Альтернативные экологически безопасные технологии возделывания картофеля при различных способах орошения в условиях аридной зоны

В жизни растений вода играет важнейшую роль. Она – растворитель минеральных веществ и среда физико-химических процессов: все физиологические и биохимические процессы совершаются только в ее присутствии, а при отсутствии доступных форм – полностью приостанавливаются. Протоплазма живой клетки содержит более 80% воды, и только благодаря этому в ней может происходить непрерывный обмен веществ – основа жизни. Так, в составе овощных растений содержится до 96% воды.

В растении вода находится в разном состоянии. Часть ее входит в структуру органических соединений. Это, так называемая структурная вода. Имеется вода, прочно связанная с биооллоидами и осмотически удерживаемая ими, она не способна быть растворителем. Устойчивость растений к засухе, морозу и засолению определяется именно количеством связанной в клетках воды.

Для нормального роста растению требуется высокое содержание свободной воды в его тканях, так как она расходуется на транспирацию. Это важнейший физиологический процесс, на который используется 97-98 % всей воды в растении. Благодаря этому растения регулируют водный режим своих тканей, предохраняют их от перегрева при высоких температурах. Кроме того, с транспирационным током воды из почвы от корней к листьям передвигаются соли. Вода поступает в растение благодаря сосущей силе живых клеток листа, а также вследствие сосущей силы корневых волосков.

Для растений основным источником воды является почвенная влага. Чтобы определить потребность в воде для получения максимального урожая и рассчитать режим орошения, необходимо знать, в каких формах она находится в почве.

Существуют три агрономически важных формы воды в почве: связанная, свободная и парообразная. Связанная вода – это часть воды, вступившая с почвой в прочную связь, не способная к передвижению, не растворяющая в себе соли и недоступная для растений. Связанная почвой вода составляет водную оболочку ее частиц, так называемую, пленочную воду и является мертвым запасом. Кроме прочносвязанной воды, почвенные частицы способны удерживать еще некоторое количество рыхлосвязанной воды.

Свободная вода заполняет связанные между собой поры почвы. Часть ее, заполняющая крупные поры, называется гравитационной водой. Это наиболее доступная для растений влага, имеющая ограниченное значение в их водоснабжении, так как под влиянием силы тяжести быстро стекает за пределы корнеобитаемого слоя, или переходит в другие формы. Скапливаясь над водоупорным слоем почвы, гравитационная вода может поднимать уровень грунтовых вод.

Более мелкие поры занимает капиллярная вода, которая слабо удерживается почвенными частицами, подвижна, легко просачивается и поднимается по капиллярам и доступна для растений. Капиллярная влага является основой постоянного влагообеспечения растений.

Парообразная вода заполняет поры, не занятые жидкой влагой, и перемешивается с током воздуха от теплых к холодным слоям почвы. Сама по себе парообразная вода не используется растениями, но при конденсации она превращается в «почвенную росу», которая может поглощаться корневыми волосками растений. Способность почвы поглощать и связывать частицы парообразной воды называется гигроскопичностью.

Подвижность почвенной влаги тесно связана с уровнем увлажнения почвы. Степень насыщения почвы влагой характеризует ее влагоемкость. Различают полную, предельную полевую, капиллярную и наименьшую влагоемкость.

Полная влагоемкость (ПВ) соответствует такому состоянию почвы, когда все поры и пустоты заполнены водой. Это состояние кратковременно. Как только вода, заполнившая крупные поры (гравитационная вода), стечет вниз, остается запас влаги, прочно удерживаемой почвой. Наибольшая величина этого запаса соответствует предельной полевой влагоемкости (ППВ), которая зависит не только от свойств почвы, но и от уровня грунтовых вод (УГВ).

Когда УГВ залегает выше 2,5-3 м, то ППВ определяется капиллярной влагоемкостью. Если УГВ находится ниже, то отсутствует их подпирающее действие. Предельная полевая влагоемкость оказывается равной наименьшей влагоемкости (НВ). Последняя характеризуется наименьшим количеством пленочно-подвешенной воды, которая может удерживаться в почве. В наших опытах имел место второй случай, т.е. наименьшая влагоемкость приравнивалась к предельной полевой влагоемкости.

Величину наименьшей влагоемкости в практических расчетах обычно принимают за верхний оптимальный уровень увлажнения. При современных способах и технике полива не представляется возможным поддерживать влажность почвы на одном заданном уровне. Практически ее приходится поддерживать в диапазоне двух крайних (нижнем и верхнем) пределов.

