АГРОГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПАРОВАНИЯ ПОЛЕЙ В ЛЕСОСТЕПНОЙ И СТЕПНОЙ ЗОНАХ
AGROHYDROLOGICAL ASPECTS OF FALLOW USING IN FOREST-STEPPE AND STEPPE ZONES
Н.А. Шумова
N.A. Shumova
Институт водных проблем Российской академии наук
(Россия, 119333, г. Москва, ул. Губкина, 3)
Water problems institute, Russian Academy of Sciences
(Russia, 119333, Moscow, Gubkin St., 3)
e-mail: shumova@aqua.laser.ru
В основе количественной оценки агрогидрологической эффективности парования полей лежит численный эксперимент с использованием модели формирования водного режима сельскохозяйственного поля. Исследованы пространственная и временная изменчивость суммарного испарения парового поля и поля, занятого посевом яровой пшеницы. Показана динамика продуктивных запасов воды в почве парового поля и поля, занятого посевом яровой пшеницы.
The quantitative estimation of agrohydrological efficiency of fallow using is based on the numerical experiment using the model of the water regime formation of the agricultural field. Investigated are the spatial and temporal variability of evapotranspiration in the case of fallow field and spring wheat field. The available soil water storage dynamic in the case of fallow field and spring wheat field is shown.
Почвенно-климатические условия лесостепной и степной зон весьма благоприятны для развития земледелия. Большое количество солнечной радиации при малой относительной влажности воздуха и значительной суточной амплитуде его температуры создают все условия для произрастания подавляющего большинства сельскохозяйственных растений. А самые ценные из хлебных злаков – твердые сорта пшеницы – возделываются главным образом в степной зоне.
В то же время лесостепная и степная зоны подвержены систематическим засухам. Одним из мероприятий, направленных на снижение интенсивности и повторяемости засух, служит парование полей. Парование полей является основой применения интенсивных технологий возделывания озимой и яровой пшеницы в засушливых регионах многих стран (США, Канада, Аргентина, Австралия), где составляют агротехническую основу зерновых севооборотов [5, 7]. В России за период с 1970 по 2005 год доля чистых паров составила в среднем от 7 до 15% от пашни [4]. При этом отмечается [2, 3, 6], что особенностью зернового производства в технологиях возделывания сильных и твердых пшениц в засушливых регионах России должно стать освоение короткопольных севооборотов с удельным весом чистого пара от 25 до 50%.
Вопросу оценки гидрологической эффективности применения парования полей для повышения урожая яровой пшеницы в засушливых регионах посвящена обширная литература. Исследования, в основном, сводились к постановке агрономических опытов и сравнению урожаев на опытном участке (при посеве по пару) с контролем (по непаровому предшественнику). Данная работа посвящена оценке гидрологической эффективности парования полей, в основе которой лежат результаты численного эксперимента по расчетам составляющих водного баланса паровых полей и полей, занятых посевами яровой пшеницы. При указанном подходе учитываются количественные потребности посевов в воде в течение их роста и развития и естественные закономерности формирования почвенно-гидрологических условий.
Основой методики расчета составляющих водного баланса сельскохозяйственных полей, детально описанной в [8, 9], является полуэмпирическая теория суммарного испарения [1]. В результате проведенных расчетов получены значения суммарного испарения (испарения воды почвой и транспирации) и продуктивных запасов воды в почве полей яровой пшеницы и паровых полей. Расчеты выполнены на основе материалов стандартных метеорологических наблюдений и относительной площади листьев, которая используется для характеристики посева, с декадным временным шагом за безморозный период (период от полного схода снежного покрова весной до наступления отрицательных температур воздуха осенью). В работе использованы средние многолетние материалы стандартных наблюдений 45 метеорологических станций рассматриваемого региона, в том числе по шести ключевым из них (Безенчук, Ершов, Каменная Степь, Мироновка, Гигант, Одесса) – материалы за отдельные годы более чем за двадцатилетний период.
На рис. 1 представлены изолинии среднего многолетнего испарения полей яровой пшеницы за безморозный период и среднего многолетнего испарения для случая, если это поле будет занято паром.. Естественно, что чистый пар испаряет воды меньше, чем поле, занятое посевом яровой пшеницы, и разница в испарении доходит в довольно увлажненных районах до 22% от величины испарения полем, занятым яровой пшеницей. В засушливых районах юго-востока разница в испарении парового поля и поля, занятого посевом яровой пшеницы, составляет 5%. Например, на метеорологической станции Харабали (низовья р.Волги) средняя многолетняя величина испарения поля, занятого посевом яровой пшеницы, составляет 222 мм, а парового поля – 211 мм. Диапазон изменения средних многолетних значений испарения за безморозный период на исследуемой территории для полей яровой пшеницы составляет 549-222 мм, а для тех же полей, занятых под чистый пар, – 473-211 мм.
