Импульсное дождевание: технология и преимущества
Текст: Е. В. Ангольд, В. А. Жарков, А. А. Калашников, ТОО «Казахский научно-исследовательский институт водного хозяйства»
Многолетняя практика возделывания сельхозкультур выработала несколько методов орошения, основными из которых сегодня являются дождевание, поверхностный и капельный поливы. При закладке маточника и сада обычно выбирается последний способ, хотя существуют другие водосберегающие и эффективные технологии.
Развитие сельскохозяйственного производства в засушливых областях различных стран, в том числе в России и Республике Казахстан, связано как с расширением орошаемых площадей, так и с возрастанием урожайности возделываемых культур. При этом повышение результативности использования воды является актуальным направлением для увеличения объемов выпуска пищевых продуктов.
ПРИНЦИПЫ ОРОШЕНИЯ
Технологии поверхностного полива и обычного дождевания, основанные на периодическом аккумулировании воды в почве, обеспечивают процесс внесения и расходования влаги скачкообразно с большой амплитудой. При этом характер распределения жидкости в рамках использования данных способов обусловливает переувлажнение активного слоя почвы после полива, в то время как в конце межполивного периода наблюдается недостаток влаги. Такой режим подачи воды приводит к стрессовым ситуациям при развитии растений, что в конечном счете снижает их продуктивность.
Появление новой техники и возрастающие требования к экологической безопасности способов орошения в условиях дефицита воды предопределяют необходимость применения ресурсосберегающих технологий при возделывании сельскохозяйственных культур, обеспечивающих выполнение всех важных условий для их роста и развития. К таким разработкам относится полив с импульсным принципом подачи воды к растениям малыми объемами и с заданной цикличностью. Таким образом, на современном этапе прогрессивными способами орошения можно считать капельный подход и импульсное дождевание. Подобные методы направлены на непрерывное снабжение культур водой в соответствии с нормами их потребления.
ВОПРОС МИКРОКЛИМАТА
Капельное орошение — один из видов локального увлажнения, при котором требуемое количество воды и растворенных в ней питательных веществ подается непосредственно в зону корневой системы каждого растения. Дозированное, направленное внесение жидкости в течение вегетационного периода создает оптимальный режим влажности почвы в районе корней, однако при таком подходе не решается одна из главных проблем микроклимата, от которой зависит повышение урожайности сельскохозяйственных культур, — обеспечение его постоянства.
Известно, что при низкой относительной влажности воздуха даже при оптимальном уровне влаги в почве не всегда удается создать необходимый посадкам водный режим. Возникновение лишь небольшого дефицита воды в органах растений сразу же сказывается на интенсивности и направленности физиологических и биохимических процессов, в результате чего затрудняется развитие и уменьшается урожайность сельскохозяйственных культур. Более того, при низких значениях влажности воздуха может произойти преждевременное увядание. При этом ростовые процессы и эффективность фотосинтеза ряда агрокультур замедляются при окружающей температуре более 25ºС. Обычное периодическое дождевание улучшает микроклимат площадей, на которых оно применяется, однако результат сохраняется лишь на непродолжительный период, причем ход таких изменений не всегда достаточен для обеспечения высокой продуктивности посевов. В свою очередь, технология импульсного дождевания направлена на улучшение микроклиматических показателей в прилегающей к растению воздушной среде и водного режима сельскохозяйственных культур при оптимальных значениях влажности почвы в заданном слое в течение продолжительного временного промежутка.
ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ
В целом метод такого дождевания заключается в выдаче растениям ежесуточной поливной нормы в импульсном режиме, обеспечивающем частые поливы в малых объемах в определенные часы при оптимальной влажности почвы. Отличительной особенностью данного метода является длительное направленное воздействие искусственного дождя на условия роста растений и внешнюю среду. Влажность активного слоя почвы и приземного воздуха поддерживается на нужном уровне без резких колебаний, свойственных обычным периодическим поливам. В жаркое время суток проведение подобного дождевания позволяет снизить температуру приземного воздушного слоя и верхних земельных горизонтов, повысить влажность и создать более благоприятные условия для развития возделываемых сельскохозяйственных культур.
