УДК 581.1.045:633.313:631.559(470.61)
Моделирование продуктивности люцерны изменчивой на орошаемых землях Ростовской области
Белолюбцев А. И., доктор сельскохозяйственных наук
Дронова Е. А., кандидат географических наук
ФГБОУ «РГАУ–МСХА им. К. А. Тимирязева»
127550, Россия, г. Москва, ул. Тимирязевская, д. 49
E-mail: helena_dronova@mail.ru
С помощью математической модели «Продуктивность люцерны» была проведена оценка продуктивности люцерны изменчивой сорта Ростовская 60 в погодных условиях трёх типов: средние многолетние условия; агрометеорологические условия «сухого» года (влагообеспеченность периода вегетации составляла не более 51%, запасы продуктивной влаги метрового слоя почвы — на уровне 60–65% НВ и ниже); агрометеорологические условия «влажного» года (влагообеспеченность периода вегетации — более 85%, запасы продуктивной влаги — более 75% НВ). Типизация агрометеорологических показателей вегетации люцерны проводилось по двум расчётным периодам: базовому (1961–1990 годы) и данным за 2005–2015 годы. Расчёты показали, что при выращивании люцерны на богаре во «влажные» годы урожайность зелёной массы первого укоса была в 1,5–1,7 раза выше по сравнению со средними многолетними условиями, в то время как в условиях «сухого» года урожайность зелёной массы составляла не более 65%. Для агрометеорологических условий «сухого» года с помощью модели был проведён численный эксперимент влияния режима орошения на урожайность зелёной массы первого укоса люцерны в зависимости от сроков полива. Оптимальными сроками полива люцерны являются фаза стеблевания (третья и четвёртая недели вегетации) и фаза начала бутонизации. Оросительная норма составляет 1500 м3/га, вегетационный полив — 500 м/га. При таком сочетании сроков полива возможно ожидать урожайность первого укоса до 27 т/га.
Ключевые слова: математическое моделирование, продуктивность, люцерна, агрометеорологические условия, численный эксперимент, оросительные нормы.
Почвенно-климатические условия степной зоны РФ позволяют получать высокие урожаи сельскохозяйственных культур. Однако неустойчивость погоды (смена влажных лет засушливыми, теплых зим — суровыми) приводит к значительной изменчивости урожая сельскохозяйственных культур. В климатическом отношении на территории европейской части РФ параллельно с нарастанием ресурсов тепла в направлении с севера на юг отчётливо проявляется нарастание дефицита и неустойчивости атмосферного увлажнения, особенно в период вегетации растений, что в значительной степени лимитирует величину урожая (Зоидзе, 2000). Поэтому интенсификация земледелия в степных районах реальна лишь при условии широкомасштабного систематического орошения земель.
Люцерну во многих странах называют «королевой» кормовых культур. Это многолетнее растение на одном поле может давать три-шесть полноценных укосов на протяжении 4–7 лет. Выращивание бобовых культур в большой степени способствует также повышению плодородия земель сельскохозяйственного назначения. В связи с этим в последние годы намечается тенденция увеличения посевных площадей под бобовыми культурами. Они должны будут составлять не менее 10% в структуре посевных площадей. Важная роль в решении поставленной задачи отводится многолетним травам. Среди многолетних трав наибольшую площадь занимает люцерна. Она даёт высокие урожаи зелёной массы и сена на плодородных почвах, достаточно обеспеченных влагой.
Основная цель исследований заключалась в оценке продуктивности люцерны изменчивой в агроклиматических условиях степной зоны на богаре и в условиях орошения для оптимизации оросительных норм и экономного использования водных ресурсов.
Методика исследований. Теоретической основой оценки продуктивности люцерны послужила математическая модель формирования продуктивности сельскохозяйственных культур в условиях орошения (Бойко, 1985; Сиротенко, 1990; Полевой, 1995). Математическая модель описывает формирование продуктивности агрокультуры в богарных условиях и при орошении. Она представляет собой упрощённую модель агроэкологической системы, взаимодействия внутри которой рассматриваются в двух средах: почве и атмосфере (Полевой, 1989; Дронова, 2010). Центральным объектом является культурное растение. Система «почва – растение – атмосфера» является сложной и динамичной.