Установление нижнего предполивного предела влажности более сложно. Часть подвешенной воды способна к передвижению в сторону большего иссушения почвы. Но это движение приостанавливается при уменьшении влажности почвы до определенного предела, называемого влажностью разрыва капиллярной связи. При этом подвешенная вода перестает быть сплошной и не передвигается к испаряющей поверхности. Влажность разрыва капилляров составляет около 60-70 % предельной полевой влагоемкости. Известно, что предполивная влажность должна быть выше этой величины.

Всю почвенную влагу разделяют по степени ее подвижности и влиянию на рост и развитие растений на шесть частей.

Первая часть является недоступной для растений. Это, главным образом, прочносвязнная вода. Верхняя ее граница лежит около максимальной гигроскопичности почвы.

Вторая часть – труднодоступная для растений, непродуктивная вода. Верхняя ее граница находится у влажности завядания. Это капиллярное разобщенное состояние влаги, при котором растения начинают обнаруживать признаки устойчивого завядания, не исчезающие при помещении их в атмосферу, насыщенную водяным паром.

Третья часть – доступна для растений, но пониженной продуктивности. Верхняя граница ее – влажность торможения роста.

Четвертая часть – нормально доступная и продуктивная вода, обеспечивающая нормальный рост и развитие растений. Верхняя граница – наименьшая влагоемкость.

Пятая часть – легкодоступная вода для растений. Она обеспечивает хорошее развитие, главным образом, вегетативной массы растений. Верхняя ее граница  находится около такой влажности почвы, когда в последней остается приблизительно 1 % воздуха от объема почвы.

Шестая часть – избыточная для растений вода. Вследствие пониженного газообмена снабжение воздухом почвенной микрофлоры и корней значительно затруднено, питательный режим растений складывается неблагоприятно.

Предполивной предел влажности зависит от биологических особенностей роста и развития растений, экологических и технико-экономических условий.

Таким образом, решение задачи получения высоких и устойчивых урожаев картофеля, 20-30 т/га клубней, с хорошими качественными характеристиками в северном Прикаспии возможно только при регулировании водного режима почвы проведением вегетационных поливов и обеспечении растений доступными формами питательных веществ, внесением в необходимом количестве органических удобрений.

4.2. Динамика влажности почвы и распределение поливов

Урожай сельскохозяйственных культур определяется совокупностью факторов. Поэтому так называемый оптимальный режим орошения, обеспечивающий наивысший урожай растений, является величиной переменной, зависящей от особенностей окружающей среды и определенного сочетания регулируемых факторов. С изменением внешних условий и уровня планируемого урожая соответственно должен изменяться и режим орошения [16].

Норма увлажнения, как и величина доступной для растений влаги в почве, определяется нижним и верхним пределами влажности, при которых складывается благоприятная среда для получения запрограммированного урожая в определенных условиях выращивания культуры. Правильное установление нижней границы оптимальной влажности почвы – один из самых важных и наиболее сложных вопросов в орошаемом земледелии. Изучение режима орошения картофеля в различных природных зонах показывает, что эта культура предъявляет неодинаковые требования к состоянию влажности почвы. В некоторых зонах при определенных условиях внешней среды урожайность картофеля может быть максимальной при поддержании предполивной влажности почвы на относительно низком уровне. П.В. Поляков (1959) в пойме Дона получал самую высокую урожайность при поддержании предполивной влажности 60 % НВ. Повышение ее до 80 % НВ  выше, по его заключению, нерационально, так как оно сопровождается сильным уплотнением почвы и ухудшением воздушного режима, что приводит к снижению урожая. В. Казанцев (1973) в Джамбульской области высокий урожай картофеля получил при поддержании предполивного порога влажности почвы 70 % НВ. При этом отмечена хорошая сохраняемость клубней. При режиме орошения с допустимым порогом снижения влажности почвы до 80% НВ был получен меньший урожай клубней худшего качества.

По мнению А.М. Алпатьева (1954) нижняя граница оптимума влажности почвы для картофеля в условиях прохладного лета может опускаться до 65 % НВ. По данным М.Н. Багрова (1965), в разных природных зонах может быть различный режим орошения картофеля. В засушливых районах от начала вегетации до окончания клубнеобразования требуется предполивная влажность почвы не ниже 75 % НВ, во влажных – 65-70.

Нередко дается рекомендация поддерживать дифференцированный в соответствии с фазами роста и развития картофеля режим влажности почвы. В настоящее время пока нет единого мнения, в какие из фаз без ущерба для урожая можно снижать предполивную влажность почвы.