Технология импульсного дождевания реализуется с помощью модульных комплектов орошения с площадью обслуживания в один гектар. Основные узлы системы включают насос с пультом управления, запорно-регулирующую арматуру и генератор импульсов давления. Также предусмотрены сеть распределительных и поливных трубопроводов, специальные дождеватели, включая контрольный узел с обратной связью. Подача воды на орошаемый участок осуществляется импульсными дождевателями, которые имеют накопительную емкость в виде гидроаккумулятора с ограничительной сферой и мембраной. Схема также предполагает запорный орган и дождевальный аппарат. Первый компонент обеспечивает перекрытие доступа воды ко второму в период заполнения гидроаккумулятора при повышении давления и открытие хода к нему при снижении воздействия в подводящем трубопроводе. В нем увеличение и уменьшение давления реализуется с помощью генератора импульсов. Дождеватели обычно работают при переменном давлении, периодически выбрасывая воду из ствола аппарата, при этом данный процесс чередуется с паузами накопления жидкости в гидроаккумуляторе, что позволяет увеличивать длительность воздействия дождя на растение и окружающую его среду.
УСТРОЙСТВО В ДЕЙСТВИИ
Система импульсного дождевания работает определенным образом. При необходимости полива по сигналу датчика влажности почвы или в соответствии с программой включается насосная станция. Затем осуществляются подача воды в трубопроводную сеть и накопление ее заданного объема в полостях гидроаккумуляторов импульсных дождевателей. По сигналу датчика их заполнения или по реле времени с пульта управления подается команда на генератор импульсов давления, который формирует сигнал понижения воздействия определенной продолжительности в сети трубопроводов. В результате срабатывают запорные органы импульсных дождевателей, и накопленный объем жидкости под действием сжатого воздуха выбрасывается через аппараты на прилегающую территорию. Закрытие запорных органов дождевателей реализуется по сигналу повышения давления в трубопроводе. Частота рабочих циклов срабатывания данных установок зависит от времени заполнения гидроаккумуляторов и регулируется генератором импульсов давления. Средняя интенсивность дождя таких приборов составляет не более 0,02 мм/мин.
Технические средства технологии импульсного дождевания позволяют применять ежедневные поливы в дневные или ночные часы, а также круглосуточно. Такая схема дает возможность вносить растворимые минеральные удобрения и средства защиты растений во время орошения. При увеличении площадей охвата система импульсного дождевания комплектуется несколькими модулями в зависимости от необходимой территории полива.
ОПЫТНАЯ ОЦЕНКА
Сейчас при закладке садов и маточников плодовых культур в качестве способа орошения обычно выбирается капельный полив, хотя импульсное дождевание может быть не менее эффективным. В связи с этим специалисты ТОО «Казахский научно-исследовательский институт водного хозяйства» решили изучить эффективность реализации этой технологии в сравнении с методом обычного периодического дождевания. Опыты закладывались на участке трехлетнего маточника вегетативно размножаемых подвоев ММ-106. Схема посадки была 1,8×0,2 м. Климатические условия во время эксперимента были типичными для данного региона. В летний период вегетации растений в дневные часы наблюдались высокие температуры воздуха — до 43ºС, при этом средняя относительная влажность воздуха составляла 30,7–49%. Подобные условия нередко приводят к уменьшению продуктивности растений, поэтому проблема улучшения микроклимата в регионе является одной из главных.
В ходе исследования изучались различные технологические способы полива маточника. На первом участке реализовывалось импульсное дождевание с поддержанием уровня влажности почвы 75–85% НВ в слое 0–50 см в течение всей вегетации, на второй делянке применялись такие же условия в период до окучивания отводков маточника, а после данного процесса влажность регулировалась в слое 0–35 см. На третьем варианте толщина почвы после окучивания была уменьшена до 0–20 см. На четвертом участке проводилось обычное периодическое дождевание — данная делянка являлась контрольной для сравнения с изучаемыми схемами. Управление влажностью расчетного слоя почвы в зависимости от фаз развития культуры имело особое значение и обеспечивало качество получаемой продукции.