Модель модифицирована для люцерны, имеет прикладной характер и содержит семь блоков:
- блок исходной информации;
- блок радиационного и теплового режимов растительного покрова;
- блок водного режима;
- блок фотосинтеза;
- блок дыхания;
- блок роста;
- блок орошения.
Для выполнения расчётов по модели используется следующая информация:
1) разовая: географическая широта пункта; дата всходов (возобновления вегетации); дата наступления технической спелости (первого укоса); запасы влаги в метровом слое почвы на дату всходов (возобновления вегетации), мм; наименьшая влагоёмкость метрового слоя почвы, мм; влажность завядания;
2) эпизодическая: поливная норма; вегетационный полив;
3) ежедекадная: средняя декадная температура воздуха, 0С; средняя максимальная температура воздуха, 0С; число часов солнечного сияния, ч; сумма осадков за декаду, мм; средний за декаду дефицит влажности воздуха, мб; запасы продуктивной влаги, мм; глубина залегания грунтовых вод, м; продолжительность фаз развития, число дней в расчётной декаде, наименьшая влагоёмкость метрового слоя почвы, мм;
4) культура представлена начальными биомассами надземных и подземных органов (соответствующими году жизни культуры), углом наклона и плато световых кривых фотосинтеза и дыхания, средними суммами эффективных температур, необходимых для наступления фазы цветения соответствующего года жизни культуры, начальными запасами продуктивной влаги в метровом слое почвы под культурой.
Структура модели определяется, исходя из закономерностей формирования гидрометеорологического режима в системе «почва – растение – атмосфера» и биологических представлений о росте и развитии сельскохозяйственных культур под влиянием факторов внешней среды. В основе модели лежит система уравнений радиационного, теплового и водного балансов, баланса биомассы (углеводов и азота) в растительном покрове.
Основные концептуальные положения следующие:
– рост и развитие растений определяются генотипом и факторами внешней среды;
– моделируется рост растений (накопление сухой биомассы) путём распределения продуктов фотосинтеза и поглощённых элементов минерального питания с учётом потребностей для роста в ассимиляты надземной и подземной частей растений;
– моделируются радиационный, тепловой и водный режимы системы «почва – растение – атмосфера»;
– моделируется трансформация форм азота в почве и азотное питание растений;
– моделируется гидролиз растительной ткани при старении растений и в стрессовых условиях, а также перетекание продуктов гидролиза из листьев, стеблей, корней в репродуктивные органы;
– моделируется влияние агрометеорологических условий в основные межфазные периоды сельскохозяйственных культур на формирование урожая, потери урожая зелёной массы за счёт засухи.
Ключевым блоком применяемой модели является блок водного режима.
Для определения профиля водного режима нами было принято, что зона распространения корней разделяется на десять слоев. Также выделен 11-й слой (110–110 см). Влажность в нём считается постоянной и задаётся в виде константы. В основу моделирования водного режима посевов положена схема водного баланса в различных слоях почвы.
Уравнения водного баланса для каждого из выделенных слоёв можно записать как:
(1)
где и — влагозапасы в j+1 и j моменты времени соответственно, мм; — количество осадков, поглощённых почвой, мм; — количество влаги, которое испаряется из почвы, мм; — затраты воды на транспирацию в i-м слое почвы, мм; и — количество воды, которое прошло через верхний и нижний слои почвы соответственно, мм; — логистическая переменная, которая равна 1 для самого верхнего слоя почвы и 0 — для всех остальных.
Для расчёта потока влаги через границы слоя используется конечно-разностное уравнение:
(2)
где φs — водный потенциал; К — водопроницаемость почвы; hs — шаг сетки.
Для расчёта потенциала почвенной влаги в диапазоне от влажности завядания до полной влагоёмкости используется эмпирическая зависимость:
(3)
где φs — водный потенциал; φ0 — максимальный потенциал почвенной влаги.
