5 Обоснование, расчет режима капельного орошения роз в теплицах и эффективность разработанной технологии

Режим капельного орошения необходимо рассматривать, как совокуп­ность элементов, позволяющих обеспечить сельскохозяйственные растения легкодоступной водой, израсходованной на водопотребление за расчетный период. К элементам режима капельного орошения необходимо отнести ве­личины оросительной, поливной норм, верхний и нижний пределы влажно­сти расчетного слоя почвы, средние даты и сроки проведения очередных по­ливов, продолжительность межполивного периода для конкретной культуры, региона, климатических, почвенных и хозяйственных условий.

Как правило, за основу расчетов режимов орошения принимают водопотребление конкретных сельскохозяйственных культур, среднемноголетние характеристики климата региона, влияющие на эвапотранспирацию. При ка­пельном орошении методы планирования режимов орошения обязательно должны учитывать его локальность.

5.1 Обоснование режима капельного орошения роз в теплицах

Методам планирования и расчета режимов орошения сельскохозяйст­венных культур посвящено огромное количество работ, как в России, так и за рубежом. Наиболее известны и нашли практическое применение у нас в стране методики А.Н. Костикова, A.M. Алпатьева, СМ. Алпатьева, Н.А. Ша­рова, Г.К. Льгова, СП. Невского, Д.А. Штайко, эмпирические региональные методики B.C. Мезенцева, О.Е. Ясониди и др. [11, 12, 33, 92]. Большинство этих методик разработаны для расчетов режимов орошения полевых культур при поверхностном орошении и дожде­вании. Каждая из них имеет свои достоинства, недостатки и границы приме­нения.

В культивационных помещениях эти методики могут быть применимы только после их уточнения с учетом значительной изоляции теплиц и возможного регулирования всех факторов роста и развития растений. В тепли­цах отсутствуют некоторые составляющие водного баланса прихода и расхо­да воды. При дождевании и поверхностном орошении уравнение водного ба­ланса в теплицах имеет вид:

(11)

Е - суммарное водопотребление;

W_H и W_K - начальный и конечный запасы влаги в слое 0,3-0,5 м;

- оросительная норма брутто;

V_r - сток по искусственным дренам.

При этом в теплицах можно получать продукцию сельскохозяйствен­ных культур круглогодично в любой климатической зоне и в 10-20 раз боль­ше, чем в открытом грунте.

Особенности локального увлажнения почв при капельном орошении, которое характеризуется коэффициентом увлажнения, элементами техники полива, точной выдачей небольших поливных норм, возможностью полной автоматизации процессов орошения и внесения удобрений и отсутствием дренажного стока в значительной степени изменяют уравнение водного ба­ланса. По Леонида О.Е. оно имеет вид:

E = ( (12)

где Е - суммарное водопотребление за расчетный период;

, W_мн, W_мк - начальный и конечный запасы влаги в объеме кон­туров увлажнения в пределах грядок и неувлажняемой площади рабо­чих проходов;

J_nt,-оросительная норма нетто, при капельном орошении;

К_к,К_м - площади грядок и рабочих проходов в долях от производст­венной, соответственно равны 0,6…0,9 и 0,1…0,4.

Учитывая, что единственным источником водопотребления всех сель­скохозяйственных культур в теплицах является оросительная вода J_nt, а при слое почвы 0,3...0,5 м запасы влаги незначительны и ими можно пренебречь, так же как и дренажным стоком, то при капельном орошении Е_{ко =} J_{nt =} J_br.

В связи с изоляцией теплиц от окружающей природной среды в них отсутствует такой естественный источник увлажнения как осадки. Наличие густой сети систематического дренажа и незначительная мощность теплич­ной почвы до 50 см, практически исключают подпитывание корнеобитаемого слоя грунтовыми водами. Изолированность теплиц позволяет регулировать не только водный, воздушный и пищевой режимы почв, что делают и при возделывании растений и в открытом грунте, но так же тепловой режим почв и воздуха, состав воздуха в почве и атмосфере, освещенность и инсоляцию. Культивационные помещения функционируют весной, летом, осенью и зи­мой и в них выращивают 2-3 урожая в год однолетних культур и многолет­ние культуры в режиме вечнозеленых растений.

Капельное орошение, благодаря своей локальности и точному норми­рованию поливной воды, позволяет увлажнять только корнеобитаемую зону. Оно исключает непроизводительные расходы воды на увлажнение дорожек и проходов.