ОСОБЕННОСТИ ПОЛИВА
В целях установления специфики изменения микроклимата в среде развития растений и оценки его влияния на рост и продуктивность маточника вегетативно размножаемых подвоев все поливы во время опыта осуществлялись в дневные часы. Режим подачи воды импульсным методом обеспечивал принцип непрерывного водоснабжения в соответствии с суточными дефицитами потребления и принятым уровнем влажности в назначенных слоях почвы. При обычном дождевании внесение оросительной нормы осуществлялось периодически с учетом недостатка в обеспечении влагой между поливами. Такой режим позволял организовать подачу воды к сельскохозяйственным культурам в течение заданного времени и оказывал кратковременное влияние на микроклимат в прилегающей к растениям воздушной среде. При этом изменение влажности почвы происходило скачкообразно, обеспечивая его оптимум ориентировочно в середине межполивного периода. Режим подачи воды корректировался в зависимости от влажности корнеобитаемого слоя почвы маточника.
Оросительная норма по годам исследований составила для первого варианта от 3485 до 3676 куб. м/га, для второго — 3395–3547 куб. м/га, третьего — 3375–3468 куб. м/га, а для контрольного — 3480–3710 куб. м/га. С учетом затрат воды на формирование микроклимата и снос за пределы участка оросительная норма увеличивалась на 16,2–20,2% в зависимости от применяемой технологической схемы и сложившихся метеорологических факторов в течение вегетации растений. Различия в затратах жидкости за данные периоды складывались в связи с дифференцированными погодными условиями по годам эксперимента, принятым уровнем влажности заданного слоя почвы, технологическими задержками проведения поливов, расходами воды на формирование микроклимата и сносом за пределы участка.
РАЗНОСТЬ ВЕЛИЧИН
Во время наблюдений за температурой и относительной влажностью воздуха в приземном слое в разрезе суток было установлено, что наибольшие их изменения как при импульсном дождевании, так и при обычном способе отмечались в период с 13 до 17 ч. При этом разность температур между опытными и контрольным вариантами достигала 2,7ºС, а между значениями относительной влажности воздуха — 11–21%. Максимальная разница этих показателей имела место перед проведением полива обычным дождеванием — 19 июня. При орошении на контроле, то есть 20 июня, температура воздуха снижалась и в последующие 1–2 дня приближалась к значениям на участке импульсного дождевания, но затем снова превышала их. Относительная влажность воздуха в период орошения на контроле также была выше в течение всей процедуры и впоследствии до двух дней по сравнению с опытным методом. Далее она регистрировалась с меньшими величинами.
На вариантах импульсного дождевания значительные расхождения в показателях температуры и относительной влажности воздуха не наблюдались из-за идентичности режима работы. Только в период после окучивания отводков маточника при снижении объемов подачи воды к кустам в связи с изменением горизонта увлажнения почвы с 0,5 до 0,35 м на второй схеме и с 0,5 до 0,2 м на третьем варианте микроклиматические параметры имели оптимальные значения лишь на первом участке.
ВИДИМАЯ СТИМУЛЯЦИЯ
Импульсное дождевание положительно повлияло на водный режим, рост и развитие растений. Наблюдения показали, что содержание жидкости в листьях отводков маточника на опытных участках превышало аналогичный показатель на варианте с использованием обычного дождевания. Необходимо отметить, что во время проведения полива традиционным способом 20 июня на контрольном поле была увеличена концентрация жидкости в листьях отводков рассматриваемой культуры как во время орошения, так и в течение 1–2 дней после него. Затем их значения приблизились к показателям, отмечаемым на вариантах импульсного дождевания, после чего снизились.
В ходе исследования также было установлено, что при применении опытного способа орошения наблюдалась меньшая водопоглощающая способность листьев. Так, на всех вариантах этот показатель изменялся от 0,2 до 0,35 г/г сухого веса, а на контрольном участке он повышался до 0,4–0,43 г/г сухого веса. При этом наибольшая разность регистрировалась в день перед поливом обычным дождеванием. Однако параметр водопоглощения листьями отводков маточника на контроле снижался после проведения орошения и в течение последующих 1–3 суток.
