цикла при системе кругового полива или однократной подачи воды при поливе по бороздам снижает стоимость производства кукурузы, связанную с подачей воды для орошения.
Управление процессом орошения
При управлении процессом орошения определяется время орошения и объем подачи воды. Решение принимается в соответствии с имеющимися водными ресурсами, водоудерживающей и поглощающей способностью почвы, а также потребностью кукурузы в воде. Орошение в оптимальные сроки обеспечивает достаточное количество воды и предотвращает нехватку влаги у растений при полном использовании дождевой воды и влаги в почве. Поэтому для обеспечения высокой урожайности график орошения учитывает все источники воды, которые могут использоваться растениями. В Руководстве EC783 «Датчик определения влагоемкости почвы в зависимости от ее механического состава для измерения капиллярно-сорбционного потенциала почвенной влаги при управлении процессом орошения» содержится подробное описание подготовки и установки датчика влагоемкости почвы в полевых условиях. Также в руководстве дано объяснение, как на основании полученные в полевых условиях данных рассчитать показатели, определяющие объем воды, извлеченной растениями, или нехватку почвенной влаги. Приводится таблица данных для 8 основных типов механического состава почвы. Кроме того, дается пример использования показателей почвенной влаги для определения очередного времени полива.
Управление процессом орошения, основанное на расчетах потенциального потребления воды сельскохозяйственной культурой, полученных c использованием дождемеров для почвенного испарителя, подробно описано в Пособии Университа Небраска-Линкольн G1579 «Использование модифицированных эвапорометров (дождемеров для почвенного испарителя) для управления процессом орошения». Данные потенциального водопотребления сельскохозяйственной культуры в зависимости от погодных условий можно получить в Региональном климатологическом центре Великих Равнин. Расчетные показатели ЕТс можно получить непосредственно из этого центра при оформления подписки через Интернет. При этом потребление воды сельскохозяйственной культурой можно рассчитать для определенного поля, учитывая его местоположение, дату появления всходов и относительную спелость сельхозкультуры. Подобная информация доступна на радиостанциях и в некоторых газетах, она основана на средней дате появления всходов и относительной спелости сельскохозяйственной культуры, выращиваемой в данном районе.
При управление процессом орошения также необходимо учитывать экономические и экологические последствия каждого цикла орошения. Например, предположим, что последние 2 дюйма (50,8 мм) используемой воды при полном орошении были использованы для производства 2,5 бушелей (0,032 кг/л) кукурузы на дюйм (25,4 мм). Если цена на кукурузу составляет 3,15 доллара за бушель, прибыль в результате использования полива составляет 7,88 долларов на акр (0,41 га): 2,5 бушелей на акр (0,032 кг/л на 0,41 га) х 3,15 доллара за бушель (0,012 кг/л). Если стоимость подачи воды (фиксированная стоимость и стоимость владения) меньше, чем 7,88 доллара на акр (0,41 га), то при использовании орошения чистая прибыль возрастет. При организации орошения необходимо учитывать и экологические аспекты. Например, если растение использует 0,2 дюйма (5,1 мм) воды, как повлияют на экологическую ситуацию неиспользованные 0,8 дюймов (20,3 мм) воды? Если неиспользованная вода проникает в водоносный горизонт и несет с собой 8 фунтов (3,6 кг) азота, насколько оправдано увеличение чистой прибыли?