Гидравлическая проводимость рассчитывается согласно выражению:
, (4)
где
(5)
где К0 — эмпирический параметр, который зависит от типа почвы; — влажность завядания i-го слоя почвы, мм; — полная влагоёмкость, мм; — фактическая влажность почвы, мм.
В уравнение (1) также входит количество осадков, выпавших на сельскохозяйственное поле. Но при наличии растительности не вся сумма осадков доходит до почвы, определённая доля их используется на промачивание посевов. Для учёта этого процесса вводится понятие эффективных осадков. Если количество эффективных осадков ненулевое, то количество осадков, поглощённых почвой, рассчитывается как:
, (6)
где , — влагозапасы, которые соответствуют полной влагоёмкости и влажности завядания в 50-сантиметровом слое почвы, мм; — текущие запасы продуктивной влаги, мм.
Испарение с поверхности почвы зависит от насыщения влагой верхнего слоя почвы и температуры поверхности почвы, которая, в свою очередь, зависит от характеристик растительного покрова, дефицита влажности воздуха в растительном покрове и скорости ветра. Расход воды на транспирацию рассчитываются по формуле:
(7)
где TRj — затраты воды на транспирацию, мм; Е0 — испаряемость с поверхности почвы, мм; LL — относительная площадь листьев, мм.
Испаряемость с поверхности почвы рассчитывается по формуле:
, (8)
где ξ0 — эмпирический коэффициент.
Задача оценки влияния увлажнения почвы на продуктивность люцерны решалась в двух направлениях:
1) оценка условий увлажнения почвы и продуктивности культуры, выращиваемой на богаре. Рассмотрены три сценария условий увлажнения почвы: средние многолетние агрометеорологические условия вегетации люцерны; агрометеорологические условия «сухого» года (влагообеспеченность периода вегетации до первого укоса — ниже 51%, запасы продуктивной влаги в метровом слое почвы на фазу бутонизации составляли не более 60–65% НВ); агрометеорологические условия «влажного» года (влагообеспеченность периода вегетации до первого укоса — более 85%, запасы продуктивной влаги в метровом слое почвы на фазу бутонизации составляли более 75% НВ);
2) оценка условий увлажнения почвы и продуктивности культуры в условиях орошения.
Для выполнения расчётов использовались средние многолетние данные за базовый (1961–1990 годы) период наблюдений и данные за 2005–2015 годы метеорологической станции Ростова-на-Дону. Были проанализированы гидрометеорологические данные о температуре воздуха, сумме осадков, дефиците влажности воздуха и определены средние показатели, которые соответствуют «сухим» и «влажным» условиям вегетации люцерны. В дальнейшем для проведения расчётов по модели использовались данные наблюдений за продолжительностью солнечного сияния, температурой воздуха, осадками, дефицитом влажности воздуха, запасами влаги в почве, датами наступления основных фаз развития люцерны, данные об агрометеорологических параметрах культуры.
Результаты исследований. В работе проведены расчёты продуктивности люцерны изменчивой в степных условиях Ростовской области на богаре и при орошении. Для того чтобы рассчитать продуктивность люцерны изменчивой на богаре в модель был заложен численный эксперимент по трём расчётным сценариям: 1) погодные условия соответствуют среднемноголетнему режиму; 2) моделирование погодных условий «сухого» года; 3) моделирование погодных условий «влажного» года.
Урожайность зелёной массы и семян люцерны определяется площадью листьев как основного фотосинтезирующего элемента, а также временем и интенсивностью его работы. Продолжительность и интенсивность фотосинтеза люцерны в большой степени определяется условиями увлажнения (Лазарев, 2018; Высочкина, 2015; Часовских, 2012).
В ходе численного эксперимента на дату первого укоса была рассчитана динамика листовой поверхности и объём сухой биомассы люцерны сорта Ростовская 60, выращиваемой на богаре и при орошении, для трёх погодных сценариев.