Существуют различные суждения по установлению нижнего порога предполивной влажности почвы при выращивании картофеля. В каждом конкретном случае даны рекомендации для определенных почвенных и климатических условий. Повсеместное использование однотипных рекомендаций в силу существующих различий всего комплекса природных факторов, характерных для каждой зоны возделывания культуры, было бы ошибочно.

Поэтому в зонах, отличающихся по ряду климатических, почвенных, гидрологических и гидрогеологических условий, на основе проведенных исследований целесообразно устанавливать свои допустимые границы снижения предполивного порога влажности почвы, при котором возможно получение планируемой продуктивности картофеля.

Для обоснования рационального режима орошения и определения необходимых поливных норм важно правильно установить отдельные показатели водных констант. Это позволяет более эффективно следить за наличием почвенной влаги и создавать наиболее благоприятные условия увлажнения, отвечающие биологической потребности растений в воде.

Нижний предел доступной влаги, ограниченный коэффициентом завядания, у отдельных культур неодинаков. А.М. Бялым (1951) установлено, что коэффициент завядания для картофеля составляет 1,8, пшеницы – 1,5, люцерны – 1,3 максимальной гигроскопичности.

В наших исследованиях наиболее эффективным был режим орошения с поддержанием влажности активного слоя почвы с момента посадки раннего картофеля до начала третей декады июня не ниже 75…80 % НВ. При интенсивном режиме орошения с предполивным порогом влажности почвы 75…80% НВ поливы в условиях северного Прикаспия следует прекращать за 10 дней до уборки урожая.

При самом влагообеспеченном режиме орошения оросительная норма в годы проведения исследований составила 3050 м3 /га. Поливные нормы были в пределах 400 м3/га. Число поливов с учетом ограничений по предполивному порогу влажности почвы – 7-8, межполивной период при этом режиме орошения был минимальным и изменялся в разные годы в пределах 9-10 дней.

При распределении поливов в период вегетации картофеля необходимо руководствоваться динамикой влажности почвы и водопотребностью растений, учитывая, что эта культура хорошо переносит засуху в первой половине вегетации. Определяется это тем, что некоторое время молодое растение использует влагу материнского клубня и не нуждается в большом количестве воды в силу незначительного прироста сухой массы в этот период. Во второй половине вегетации темпы прироста ботвы значительно возрастают, увеличивается площадь листовой поверхности, и расход влаги растениями становится значительно выше. Немаловажное значение приобретает и тот факт, что ранние поливы вызывают хорошее развитие корневой системы в верхних слоях почвы.

В первой половине вегетации с характерными в этот период высокими среднесуточными температурами воздуха целесообразно проводить поливы малыми нормами, а при наличии хороших влагозапасов в почве – только освежительные.

Получение планируемых урожаев в пределах 30 т/га связано с необходимостью применения режима орошения, обеспечивающего поддержание влажности почвы не ниже 75-80 % НВ. Тем самым на картофельном поле создаются условия увлажнения, близкие к оптимальным.

Поливы для обеспечения такого режима орошения начинают с наступления фазы полных всходов, а в отдельные годы с длительными весенними засухами и частыми суховеями – сразу после появления всходов. Целесообразность поливов в весенний период обусловлена высокими температурами верхнего слоя почвы. При быстром иссушении его слаборазвитая корневая система картофеля не обеспечивает восполнение образовавшегося дефицита влаги и растения замедляют рост. В последующий период даже при хорошей влажности почвы не компенсируются потери сухого вещества растениями на ранних стадиях их развития.

Режим орошения с поддержанием влажности активного слоя почвы не ниже 75-80 % НВ в среднезасушливый год обеспечивается проведением 7-8 вегетационных поливов по схеме: 1-й – фаза всходы, 2-й – наступление начальной фазы бутонизации, 3-й – фаза бутонизации, 4-й и 5-й – цветение растений, 6-й и 7-й – накопление клубней. В более засушливые годы в зависимости от складывающихся погодных условий 8-й полив проводится в фазу цветения или в период накопления клубней.

Поливные нормы на всех фонах увлажнения соответствуют расчетным величинам для обеспечения повышения влажности почвы в активном слое до наименьшей влагоемкости.

4.3. Составляющие  суммарного водопотребления

Для расчета водопотребления агроценозов используются балансовые, метеорологические, биофизические и агромелиоративные методы. В основу метеорологических методов определения водопотребления положены теоретические и эмпирические функциональные связи его с динамикой показателей радиационного баланса, температуры, дефицитов влажности воздуха и почвы, других метеопараметров. Метод определения водопотребления с использованием метеоданных достаточно перспективен и, как установлено при длительной проверке его в экспериментальных и производственных условиях с целью адаптации к особенностям почвенно-климатических зон достоверен.