При капельном орошении растения не увлажняются. В связи с этим уменьшается испарение воды с поверхности почвы проходов, дорожек и ли­стьев растений. Происходит экономия оросительной воды, влажность возду­ха в культивационных помещениях не достигает максимальных величин.

Целью теоретического исследования является выбор наиболее прием­лемых методов расчета режимов капельного орошения роз в теплицах.

Ключевым моментом в расчетах любого режима орошения является определение величин суммарного водопотребления и оросительной нормы, которые могут иметь тесную корреляционную связь с различными фактора­ми, представленными в правой части уравнений вышеперечисленных мето­дик. На первом этапе проведем теоретический анализ этих уравнений и фак­торов, определяющих величину оросительной нормы при капельном ороше­нии роз в теплицах.

Уравнение А.Н. Костякова (Е=К_в∙У) предполагает тесную линейную связь водопотребления Е с урожайностью сельскохозяйственных культур У и коэффициентом водопотребления К_в, которые отражают влияние экологических и биологических факторов на эти величины. Для определения величины оросительной нормы полевых культур , методом водного баланса, предло­женным также Костяковым А.Н., эта зависимость в укороченном варианте, при отсутствии поверхностного стока и влагообмена с нижерасположенными горизонтами почвы, будет иметь вид:

(13)

где W_n W_K - запасы почвенной влаги на начало и конец расчетного периода;

Р_е - осадки за расчетный период;

При капельном орошении роз в теплицах естественное увлажнение роз отсутствует, при круглогодовой вегетации роз для расчетного слоя 0,3-0,5 м, весьма незначительны и входит в величину нормы предпосадочного полива и ими можно пренебречь. При капельном орошении, благодаря точ­ному дозированию поливной нормы и локальному увлажнению, сток по ис­кусственным дренам незначителен или полностью отсутствует.

В связи с этим оросительные нормы для капельного орошения роз в те­плицах будут равны:

(14)

где У_зм - зеленая масса (урожай) срезанных цветущих побегов, как товарной продукции и при обрезке для формирования кустов. Тогда К_в = Е/У_зм;

К_к - увлажняющаяся при капельном орошении часть поля в долях от

единицы.

Вполне очевидно, что величина относительной нормы при капельном орошении роз в теплицах соответствует суммарному водопотреблению, ко­торое зависит от массы срезанных побегов, экологических и биологических факторов, интегрально характеризующихся коэффициентом водопотребления К_в и коэффициентом увлажнения при капельном орошении К_к.

Биоклиматический метод A.M. и СМ. Алпатьевых широко использует­ся в России для расчета режимов орошения полевых сельскохозяйственных культур при дождевании и основан на линейной зависимости суммарного водопотребления Е от дефицита влажности воздуха d за расчетный период вре­мени, декаду, месяц, вегетационный период, которые связаны между собой биоклиматическим коэффициентом :

E = (15)

) (16)

Учитывая то, что в теплицах отсутствуют атмосферные осадки Р_е, вели­чина (W_H - W_К) при расчетном слое 0,3..0,5 м незначительна, а при капельном орошении стоком по искусственным дренам можно пренебречь, оросительную норму нетто для капельного орошения можно рассчитывать по уравнению:

(17)

При этом биоклиматический коэффициент К₆, коэффициент увлажне­ния сумма дефицитов влажности воздуха ∑d должны быть определены для конкретных теплиц и культур в данном агроклиматическом районе.

Метод расчета, предложенный И.А Шаровым, для открытого грунта, предполагает линейную зависимость между суммарным водопотреблением и среднесуточной температурой, но в формулу введен еще и временный фак­тор:

E = C∙∑t + 4в (18)

(19)

где С - коэффициент расхода воды полем на 1 градус среднесуточной температуры;

∑t - сумма среднесуточных температур за вегетационный период;

в — число дней вегетационного периода.

Несмотря на то, что в предыдущих формулах А.Н. Костякова и A.M., CM. Алпатьевьтх отсутствует специальный временной член, он все же косвенно отражен в значениях величин К_в, , ∑d - И.А. Шаров в своей формуле показал взаимосвязь суммарного водопотребления и продолжительности вегетационного периода сельскохозяйственной культуры.

