Уильям Л. Кранц, специалист по орошению Северо-восточного исследовательского центра Extension Суат Ирмак, специалист в области управления водными ресурсами в сельском хозяйстве, Кафедра сельскохозяйственной инженерии и биологических систем Симон Дж.Вон Донк, инженер водных ресурсов, специалист по орошению Западно-Центрального исследовательского центра Extension C. Дин Йонц, инженер ирригационных систем, специалист по орошению исследовательского центра Extension Деррел, Л. Мартин, профессор, Кафедра сельскохозяйственной инженерии и биологических систем.
В данной статье рассматриваются стратегии и цели управления поливом кукурузы. В штате Небраска земли площадью более 6,48 миллионов гектар заняты пропашными культурами – кукурузой. Примерно 3,24 миллиона из них орошаются. Кукуруза занимает примерно 70% орошаемой пашни, или 2,27 миллиона гектар.
Именно поэтому, совершенствование управления орошением может существенно повлиять на качество и количество самого ценного природного ресурса штата Небраска – воды.
Взаимодействие Почва – Растение – Вода Понимание взаимодействия между растениями и средой, окружающей их, имеет существенное значение для эффективного управления орошением.
К характеристикам растения, которые важны для управления орошением, относятся потребление воды в течение вегетационного периода, ежедневная норма потребления воды, темпы роста растения, глубина корневой системы. К существенным характеристикам почвы относятся влагоемкость, степень увлажнения, а также наличие почвенных горизонтов, препятствующих проникновению корней и/или просачиванию воды. Качество и количество водных запасов также имеет значение.
Основной целью управления орошением является обеспечение дополнительного объема воды, необходимого растениям, и оптимальное использование воды. Использование воды растениями кукурузы Эвапотранспирация (ETc) 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. Приблизительно 70-80% воды, потребляемой сельскохозяйственной культурой, расходуется на транспирацию.
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 влаж-ность, отсутствие облачности 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. Это соотношение – так называемая потенциальная эвапотранспирация, отношение коэффициента культуры к суммарной испаряемости.
На потребление воды в течение вегетационного периода влияют климатические условия, фаза развития растения, плодородность почвы, 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) показано среднее многолетнее потребление воды кукурузой. При данном среднем потреблении воды показаны типичные среднесуточные уровни ЕТс за вегетационный период, полученные на основании данных за период более 10 лет. На Рис.1 (кривая Б) показаны возможные колебания значений среднесуточной ЕТс в отдельные годы. Управляющие ирригационными системами должны знать многолетнюю тенденцию 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 потребления воды культурой.
В штате Небраска общее водопотребление кукурузы варьирует от 711 мм в год на юго-западе до 610 мм в год на востоке. Водопотребление зависит от погодных условий и сорта кукурузы. На сезонную ETc в наибольшей степени влияет продолжительность периода созревания определенного сорта.
Например, в одном и том же районе в определенный год гибрид кукурузы с периодом созревания в 113 дней будет потреблять больше воды, чем гибрид с периодом созревания в 100 дней. Гибриды кукурузы длительного периода созревания требуют больше воды, но если они получают достаточное этими сортами, а в некоторых случаях объемы ежедневного использования воды также различны. В силу варьирования погодных условий в течение года и в отдельные годы, среднее многолетнее использование воды в сутки (кривая А) может варьироваться на ± 0,8 мм в день. Суточные колебания использования воды в определенный год (кривая Б) могут превышать 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, указанными в Таблице 1, продолжительность каждой фазы роста кукурузы может различаться на ± 2 дня.
Уровень поглощения влаги корневой системой растения кукурузы зависит от глубины корневой системы. В целом, 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 1,52-1,83 м, вплоть до поздней стадии вегетации при стабильном орошении эффективным считается участок корневой системы на глубине 0,91 м. Далее, при расчетах времени и объема воды последнего полива, эффективная корневая зона расширяется до глубины 1,22 м.
Обеспечение потребности кукурузы в воде
B целом, помимо воды, содержащейся в почвенном профиле, и выпадающих во время вегетационного периода эффективных осадков, дополнительная влага обеспечивается орошением. Поэтому, для определения объема воды, необходимого для орошения, используется следующее уравнение водного баланса:
Эффективные осадки + Извлеченная почвенная влага – сезонное ЕТс = необходимое орошение.