Рисунок 1. Средние многолетние значения (а) суммарного испарения полей яровой пшеницы и (б) испарения паровых полей за безморозный период, мм
Анализ межгодовой изменчивости испарения, выполненный по материалам расчетов для ключевых станций, показал, что при средних для ключевых станций значениях испарения полей яровой пшеницы за безморозный период от 305 мм (Ершов) до 456 мм (Мироновка) значения среднего квадратического отклонения изменяются в довольно узких пределах 56-62 мм; на засушливом юго-востоке его величина возрастает до 78 мм (Ершов). Коэффициент вариации изменяется от 0,13 до 0,16; исключение также составляет Ершов, где коэффициент вариации достигает 0,26. В случае парового поля средние значения испарения лежат в диапазоне от 270 мм (Ершов) до 385 мм (Мироновка). Среднее квадратическое отклонение изменяется от 42 до 63 мм, коэффициент вариации лежит в пределах 0,12-0,15. Исключение, как и в случае поля, занятого посевами яровой пшеницы, составляет Ершов, где коэффициент вариации равен 0,23. Значения испарения паровых полей ниже соответствующих значений для полей яровой пшеницы для ключевых станций на 35-86 мм. Значения среднего квадратического отклонения величин испарения парового поля по сравнению с полем яровой пшеницы ниже на 8-16 мм.
На рис. 2 показана динамика средних многолетних продуктивных запасов воды метрового слоя почвы на одном и том же поле для случаев, когда оно занято посевом яровой пшеницы и чистым за безморозный период для шести ключевых станций [10]. Расчет продуктивных запасов воды метрового слоя почвы парового поля и поля яровой пшеницы проводился на основании одних и тех же метеорологических элементов и начальной влажности почвы. При расчетах по яровому полю через относительную площадь листьев учитывалась динамика развития посева.
Рисунок 2. Динамика средних многолетних продуктивных запасов воды в метровом слое почвы на паровом поле (светлые кружки) и на поле, занятом посевами яровой пшеницы (темные кружки).
По характеру изменения средних многолетних запасов воды в метровом слое почвы отмечается два периода: весенне-летний период расходования запасов воды в почве и период их осеннего пополнения. Причем, если на поле, занятом посевами яровой пшеницы, пополнение запасов воды в почве начинается после уборки урожая (конец июля – начало августа), то на паровом поле пополнение запасов воды в почве начинает происходить лишь два и более месяца спустя (в конце сентября – начале октября).
Естественно, что до момента всходов запасы воды в почве парового поля и поля, занятого яровой пшеницей, одни и те же; запасы воды расходуются сравнительно медленно. С появлением растительного покрова на занятом посевом яровой пшеницы поле запасы воды в почве быстро истощаются, в то время как паровое поле весь этот период также медленно, как и весной, расходует свои запасы воды. Наибольшие различия в запасах воды парового поля и поля, занятого яровой пшеницей, наблюдаются на момент уборки урожая яровой пшеницы; ко времени наступления отрицательных температур воздуха осенью указанные различия становятся несколько меньше.
Анализ полученных материалов показывает, что если на поле, занятом посевами яровой пшеницы, к последней безморозной декаде осенью запасы воды в почве находятся в пределах 100 мм, то на том же поле в условиях пара они увеличиваются вдвое. А при значениях запасов воды в почве на поле, занятом посевами яровой пшеницы, в последнюю безморозную декаду более 100 мм, на паровом поле в ту же декаду будут наблюдаться запасы воды в почве, близкие к значениям наименьшей влагоемкости.
Изолинии средних многолетних разностей продуктивных запасов воды в метровом слое почвы к моменту наступления отрицательных температур воздуха осенью на чистом пару и полей яровой пшеницы представлены на рис. 3. Хорошо прослеживается тенденция уменьшения значений с северо-запада на юго-восток; диапазон этого изменения находится в пределах от 97 до 14 мм запасов воды метрового слоя почвы.
Отметим, что в районах с большим количеством осадков с парового поля испаряются только осадки безморозного периода, а в засушливых районах на испарение парового поля наряду с осадками безморозного периода расходуются и весенние запасы почвенных вод. На рис. 3 показаны границы, в пределах которых на испарение парового поля расходуются не только осадки безморозного периода, но и весенние запасы воды в почве. Сохранение весенних запасов воды в почве на паровом поле к моменту наступления отрицательных температур воздуха осенью может наблюдаться за пределами указанной зоны, а в ее пределах осенние запасы воды в почве парового поля ниже, чем наблюдаемые весной.
Рисунок 3. Средние многолетние разности продуктивных запасов воды в метровом слое почвы на чистом пару и на полях яровой пшеницы к моменту наступления отрицательных температур воздуха осенью
Выполненные оценки межгодовой изменчивости разностей запасов воды метрового слоя почвы к моменту наступления отрицательных температур воздуха осенью на чистых парах и под посевами яровой пшеницы , показали, что средние значения величин для ключевых станций изменяются от 34 мм (Ершов) до 87 мм (Одесса). Средние квадратические отклонения величин колеблются в пределах от 14 до 25 мм. Наибольший коэффициент вариации наблюдается в Ершове и составляет 0,49, затем следует Безенчук и Каменная Степь (0,34 и 0,32 соответственно) и остальные станции Гигант, Одесса и Мироновка (0,24-0,21).
Список литературы: