Введение к работе
Актуальность темы исследований. Ежегодно в России производится около 15 млн. т продукции овощеводства, из них около 600 тыс. т – в условиях закрытого грунта, однако, обеспеченность населения овощами все еще не достаточна. Обеспечение населения овощной продукцией высокого качества и в необходимых объемах при непрерывной интенсивной нагрузке на агроэкосистемы - сегодня одна из наиболее сложных проблем овощеводства, имеющих важнейшее научное, экономическое и социальное значение.
В последние годы в стране четко прослеживается тенденция развития средних и мелких овощеводческих фермерских хозяйств, особенно в южных регионах, где производство овощной продукции, как в открытом, так и в закрытом грунте, достаточно эффективно при условии использования орошения. Сложившиеся условия дефицита и высокой стоимости энергетических, водных и трудовых ресурсов накладывают определенные ограничения на использование всех видов и технологий орошения, особенно на ограниченных по площади участках и в небольших теплицах.
На сегодняшний день существует необходимость значительной модернизации применяющихся технологий орошения овощных культур в открытом грунте и теплицах на основе использования научных разработок, направленных на устранение недостатков различных способов полива, таких как высокая энергоемкость, нерациональное использование оросительной воды, низкая производительность труда, значительные капитальные и эксплуатационные затраты.
Одним из направлений повышения эффективности отрасли овощеводства является решение проблемы, связанной с глубоким изучением и внедрением современных ресурсосберегающих научно-обоснованных технологий, технических приемов и средств полива, обеспечивающих минимизацию затрат и получение высоких стабильных урожаев высококачественной овощной продукции. К наиболее эффективным мелиоративным технологиям относятся способы локального полива, в частности, внутрипочвенное, капельное и комбинированное орошение. Теоретические и экспериментальные исследования способов локального орошения в открытом и закрытом грунте являются очевидным фактором ресурсосбережения и имеют большое научное и практическое значение.
Более широкое внедрение и использование всего потенциала локального орошения ограничено отсутствием комплексных систематизированных исследований, касающиеся расчета, проектирования и эксплуатации таких систем, определения оптимальных параметров увлажнительной сети, водного режима почвы, снижения непродуктивных потерь оросительной воды для различных почвенно-климатических условий, научно-обоснованных производственных рекомендаций для отрасли овощеводства открытого и закрытого грунта.
Актуальность исследований подтверждается их соответствием задачам Государственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013 - 2020 годы и федеральной целевой программы «Развитие мелиорации земель сельскохозяйственного назначения России на 2014-2020 годы».
Научная гипотеза заключалась в том, что установленные оптимальные взаимосвязи между конструктивными особенностями увлажнительной сети, качественными показателями использования оросительной воды, ресурсозатратами и продуктивностью овощных культур позволят обеспечить повышение эффективности технологических процессов и технических средств локального орошения.
Степень разработанности темы исследований. Исследования технологии локального орошения, в частности, внутрипочвенного и капельного способов полива, а также мелкодисперсного дождевания при выращивании сельскохозяйственных культур в разные годы проведены учеными Айдаровым И.П., Ахмедо-вым А.Д., Боровым Е.П., Бородычевым В.В., Григоровым М.С., Дубенком Н.Н., Головановым А.И., Гостищевым Д.П., Игнатенком Ф.В., Канардовым В.И., Кру-жилиным И.П., Кузьминым Н.М., Лобойко В.Ф., Майером А.В., Назаряном А.Г., Овчинниковым А.С., Ольгаренко В.И., Пантелеевым Ю.Г., Семененко С.Я., Тка-ченко М.И., Хамраевым М.Р., Ходяковым Е.А., Храбровым М.Ю., Шкурой В.Н., Шульгиным Д.Ф., Ясониди О.Е. и др. Однако, в приведенных работах, а также в исследованиях других авторов содержится недостаточное количество данных, характеризующих комплексное обоснование применения внутрипочвенного, капельного и комбинированного орошения на основе оптимального выбора конструктивных параметров увлажнительной сети и оценки показателей распределения влаги в почвенном профиле при возделывании овощных культур в открытом грунте и теплицах для различных почвенно-климатических условий.
Цель исследований – повышение эффективности технологических процессов и технических средств внутрипочвенного, капельного и комбинированного орошения с целью получения высоких стабильных урожаев овощных культур в условиях открытого и закрытого грунта для различных почвенно-климатических условий.
Достижение указанной цели предполагает решение следующих задач:
анализ общих проблем овощеводства, научного и производственного опыта применения ресурсосберегающих технологий и технических средств локального орошения, а также существующих методик расчета их основных параметров при возделывании овощных культур в открытом и закрытом грунте;
проведение экспериментальных исследований и определение зависимостей для оценки гидравлических характеристик внутрипочвенных увлажнителей, влияния на равномерность увлажнения орошаемого массива конструктивных параметров увлажнительной сети и их оптимизация, исследование структуры и динамики контуров увлажнения, влияния на них мульчирования как агротехнического приема при внутрипочвенном и капельном орошении;
- определение влияния водосберегающих технологий локального ороше
ния на показатели продуктивности томатов и сладкого перца, водопотребление
овощных культур и эффективность расходования оросительной воды, разработка
модели управления водным режимом почвы и элементов технологии возделыва
ния овощных культур при внутрипочвенном, капельном и комбинированном
орошении;
- оценка экономической эффективности способов локального орошения при
возделывании овощных культур.
Научная новизна состоит в определении зависимостей и получении математических моделей, уточняющих методики гидравлических расчетов систем внутрипочвенного орошения и позволяющих определять гидравлические характеристики увлажнительных сетей, а также их оптимальные параметры в зависимости от конструктивных особенностей для различных почвенно-климатических условий, исследовании структуры зоны увлажнения и определении закономерностей ее формирования в зависимости от влажности почвы, конструкции увлажнителей и влияния мульчирования как агротехнического приема, получении модели,
позволяющей определять параметры зоны увлажнения в интервалах между поливами при внутрипочвенном и капельном орошении для различных почвенно-климатических условий, разработке водосберегающих технологий внутрипочвен-ного, капельного и комбинированного орошения, позволяющих получать высокие стабильные урожаи томатов и сладкого перца при значительной экономии оросительной воды в открытом грунте и теплицах, создании теоретической модели оптимального управления водным режимом почвы при орошении, характеризующейся повышением точности прогнозных и ретроспективных расчетов определения суммарного водопотребления сельскохозяйственных культур. Новизна предложенных технологических приемов и технических решений подтверждается патентами РФ на изобретение.
Теоретическая и практическая значимость работы. На основании проведенных исследований теоретически обоснована и практически доказана эффективность применения внутрипочвенного, капельного и комбинированного орошения в условиях открытого и закрытого грунта для различных почвенно-климатических зон. Предложены новые технические и технологические решения, направленные на повышение эффективности локальных способов полива. Разработанные водосберегающие технологии позволяют получать до 13,3 кг/м2 тепличных томатов, до 75,3 т/га плодов сладкого перца и до 112,1 т/га томатов в открытом грунте при значительной экономии оросительной воды и высокой экономической эффективности производства. Разработанные теоретические положения, математические модели, практические результаты и рекомендации могут быть использованы при проектировании, строительстве и эксплуатации систем локального орошения научными и проектными организациями, а также на предприятиях отрасли овощеводства.
Методология и методы исследования. Экспериментальные исследования проводились на основании стандартных общепринятых методик лабораторных и лабораторно-полевых исследований. Теоретические исследования выполнены с использованием методов математического и статистического анализов, а также теории планирования эксперимента, с применением компьютерных средств обработки полученных данных.
Положения, выносимые на защиту:
зависимости гидравлических характеристик увлажнителей от конструктивных особенностей систем внутрипочвенного орошения и выбор их оптимальных параметров;
исследование структуры зоны увлажнения и определение закономерностей ее формирования в зависимости от влажности почвы, конструкции увлажнителей и влияния мульчирования как агротехнического приема при внутрипочвен-ном и капельном орошении;
- элементы технологии комбинированного орошения овощных культур;
- оценка влияния водосберегающих технологий локального орошения на
показатели продуктивности томатов и сладкого перца, водопотребление овощных
культур и эффективность расходования оросительной воды;
- модель управления водным режимом почвы при орошении;
Степень достоверности результатов исследований. Исследования выполнены на кафедре «Прикладная геодезия, природообустройство и водопользование» Волгоградского ГАУ в 2003-2015 гг. Достоверность результатов исследований подтверждается большим объемом экспериментальных данных, получен-5
ных в результате многолетних лабораторно-полевых исследований, выполненных на основании современных апробированных методик с использованием современных методов компьютерной математической обработки программными средствами MS Excel, Mathcad, Statistica. Результаты исследований прошли производственную проверку и успешно внедрены в КФХ «Ксюша» Среднеахтубинско-го района и КФХ «Садко» Дубовского района Волгоградской области.
Апробация результатов исследований. Результаты исследований и основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на международных и всероссийских научно-практических конференциях в Волгоградском ГАУ (г. Волгоград, 2004-2015); НижнеВолжском НИИ сельского хозяйства (г. Волгоград, 2006); Саратовском региональном институте повышения квалификации специалистов АПК (г. Саратов, 2006 г.); Российском НИИ проблем мелиорации (г. Новочеркасск, 2006); Прикаспийском НИИ аридного земледелия (с. Соленое Займище, 2007-2015); Мещерском филиале ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова (г. Рязань, 2008); Поволжском НИИ эколого-мелиоративных технологий (г. Волгоград, 2010); Горском ГАУ (г. Владикавказ, 2012); ВНИИ «Радуга» (г. Коломна, 2012); Башкирском ГАУ (г. Уфа, 2012); Дагестанском ГАУ (г. Махачкала, 2012); Елецком госуниверситете (г. Елец, 2012); Московском государственном университете природообустройства (г. Москва, 2012); Курганской ГСХА (г. Курган, 2012); Алтайском ГАУ (г. Барнаул, 2013); Новочеркасской ГМА (г. Новочеркасск, 2013); Государственном аграрном университете Молдовы (г. Кишинев, 2013); Саратовском НИИ сельского хозяйства Юго-Востока (г. Саратов, 2012, 2014).
Выполненные по материалам диссертационной работы разработки, дважды (2012, 2015) экспонировались на Всероссийской агропромышленной выставке «Золотая осень», где были удостоены золотой и серебряной медалей.
Публикации результатов исследований. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 93 печатных работах, в том числе 20 работ в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, получено 10 патентов РФ на изобретение, 63 работы опубликованы в других журналах, сборниках научных трудов, материалах конференций, в том числе 5 работ в зарубежных изданиях. Общий объем публикаций составляет 36,4 п.л., в том числе авторских – 17,2 п.л.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 8 глав, заключения, списка использованной литературы. Содержание изложено на 404 страницах компьютерного текста и включает 55 таблиц, 154 рисунка и 7 приложений. Список использованной литературы включает 362 источника, в том числе 23 работы иностранных авторов.
Личный вклад соискателя состоит в личном участии в разработке программы исследований, постановке цели и задач исследований, планировании экспериментов и участии на всех этапах их проведения, формулировании основных положений, выводов и рекомендаций.
Автор выражает искреннюю глубокую благодарность своему научному кон
сультанту, доктору сельскохозяйственных наук, профессору, члену-
корреспонденту РАН Овчинникову Алексею Семеновичу, а также многим
коллегам, работникам Волгоградского ГАУ и Волгоградского филиала
ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова, за ценные советы и помощь, оказанную при под
готовке настоящей работы.