Согласно средним многолетним данным, оросительная норма нетто для кукурузы на илисто-глинистых почвах юго-востока Небраски составляет около 152,4 мм в год, в центральной части Небраски – около 228,6 мм в год, а на территории Пенхэндл на северо-западе Небраски оросительная норма нетто составляет около 355,6 мм в год (Департамент природных ресурсов, 2006 г.).
Эти показатели могут ежегодно варьироваться в зависимости от погодных условий (осадков, солнечной радиации, температуры воздуха, скорости ветра и относительной влажности), влияние которых на ЕТс было описано выше.
При проектировании ирригационной системы пропускная способность системы должна соответствовать 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 установку 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 (т.е. по мере того, как урожайность сельскохозяйственной культуры приближается к пиковому значению, последние 25,4-50,8 мм используемой воды внесут меньший вклад в дополнительное увеличение урожайности, чем первые 25,4 мм воды).
Также, поскольку подача воды оросительной системой не является эффективной на 100%, невозможно преобразовать весь используемый объем воды в ЕТс и, в конечном итоге, в зерно. Поэтому, для принятия решения об использовании последних 25,4 мм воды для орошения, управляющие должны учитывать потенциал увеличения урожайности зерна и стоимость использования воды.
Использование нескольких дополнительных миллиметров 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 101 м3/га умножается на стоимость 3,79 л топлива.
Например, для подачи воды с глубины 30,48 м при давлении на выпуске насоса 3,45 бар, расход дизельного топлива составит приблизительно 7,46 л на 101 м3/га. Таким образом, стоимость подачи 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.
Однако если объем оросительной воды ниже требуемого, 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, ЕТ с будет составлять менее 2,54 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 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, в некоторых случаях, может задержать начало всходов.
При значительном количестве пожнивных остатков корка образуется менее интенсивно за счет поглощения энергии капель воды, а также снижается испарение почвенной влаги за счет отражения определенного количества солнечной радиации.
Приблизительно через две недели после появления всходов растение кукурузы вырастает до 15,24 см (фаза 4-го листа). В это время из первого узлового корня начинает развиваться постоянная корневая система.Когда растение достигает высоты 25,4-30,48 см (фаза 6-8листа), начинают формироваться метелка и початок. В этот период также формируется определенное число рядов зерен и число зерен в ряду. Индекс площади листьев (ИПЛ) для поливной кукурузы возрастает до 2,0.Ежедневное водопотребление кукурузы варьирует от 0,15 до 3,8-5,08 мм в день (Таблица 1).
Корневая система кукурузы располагается в верхнем слое почвы на глубине 45,7 см, при отсутствии таких ограничивающих факторов, как уплотнение почвы, водоупорный пластилин галечник.
Если эффективная глубина корневой системы составляет 45,7 см, доступная растениям влага вилисто-глинистых почвах составит 76,2 мм, а в песчаных почвах – 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 потребление воды; пиковое значение суточного водопотребления достигается на стадии опыления. В это время глубина корневой системы увеличивается с 45,7 см до 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 0,41 га индекс площади листа увеличивается до 5,0. Средняя норма водопотребления, рассчитанная за период 3-5 дней, возрастает до 8,1 мм в день (Таблица 1).
В условиях высокой температуры воздуха, низкой влажности и сильного ветра водопотребление вот дельные дни может достигать 10,16 мм. В связи с высоким уровнем водопотребления необходимо не допускать образование водного стресса на стадии репродукции. Значительная нехватка воды в фазу выметывания пестичных столбиков влечет за собой иссушение пестичных столбиков и пыльцевых зерен, что ведет к недостаточному опылению. Нехватка воды на стадии выметывания пестичных столбиков приводит к существенному снижению урожайности.
Необходимо увеличить норму полива с учетом уровня ЕТ с кукурузы минус количество осадков, при этом нужно учитывать возможные осадки в будущем (12,7 мм для илисто-глинистой почвы).Потребность в воде остается высокой на ранних репродуктивных фазах, часто на уровне от 7,6 до 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, и до конца вегетационного периода глубина корневой системы остается практически постоянной – от 1,37 до 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 культурой 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 и, соответственно, транспирации, а также в связи с изменением физиологии растений по мере созревания зерен.
По достижении полной восковой спелости потребление воды снижается с 7,6 мм в день до 5,08 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 1,37 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 возможно снижение содержания воды в почвенном профиле, однако, это не влияет 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 норма полива. 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, предотвращая водный стресс у растений, и позволяет использовать дождевую воду и влагу в почве. Поэтому для обеспечения высокой урожайности график орошения должен учитывать все источники воды, которые могут использоваться растениями.