сотрудник
Казань, Республика Татарстан, Россия
сотрудник
Россия
сотрудник
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 55.01 Общие вопросы машиностроения
Солевое состояние оказывает заметное влияние на физические и водные свойства почвы. Это связано, с одной стороны, с тем, что вода принимает непосредственное участие в процессах переноса и распределения солей. С другой стороны, основные параметры процессов влаго - и солепереноса напрямую зависят от физических свойств почвы, которые изменяются под действием растворимых солей. Цель нашего исследования – определение влияния фертигации на засоление почвы и содержания в ней водно-стабильных агрегатов. Схема опыта предусматривала изучение следующих вариантов: фертигация питательным раствором с высоким засолением (EC = 1 мСм/см, рН = 6); фертигация питательным раствором с низким засолением (EC = 2 мСм/см, рН = 6); полив водопроводной водой без удобрений (EC = 274 мСм/см, рН = 6,5); без удобрений и полива – контроль. Для снятия изучаемых характеристик использовали датчики типа 5TE, которые независимо определяют три показателя – объемное содержание воды (VWC) путем измерения диэлектрической проницаемости среды на основе емкостной/частотной технологии, температуру и электропроводность (EC). В качестве показателя деградации почвы измеряли стабильность агрегатов почвы. Экспериментальные исследования проводили в западной части города Прага, среднегодовая температура воздуха – 9,1°C, сумма осадков – 495 мм. Почва – чернозём суглинистой текстуры с содержанием 22,0…32,5 % песка, 39,5…54,0 % ила и 22,0…28,0 % глины. Предельная полевая влагоемкость почвы и влажность устойчивого увядания составляют 34 и 21 % соответственно. Результаты непрерывного мониторинга электропроводности почвы свидетельствуют, что используемые в опыте концентрации растворов для фертигации не приводят к засолению почвы. При этом в вариантах с орошением, в том числе растворами минеральных удобрений, возрастает доля водопрочных агрегатов
фертигация, диффузия, засоление, орошение, осмос, дренаж
Вода – основной ограничительный фактор для сельскохозяйственного производства во многих частях мира. На орошаемых землях производят более 40 % продовольствия в мире. Кроме того, рост спроса на воду для городских и сельскохозяйственных целей объясняется увеличением численности населения. Один из наиболее вероятных вариантов удовлетворения этих потребностей – использование воды с повышенным уровнем минерализации, включая дренажные воды, образующиеся при орошении посевов сельскохозяйственных культур, муниципальные сточные воды и грунтовые воды низкого качества. В то же время при их использовании необходимо применение дополнительного количества воды для выщелачивания солей из корнеобитаемого слоя с целью предотвращения чрезмерного накопления солей, ограничивающего урожайность сельскохозяйственных культур. Риск засоления почвы снижается по мере изменения ее текстуры от мелкой к крупной, что обусловлено более крупными порами песчаных почв, которые обеспечивают более быстрый дренаж [1, 2].
Один из наиболее перспективных современных методов удобрения сельскохозяйственных растений – фертигация, который предусматривает подачу растворенных минеральных элементов вместе с поливной водой. Однако при ее необоснованном применении существует потенциальная опасность засоления почвы с дальнейшими негативными последствиями как для растений, так и для свойств почвы. При этом изменение осмотического давления из-за увеличения концентрации минеральных веществ в почвенном растворе делает воду менее доступной для корневых систем растений [3].
Сельскохозяйственные культуры по-разному реагируют на засоление почвы. Некоторые из них могут формировать приемлемый урожай при достаточно высоком уровне солей в почве, а другие очень чувствительны к засолению, что во многом связано со способностью растений адаптироваться к изменениям осмотического давления в почвенном растворе [4, 5].
Для рекультивации засоленных почв необходимы оценка и мониторинг их состояния. Степень минерализации почвенного раствора определяется путем измерения электропроводности (ЕС) водной суспензии из почвы. Это метод можно использовать в различных условиях, однако его применение связано с отбором образцов почвы и способам измерения ЕС почвенной суспензии. Поэтому сложно проконтролировать изменение содержания солей в динамике на небольшой площади, поскольку отбор проб почвы происходит с нарушением исследуемой среды (структура почвы, потоки воды и др.), занимает много времени и зачастую дорого стоит.