Для расчета J_nt при капельном орошении роз в теплицах уравнение И.А. Шарова следует преобразовать:

(20)

При этом С и ∑t должны быть измерены в теплице или за ее пределами, а число 365 представляет собой 365 дней, так как розы в культивационных помещениях вегетируют целый год.

Для зоны недостаточного увлажнения Г.К. Льговым предложен упро­щенный метод определения суммарного водопотребления и расчетов режи­мов орошения полевых сельскохозяйственных культур, при котором между Е и t предполагается также линейная зависимость:

E = K∙∑t (21)

(22)

где К - постоянная величина расхода воды полем на 1°С среднесуточных

температур, К = 1,88;

∑t - сумма среднесуточных температур за вегетационный период;

Для культуры роз в теплицах при капельном орошении величину ороси­тельной нормы можно рассчитать этим методом, не изменяя основного значе­ния К и ∑t, но с учетом локальности увлажнения при капельном орошении:

(23)

Штайко Д.А. предложил методику расчета суммарного водопотребле­ния при дождевании полевых культур, которое зависит от сумм среднесуточ­ных температур за расчетный период и комплексного члена, включающе­го также влажность воздуха γ:

(24)

- ( (25)

Для расчетов суммарного водопотребления и оросительных норм куль­туры розы в теплицах при капельном орошении это уравнение применимо, с учетом особенностей закрытого грунта и локального увлажнения, в следую­щем виде:

∙ (26)

Методика Х.Ф. Блейни и В.Д. Кридла для расчетов режимов орошения полевых культур при дождевании, так же предполагает сложную линейную зависимость водопотребления от коэффициента, учитывающего влияние культуры K_w, продолжительность дневных часов в данном месяце от годово­го количества Р% и среднесуточной температуры t.

E = 0.458 (27)

- ( (28)

Для тепличных условий и капельного орошения роз такую методику

можно использовать при экспериментальном определении K_w и t, a ∑Р оста­ется практически постоянной для данной широты местности и не меняется по годам. Кроме того, нужно учесть и локальность капельного орошения. При таком преобразовании уравнение для определения J_nt при капельном ороше­нии в теплицах будет иметь вид:

(29)

Мезенцевым B.C. предложен метод расчета суммарного водопотребле­ния в основу которого положена криволинейная зависимость от испаряемо­сти Е₀ (тепловых ресурсов), атмосферных осадков X и влажности деятельного слоя на начало и конец расчетного периода W₁ W₂:

E = (30)

В связи с тем, что в теплицах отсутствуют атмосферные осадки, а ве­личина запасов влаги W₁ – W₂ в слое 0,3...0,5м незначительна, то уравнение Мезенцева B.C. без радикального изменения и специальных исследований в закрытом грунте при капельном орошении роз применять весьма затруднительно.

Степенная зависимость суммарного водопотребления от ^jt лежит в основе методики Невского С.П.:

E = ∑ (31)

= ∑ - ( (32)

Ее можно использовать и при возделывании роз в теплицах, внеся в нее соответствующие изменения:

= (33)

где x - показатель степени, который не будет равен 0,605. Его величина должна быть определена при орошении роз в теплицах капельным спо­собом. Для орошения дождеванием томатов в открытом грунте, например x = 0,87.

Криволинейная зависимость суммарного водопотребления от суммы среднесуточных температур воздуха заложена в методике Ясониди Е.О.:

E = a ∙ ∑ (34)

= a ∙ ∑ - ( (35)

где а,в,с — коэффициенты, соответственно равны:

для яровой пшеницы: а = 0.00085628, в = 2,2711, с = 0,00097233

Использование логарифмической зависимости О.Е. Ясониди возможно и для определения суммарного водопотребления и оросительной нормы в те­плицах при капельном орошении роз. Для этого необходимо получить опыт­ным путем коэффициенты а, в, с для данной культуры в культивационных помещениях и преобразовать уравнение с учетом особенностей капельного орошения:

= a ∙ ∑ (36)

Для капельного орошения сельскохозяйственных культур в открытом грунте предложена методика УкрНИИОС РН 51.01.07-0.07 ВТУ, 1978г.[32], в которой суммарное водопотреблеиие Е зависит от годового испарения с вод­ой поверхности 95% обеспеченности; коэффициента, учитывающего ис­парение с малых водоемов за вегетацию К_в, который зависит от коэффициен­та К_mj учитывающего испарение в данный месяц вегетационного периода по внутригодовому распределению испарения с водной поверхности и коэффи­циента пропорциональности между суммарным испарением сомкнутого рас­тительного покрова при достаточном увлажнении почвы и испарением с водной поверхности, зависящий от широты местности и времени вегетационного периода K_е=О,6...08. Несмотря на кажущуюся простоту уравнения:

E = (37)

Огромное количество эмпирических коэффициентов и сложность их опреде­ления делают применение этой методики весьма затруднительным, как в от­крытом грунте, так и в теплицах.