Механический состав почвы
Почвы легкого механического состава: мелкозернистые песчаные, супесчаные и мелкопесчаные суглинки. Водоудерживающая способность этих почв составляет менее 1,5 дюймов на фут (38,1 мм на 0,31 м). В верхнем слое мощностью 3 фута (0.91м) содержание доступной для растений почвенной влаги может составлять от 1,5 до 2,7 дюймов (38,1-68,6 мм). В некоторых песчаных почвах Небраски содержатся неглубокие горизонты, препятствующие проникновению корневой системы, что может ограничивать ее развитие. При сочетании низкого уровня нормальной влагоемкости и небольшой глубины корневой системы содержание влаги в почве невелико. Это может создать проблемы при управлении процессом орошения. При норме полива более 0,75 дюйма (19,1 мм) растения могут испытывать нехватку воды, если возникнет непредвиденная поломка системы. Частое орошение при норме полива менее 0,50 дюйма (12,7 мм) ведет к снижению эффективного использования воды из-за ее потерь при каждом цикле орошения. Решить проблему поможет достаточно частое орошение при норме 0,50-0,75 дюйма (12,7-19,1 мм). Почвы со средней и мелокозернистой структурой обычно содержат более 1,8 дюйма влаги на фут (45,7 мм на 0,31 м). В верхнем 3-футовом (0,91 м) слое нормальная влагоемкость составляет 5,4-7,6 дюймов (137,2-193,0 мм). Поскольку почвы с таким механическим составом могут удерживать больше влаги, у мелиораторов более гибкий график орошения. При отсутствии выщелачивания или поверхностного стока нормы полива этих почв составляют от 0,75 до 1,3 дюйма (19,1-33,0 мм).
Системы орошения
В штате Небраска приблизительно 70% орошения происходит с использованием системы кругового полива и около 30% — с использованием полива по бороздам. Для расчета объема воды, необходимой для орошения в течение сельскохозяйственного сезона, рассчитывается эффективность использования воды. Обычный трубопровод со щитками или короткими насадками без резервуара для повторного использования воды, как правило, эффективен на 50%. Это означает, что если оросительная норма нетто составляет 10 дюймов (254 мм), обычный трубопровод без повторного использования воды должен подавать 20 дюймов (508 мм) воды. При системе повторного использования максимальная эффективность достигает почти 70%, а норма полива снизится до 14 дюймов (35,56 см). При поливе по бороздам важно оросить все поле целиком за короткий промежуток времени. При поливе через борозду возможна подача воды за единицу времени на более обширную площадь, а урожайность сопоставима с урожайностью при подаче воды в каждую борозду. Помимо экономии времени, при использовании полива через борозду можно снизить норму полива на 20-30%. При отсутствии повторного использования воды полив через борозду эффективен на 60%. Если существует система повторного использования, максимальная эффективность увеличивается почти до 75%. Управление поверхностным орошением подробно обсуждается в Руководстве Университета Небраска-Линкольн G1338 «Управление системами орошения по бороздам».
Оптимальная конструкция и правильная эксплуатация дождевальных установок кругового полива и фронтального продвижения позволяют достичь 85-90%-ной эффективности их использования. Для дождевальная установка с эффективностью 90% оросительная норма брутто составляет 11 дюймов (279,4 мм), а оросительная норма нетто — 10 дюймов (254 мм). Если в хозяйстве необходимо увеличить использование воды, а радиус действия дождевальной установки меньше 7,5 футов (2,29 м), увеличить эффективность системы возможно при размещении дождевальных насадок ближе к поверхности почвы. Установки кругового полива также позволяют более точно определять нормы полива и время полива по сравнению с системой полива по бороздам. Возможность регулярного использования только необходимых норм полива при использовании дождевальных установок позволяет эффективно использовать дождевую воду и уменьшать возможную нехватку воды у растений.
Выводы
Оптимальное управление процессом орошения кукурузы может обеспечить высокие урожаи, сохранить водные запасы, а также сохранить или улучшить качество воды. Для определения времени полива и необходимого объема воды следует проводить расчеты ЕТс кукурузы и регулярные измерения содержания влаги в почве. Необходимо учитывать имеющиеся запасы воды для орошения и способность системы подавать воду. Проводите регулярное техобслуживание вашей оросительной системы для достижения максимальной эффективности.Основная идея определения любого показателя производимой сельхозкультуры: для управления необходимы расчеты. Для эффективного управления ирригационной системой мелиораторам необходимо знать объемы подаваемой воды и ее расход. Эффективное управление оросительной системой требует аккуратного ведения записей по каждому полю, содержащих данные объемов использованной воды и выпавших осадков.
Статья написана по материалам Брайана Бенхэма, автора Руководства Университета Небраска-Линкольн, бывшего инженера-гидролога Центра исследований и распространения сельскохозяйственных знаний, юг Центральной Небраски.