Засоление почвы можно также оценивать косвенными методами путем измерения объемного электросопротивления (ER, Ом·см), или объемной электропроводности (ECa,
Ом·м). Разработка проксимальных систем почвенных датчиков и геофизических методов измерения ECa или ER облегчает сбор больших данных с использованием менее дорогостоящей, более простой и менее трудоемкой в использовании техники. Эти датчики могут быть инвазивными или не инвазивными, в том числе монтироваться на транспортных средствах. При этом желательно использовать наименее инвазивные методы и самые совершенные датчики для сбора большего количества данных [6].
Еще один важный фактор, связанный с плодородием почвы, – устойчивость почвенных агрегатов (WSA), которая определяет способность сопротивления почвы разрушающему воздействию осадков, стокаповерхностных вод и ветра. Помимо внешних факторов, на величину этого показателя влияют многие внутренние свойства почвы, например, содержание органических веществ, гранулометрический состав, пористость и др., а также эффективность управления землепользованием [7].
Цель нашего исследования – определение влияния фертигации на засоление почвы и содержания в ней водно-стабильных агрегатов.
Условия, материалы и методы исследований. Экспериментальные исследования осуществляли в западной части города Прага на территории кампуса Чешского университета естественных наук с географическими координатами 50° 8'N и 14° 23'E. Высота над уровнем моря составляет 286 м, среднегодовая температура воздуха – 9,1°C, сумма осадков – 495 мм. Почва – чернозём суглинистой текстуры с содержанием 22,0…32,5 % песка, 39,5…54,0 % ила и 22,0…28,0 % глины. Предельная полевая влагоемкость почвы и влажность устойчивого увядания составляют 34 и 21 % соответственно. Траву на рассматриваемом участке посеяли весной 2009 г. и с тех пор ее состояние поддерживали в виде короткого газона [8].
Количество доступной влаги в корнеобитаемой зоне представляет собой разницу между фактической влажностью почвы и влажностью устойчивого увядания:
(1)
где TAW – содержание доступной влаги в корнеобитаемой зоне, мм;
θfc – фактическая влажность почвы, %;
θwp – содержание воды в точке увядания, %;
Zr – глубина корнеобитаемого слоя, мм.
Для проведения экспериментов поле было разделено на 4 участка:
с фертигацией питательным раствором А (EC = 1 мСм/см, рН = 6) – высокое засоление;
с фертигацией питательным раствором Б (EC = 2 мСм/см, рН = 6) – низкое засоление;
с поливом водопроводной водой без удобрений (EC = 274 мСм/см, рН = 6,5) – орошение;
без удобрений и полива – контроль.
Для снятия изучаемых характеристик использовали датчики типа 5TE, которые независимо определяют три показателя – объемное содержание воды (VWC) путем измерения диэлектрической проницаемости среды на основе емкостной/частотной технологии, температуру и EC. На каждом участке были установлены по два датчика: один – на глубине
10 см, второй – 20 см. Кроме того, для настройки и загрузки данных в формате Excelс использовали два электронных регистратора Em50 были с программным обеспечением ECH2O. Интервал измерения – 1 ч.
Сведения о погоде получали с метеостанции в Suchdol ежедневно, используя TightVNC, пакет программного обеспечения дистанционного управления. Суточную эвапотранспирацию травяного газона оценивали с использованием DSS-FSS, работающей по модифицированным уравнениям ФАО Penman-Monteith [10].
Количественный показатель общего засоления почвы определяли путем извлечения водорастворимых солей из почвы дистиллированной водой (при отношении почвы к воде 1:5) и измерения удельной электрической
проводимости водной вытяжки. Содержание водостойких агрегатов (WSA) измеряли в соответствии с методологией для устройства ситового просеивания № 12 (Diaz-Zorita, et al., 2002) и стандарта DIN 19683-16 [11]:
(2)
где WSA – индекс водопрочности (стабильности) агрегатов;
Wds – масса диспергированных агрегатов в диспергирующем растворе, г;
Wdw – масса диспергированного агрегата в дистиллированной воде, г.
Пробы для исследования отбирали из почвы в сентябре, ноябре и январе. Образцы биомассы также были взяты после вегетационного периода для оценки общей сухой массы.