По средним многолетним данным, на территории Ростовской области продолжительность вегетационного периода люцерны второго года жизни до первого укоса составляет 65 дней. При этом средняя температура воздуха за этот межфазный период составляет 16,8°С, осадки выпадают в количестве 87 мм. Сумма эффективных температур, которая накапливается от возобновления вегетации до первого укоса, составляет 790°С. Влагообеспеченность первого поукосного периода вегетации люцерны, рассчитанная с использованием метода А. М. Алпатьева, в средних многолетних условиях на богаре составляет 65%. В этих условиях к дате первого укоса сформировалось 4,1 м2/м2 площади листовой поверхности и 301 г/м2 сухого вещества (табл. 1).
Результаты расчётов агрометеорологических условий и продуктивности люцерны «сухого» и «влажного» года вегетации также приведены в табл. 1.
1. Количественные показатели агрометеорологических условий и продуктивности люцерны в богарных условиях Ростовской области за период от весеннего возобновления вегетации до первого укоса
Модельные сценарии типа погодных условий | Т, °С | R, мм | ΣТэфф,°С | N, дни | V, % | L, м2/м2 | m, г/м2 |
Средний многолетний | 16,8 | 87 | 790 | 65 | 65 | 4,1 | 301 |
«Сухой» | 17,5 | 48 | 712 | 57 | 48 | 3,2 | 205 |
«Влажный» | 15,5 | 100 | 760 | 73 | 87 | 5,7 | 515 |
Рис. 1. Динамика площади листовой поверхности люцерны при реализации различных типов погодных условий в богарных условиях
Как видно из проведённых расчётов, наиболее высокие урожаи культуры получают во «влажные» годы. По данным В. П. Часовских (2012) и Т. Н. Высочкиной (2015), продуктивность люцерны в засушливых условиях лесостепной и степной зон гораздо выше при орошении. Учитывая засушливые условия области, орошение люцерны в основные периоды вегетации является весьма целесообразным. Для повышения экономической эффективности выращивания культуры оросительные нормы и нормы вегетационных поливов должны рассчитываться с учётом погодных условий.
В богарных условиях средняя статистическая урожайность первого укоса зелёной массы люцерны составляет 15–17 т/га, при орошении можно получить до 25 т/га. С помощью модели были проведены численные эксперименты по изучению влияния режима орошения на урожайность зелёной массы первого укоса люцерны в зависимости от сроков полива (табл. 2). Для поддержания оптимального режима влажности ключевое значение имеет правильное определение поливных норм. Оросительная норма до первого укоса в объёме 1500 м3/га была разбита на три вегетационных полива по 500 м3/г. Были рассмотрены несколько вариантов полива в различные сроки вегетации люцерны до первого укоса в погодных условиях «сухого» года. По вариантам сроки полива распределялись следующим образом: вариант первый (В1) — 3-я декада (стеблевание), 4-я декада (перед началом бутонизации), 5-я декада (начало бутонизации); вариант второй (В2) — 2-я декада (стеблевание), 4-я декада (перед началом бутонизации), 6-я декада (бутонизация – начало цветения); вариант третий (В3) — 2-я декада (стеблевание), 3-я декада (стеблевание), 4-я декада (перед началом бутонизации). Также нами была рассчитана урожайность зелёной массы люцерны первого укоса без орошения (контрольный вариант (К)).
Результаты численных экспериментов приведены в табл. 2.
Согласно проведённым расчётам оптимальными сроками полива люцерны являются фаза стеблевания (третья и четвёртая недели вегетации) и фаза начала бутонизации.
2. Зависимость урожая зелёной массы люцерны от нормы и сроков вегетационного полива
Вариантриант | Сроки полива | Урожайность зелёной массы, т/га | |||||
декады вегетации | |||||||
1-я | 2-я | 3-я | 4-я | 5-я | 6-я | ||
отрастание | стеблевание | начало бутонизации | бутонизация –начало цветения | ||||
Норма вегетационного полива, м3/га | |||||||
К | – | – | – | – | – | – | 15 |
В1 | – | – | 500 | 500 | 500 | – | 27 |
В2 | – | 500 | – | 500 | – | 500 | 21 |
В3 | – | 500 | 500 | 500 | – | – | 22 |
При таком сочетании сроков полива возможно ожидать урожайность первого укоса до 27 т/га. Сочетание сроков полива по второму и третьему вариантам также приводит к увеличению урожайности зелёной массы, но не так значительно.