ВОДНЫЙ РЕЖИМ
В зависимости от условий выращивания маточника интенсивность водоотдачи листьев отводков также была различной. Так, листья растений, снятых с вариантов применения импульсного дождевания, имели максимальные значения данного параметра — до 38–58%, а с контрольного участка — лишь 21–42%. При этом в дни проведения поливов и в последующие 1–3 суток водоотдача листьев у отводков на контроле могла превышать данный критерий у растений с опытных вариантов практически на 36%, в то время как между схемами с импульсным дождеванием разность величин была низкой в связи с одинаковым режимом подачи воды. Наибольший уровень транспирации листьями отводков маточника фиксировался при импульсном дождевании — до 82 г/кв. м за час. Данное значение на участке с обычном способом орошения было ниже и не превышало 63 г/кв. м за час. Во время проведения полива на контрольном участке показатели транспирации возрастали до 87 г/кв. м за час, после чего они снижались в течение 1–2 дней и оказывались меньше по сравнению с опытными делянками до следующего орошения.
Дефицит относительной тургесцентности листьев отводков на вариантах с импульсным дождеванием не превышал 17,5% в жаркие часы суток, а при обычном способе он составлял 20% и более. Относительная тургесцентность листовых пластин на контрольном участке возрастала при поливе за счет обильного водоснабжения, и дефицит ее уменьшался до 14%, однако через 2–3 дня вновь отмечалось усиление недостатка воды в листьях до очередного орошения. Таким образом, количество жидкости при импульсном дождевании, необходимое для полного насыщения листьев, оказалось меньшим, чем при использовании обычного способа орошения. Согласно данным проведенных опытов можно сделать вывод, что показатели водного режима растений в условиях импульсного дождевания малыми поливными нормами в дневные часы были лучше, чем у растений, орошаемых периодически обычным методом.
ОПТИМИЗАЦИЯ УСЛОВИЙ
В ходе опытов наиболее интенсивный рост отводков маточника отмечался на первом варианте — за годы наблюдений к концу вегетации он имел значения от 78 до 81,2 см. На второй и третьей схемах данные показатели были ниже: они колебались от 68 до 79 см и от 66 до 74 см соответственно. При этом особенности развития корневой шейки отводков по вариантам опыта показали, что у растений с первого участка диаметр данного органа составлял лишь 4,7–8,2 мм, в то время как на других опытных делянках он достигал 6,5–9 мм и 6,5–11 мм соответственно. При обычном орошении рост отводков изменялся в пределах 49–72 см при диаметре корневой шейки 4,6–8,2 мм. Следует отметить, что на вариантах с использованием импульсного дождевания большинство корней растений было вторичного строения, а их длина составляла 10–15 см, в то время как на контроле корневая система имела первичную структуру и размер до 10 см. Зона окоренения отводков при импульсном дождевании равнялась 7–10 см, размер области корнеобразования достигал 11–12 см, а на контрольной схеме данные показатели составляли лишь 3–8 и 8–9 см соответственно. Отводки при опытном увлажнении отличались большим количеством точек корнеобразования, тогда как на варианте с использованием обычного метода корневая система растений оказалась развита слабее и состояла в основном из первичных корней.
Таким образом, проведенные специалистами ТОО «Казахский научно-исследовательский институт водного хозяйства» исследования показали, что достичь эффективного повышения продуктивности маточника плодовых культур можно с помощью импульсного дождевания. Рассматриваемая технология обеспечивает оптимальную влажность почвы в соответствии с принятым горизонтом увлажнения корневой зоны растений, способствует улучшению микроклимата в среде развития сельскохозяйственных посадок в дневные часы и их водный режим, а также повышает продуктивность возделываемых культур. Применение технологии импульсного дождевания позволяет увеличить урожайность маточника вегетативно размножаемых подвоев в среднем на 19,4% по сравнению с обычном способом орошения. Более того, данная методика при уменьшении почвенного слоя увлажнения кустов до 20 см для ущемления их водного режима после окучивания обеспечивает оптимизацию условий роста и развития растений, а также выход стандартных отводков до 120,4 тыс. штук на гектар. В связи с этим такой способ орошения может быть рекомендован для применения в засушливых зонах.