Анализ и обсуждение результатов исследований. Электропроводность почвы (ЕС) мало зависела от участка, глубины и сроков отбора проб, на что указывают незначительные (p = 0,173 > 0,05) различия между значениями EC для разных методов фертигации на двух глубинах со временем (рисунок 1).
Доля водопрочных агрегатов была несколько выше в варианте с фертигацией питательным раствором А (высокое засоление) и при простом орошении (без питания) в течение всего экспериментального периода. При этом к концу экспериментального период во всех вариантах с орошением величина WSA была выше, чем в контроле.
Результаты непрерывного мониторинга EC почвы с помощью системы Decagon ECH2O и датчиков 5TE показали, что в ходе опыта величина этого показателя, согласно классификации USDA [12], изменялась в границах, соответствующих почве без засоления и слабо засоленной. В конце экспериментального периода на всех участках засоление почвы отсутствовало.
Выводы. Результаты непрерывного мониторинга электропроводности почвы свидетельствуют, что используемые в опыте концентрации растворов для фертигации не приводят к засолению почвы. При этом в вариантах с орошением, в том числе растворами минеральных удобрений, возрастала доля водопрочных агрегатов.
1. Абделфаттах А.Х., Гомаа И.М., Халиуллин Д.Т. Энергоэффективное использование водных ресурсов в сельском хозяйстве //Агроинженерная наука ХХI века: труды региональной научно-практической конференции. Казань: Изд-во Казанского ГАУ. 2018. 416 с. С. 335-339.
2. Абделфаттах А.Х., Халиуллин Д.Т., Гомаа И.М. Управление орошением почвы с использованием датчиков влажности // Современное состояние, проблемы и перспективы развития механизации и технического сервиса агропромышленного комплекса: материалы международной научно-практической конференции ИМиТС. Казань: Изд-во Казанского ГАУ. 2018. С. 18-26.
3. Capra A., Scicolone B. Recycling of poor-quality urban waste water by drip irrigation systems //Cleaner Prod. 2007. No. 15.P. 1529-1534.
4. Allen, R. G., Pereira, L. S., Raes, D., and Smith, M. (1998). Crop evapotranspiration: Guidelines for computing crop water requirements: FAO Irrigation and drainage paper 56, Food and Agriculture Organization, Rome, 328.
5. Энергоресурсосберегающие технологии и техника для обработки почвы и посева в засушливых условиях / Н.К. Мазитов Н.К., Б.Г Зиганшин, А.Р. Валиев и др. // Вестник Казанского ГАУ. 2013. № 4 (30). С.65-75.
6. Adamchuk V., Viscarra Rossel R. Development of on-the-go proximal soil sensor systems. Proximal soil sensing / eds. R. ViscarraRossel, A. Mc Bratney, B. Minasny. Netherlands: Springer, 2010. Р. 15-28
7. Ensuring possibility of functioning of tractors in agricultural production taking into account residual resources of their units and systems / I.Galiev, K. Khafizov, R. Khusainov, et al. //19th International Scientific Conference Engi-neering for rural development Proceedings. 2020. Vol. 18. Р. 48-53
8. Corwin D. L., Lesch S. M. Application of soil electrical conductivity to precision agriculture: Theory, principles, and guidelines //Agron. J., Vol. 95. No. 3.P. 455-471.
9. Moreira Barradas J. M., Matula S., Dolezal F. A decision support system-fertigation simulator (DSS-FS) for design and optimization of sprinkler and drip irrigation systems //Comput. Electron. Agric.2012.No. 86. P. 111-119.
10. Diaz-Zorita M., Perfect E., Grove J.H. Disruptive methods for assessing soil structure //Soil Till. Res.2002.No. 64. P. 3-22.
11. Miháliková M., Matula S., Doležal F. HYPRESCZ-Database of 440 soil hydrophysical properties in the Czech Republic // Soil Water Res.2013.Vol. 441. No. 8.P. 34-41.
12. Crop evapotranspiration: Guidelines for computing crop water requirements / R. G. Allen, L. S. Pereira, D. Raes, et al. FAO Irrigation and drainage. Rome: Food and Agriculture Organization, 1998. paper 56. 328 р.