Заключение. Математическое моделирование продукционного процесса сельскохозяйственных культур в настоящее время является необходимым звеном в прогнозировании продуктивности культур. Также оно используется для выбора оптимальной стратегии проведения различных агротехнических мероприятий и мониторинга условий выращивания культур. Рассматриваемая модель может применяться для оптимизации водного режима сельскохозяйственных полей и оросительных норм с учётом погодных условий конкретного года.
Литература
- Алпатьев А. М. Влагообороты в природе и их преобразование / А. М. Алпатьев. — Л.: Гидрометеоиздат, 1969. — 322 с.
- Бойко А. П. Моделирование энерго- и массообмена системы «почва — растение – атмосфера» при недостатке почвенной влаги / А. П. Бойко, О. Д. Сиротенко // Труды ВНИИСХМ. — 1985. — Вып. 10. — С.3–26.
- Высочкина Т. Н. К обоснованию выбора способа орошения люцерны / Т. Н. Высочкина, Л. И. Высочкина // Universum: Технические науки: электронный научный журнал. — 2015. — № 1 (14).
- Дронова Е. А. Динамическая модель водного режима сельскохозяйственных культур / Е. А. Дронова, О. В. Вольвач, Е. Л. Жигайло // Украинский гидрометеорологический журнал. — 2010. — № 6. — С.164–171.
- Зоидзе Е. К. Сравнительная оценка сельскохозяйственного потенциала климата на территории РФ и степени использования её агроклиматических ресурсов сельскохозяйственными культурами / Е. К. Зоидзе, Л. И. Овчаренко. — Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат, 2000. — 75 с.
- Математические методы оценки агроклиматических ресурсов / В. А. Жуков, А. Н. Полевой, А. Н. Витченко, С. А. Даниелов. — Л.: Гидрометеоиздат, 1989. — 207 с.
- Лазарев Н. Н. Эффективность подсева люцерны изменчивой и клевера лугового в дернину старосеяного сенокоса / Н. Н. Лазарев, С. М. Авдеев // Кормопроизводство. — 2018. — № 1. — С.8–12.
- Полевой А. Н. Теория и расчёт продуктивности сельскохозяйственных культур / А. Н. Полевой. — Л.: Гидрометеоиздат, 1983. — 175 с.
- Полевой А. Н. Моделирование формирования урожая сельскохозяйственных культур в условиях орошения чернозёмов придунайской провинции / А. Н. Полевой, Т. Н. Хохленко // Почвоведение. — 1995. — № 12. — С.1518–1524.
- Сиротенко О. Д. Параметризованная модель водно-теплового режима агроэкосистемы для расчёта суммарного испарения в задачах нормирования орошения / О. Д. Сиротенко, В. М. Мокиевский // Труды ВНИИСХМ. — 1990. — Вып. 26. — С.12–21.
- Часовских В. П. Продуктивность люцерны и основные требования к водообеспеченности и минеральному питанию в лесостепной зоне Алтайского края / В. П. Часовских // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. — 2012. — № 6 (92). — С.32–35.
Modeling of bastard alfalfa productivity on irrigated fields of the Rostov region
Belolyubtsev A. I., Dr. Agr. Sc.
Dronova E. A., PhD Georg. Sc.