Методика расчета режима капельного орошения, предложенная в ВТР-11-28-81 [151], предполагает, что суммарное водопотребление зависит от суммы дефицитов влажности воздуха ∑d. Эти две величины взаимосвяза­ны коэффициентом пропорциональности К₀, учитывающим биологические. фазы развития растений и их особенности (принимается по приложению) и коэффициентом , учитывающим степень несплошного увлажнения площа­ди, зависящий от культуры:

(38)

где ƒ— показатель относительной увлажненности участка капельного орошения.

Величина суммарного водопотребления при капельном орошении и оросительная норма в открытом грунте рассчитываются по уравнениям:

(39)

- ( (40)

Для расчетов режимов капельного орошения роз в теплицах уравнение

по определению оросительной нормы в силу особенностей защищенного грунта будет иметь вид:

(41)

Методика для расчета режима капельного орошения плодово-ягодных культур Ясониди О.Е предусматривает рассчитывать суммарное водопотребление и оросительные нормы в открытом грунте по уравнениям:

E = (42)

= - (43)

где - испарение с водной поверхности эвапориметра;

а- коэффициент пропорциональности между испарением с водной по­верхности эвапориметра и водопотреблением с площади контура ув­лажнения, для различных культур изменяется от 1 до 2.

В теплицах при капельном орошении суммарное водопотребление и оросительная норма имеют почти одинаковые величины, так как осадки, глу­бинное просачивание отсутствуют, а запасы влаги невелики и ими можно пренебречь:

= (44)

Коэффициенты а, К_к, и испарение с водной поверхности эвапориметров должны быть определены опытным путем для каждой конкретной культуры, в нашем случае для розы.

Для условий защищенного грунта, при капельном орошении овощей и роз предложена методика расчета поливных режимов, в кото­рой суммарное водопотребление Е взаимосвязано с продолжительностью светового дня и предполагает, что оно равно оросительной норме J_nt:

E = 0.5∙ ∙∑ (45)

= 0.5∙ ∙∑ (46)

где 0,5 — коэффициент, отражающий влияние капельного орошения на величину Е в теплицах;

-светоклиматический коэффициент, мм/%, находится, как отноше­ние величины месячного испарения с водной поверхности эвапориметра Е_m (мм/месяц) к продолжительности световых часов в % от годового количества дневного света Р_m с учетом сумерек:

(47)

n-показатель степени, характеризующий влияние биоклиматических факторов региона и культуры. Для г. Волгограда при возделыва­нии роз в теплицах n=1,21.

В результате теоретического анализа математических моделей для пла­нирования режимов капельного орошения роз в теплицах установлено, что единственным источником водопотребления роз в теплицах является ороси­тельная вода , и при отсутствии ее непроизводительных потерь на фильтра­цию и дренажный сток V_d, суммарное водопотребление Е = под­тверждается проведенными экспериментами с овощами и розами.

Наиболее оптимальной для планирования режимов капельного ороше­ния роз в теплицах является методика, разработанная и предложенная Ясониди О.Е. специально для культивационных помещений, в которой Е и J_nt имеют тесную корреляционную связь с продолжительность светового дня.

Практический интерес при планировании режимов капельного ороше­ния роз в теплицах представляют методики, предложенные ВТР-11-28-81. Эти методики разработаны для условий открытого грунта и капельного орошения плодовых и ягодных культур. При капельном орошении роз в теплицах их целесообразно исполь­зовать с учетом поправок, предложенных нами в связи с замкнутостью куль­тивационных помещений от внешних агроклиматических факторов.

Математические модели Л.Н. Костякова, Л.М., СМ. Алпатьевых, И.А. Шарова, Д.А, Льгова, Штайко, Блейни и Кридла, О.Е. Ясониди, даже с учетом наших изменений и дополнений, не­обходимо теоретически и экспериментально исследовать на предмет их при­менимости для расчетов проектных и эксплуатационных режимов капельно­го орошения роз в теплицах.