Russian Timiryazev State Agrarian University
127550, Russia, Moscow, Timiryazevskaya str., 49
E-mail: helena_dronova@mail.ru
Mathematical model “Alfalfa productivity” was used to evaluate performance of bastard alfalfa “Rostovskaya 60” under mean annual precipitation rate; dry year (water availability of up to 51%, water content in 1 m-soil layer — 60–65%) and wet year (water availability of over 85%, water content in 1 m-soil layer — over 75%). Data typing of meteorological parameters was done in accordance with two periods: 1961–1990 (standard) and 2005–2015. Calculations revealed that growing alfalfa on dry-farming lands resulted in first cut yield being 1.5–1.7 times higher compared to mean annual conditions in wet years. In dry year green mass productivity amounted to 65%. Numeric experiment was performed for a dry year evaluating the influence of irrigation regime on the first cut yield of alfalfa. Optimal irrigation time is stem formation (third and fourth weeks of a growing season) and budding phases. Optimal irrigation rate is 1500 m3 ha-1, irrigation for a growing season — 500 m ha-1. Under such an irrigation time first cut yield is expected to be up to 27 t ha-1.
Keywords: mathematical modeling, productivity, alfalfa, meteorological conditions, numerical experiment, optimal irrigation rate.
References
1. Alpatev A. M. Vlagooboroty v prirode i ikh preobrazovanie / A. M. Alpatev. — Leningrad: Gidrometeoizdat, 1969. — 322 p.
2. Boyko A. P. Modelirovanie energo- i massoobmena sistemy “pochva — rastenie – atmosfera” pri nedostatke pochvennoy vlagi / A. P. Boyko, O. D. Sirotenko // Trudy VNIISKhM. — 1985. — Iss. 10. — P.3–26.
3. Vysochkina T. N. K obosnovaniyu vybora sposoba orosheniya lyutserny / T. N. Vysochkina, L. I. Vysochkina // Universum: Tekhnicheskie nauki: elektronnyy nauchnyy zhurnal. — 2015. — No. 1 (14).
4. Dronova E. A. Dinamicheskaya model vodnogo rezhima selskokhozyaystvennykh kultur / E. A. Dronova, O. V. Volvach, E. L. Zhigaylo // Ukrainskiy gidrometeorologicheskiy zhurnal. — 2010. — No. 6. — P.164–171.
5. Zoidze E. K. Sravnitelnaya otsenka selskokhozyaystvennogo potentsiala klimata na territorii RF i stepeni ispolzovaniya ee agroklimaticheskikh resursov selskokhozyaystvennymi kulturami / E. K. Zoidze, L. I. Ovcharenko. — St. Petersburg: Gidrometeoizdat, 2000. — 75 p.
6. Matematicheskie metody otsenki agroklimaticheskikh resursov / V. A. Zhukov, A. N. Polevoy, A. N. Vitchenko, S. A. Danielov. — Leningrad: Gidrometeoizdat, 1989. — 207 p.
7. Lazarev N. N. Effektivnost podseva lyutserny izmenchivoy i klevera lugovogo v derninu staroseyanogo senokosa / N. N. Lazarev, S. M. Avdeev // Kormoproizvodstvo. — 2018. — No. 1. — P.8–12.
8. Polevoy A. N. Teoriya i raschet produktivnosti selskokhozyaystvennykh kultur / A. N. Polevoy. — Leningrad: Gidrometeoizdat, 1983. — 175 p.
9. Polevoy A. N. Modelirovanie formirovaniya urozhaya selskokhozyaystvennykh kultur v usloviyakh orosheniya chernozemov pridunayskoy provintsii / A. N. Polevoy, T. N. Khokhlenko // Pochvovedenie. — 1995. — No. 12. — P.1518–1524.
10. Sirotenko O. D. Parametrizovannaya model vodno-teplovogo rezhima agroekosistemy dlya rascheta summarnogo ispareniya v zadachakh normirovaniya orosheniya / O. D. Sirotenko, V. M. Mokievskiy // Trudy VNIISKhM. — 1990. — Iss. 26. — P.12–21.
11. Chasovskikh V. P. Produktivnost lyutserny i osnovnye trebovaniya k vodoobespechennosti i mineralnomu pitaniyu v lesostepnoy zone Altayskogo kraya / V. P. Chasovskikh // Vestnik Altayskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. — 2012. — No. 6 (92). — P.32–35.