Эффективность использования воды растениями

Эффективность использования воды растениями

Для оценки эффективности использования воды (ЭИВ) используют следующие показатели:

• ассимиляционно-транспирационное отношение (АТО), рассчитываемое как соотношение текущих значений интенсивности фотосинтеза и транспирации;

• продуктивность транспирации (ПТ), определяемая как сухая биомасса (вегетативная или хозяйственно-полезная), сформированная на единицу транспирируемой растением влаги. Данный показатель, в отличие от АТО, рассчитывается за достаточно длительный период (вплоть до полного периода вегетации) и более корректно характеризует ЭИВ, особенно это касается массы зерна (корне- и клубнеплодов и т. д.) на единицу транспирируемой воды;

• дискриминация углерода (A13C), предложенная в начале 1980-х гг. группой австралийских ученых для С3-растений, характеризует ATO на уровне отдельного листа. Оно позволяет интегрировать указанное соотношение на весь вегетационный период, косвенно характеризуя продуктивность транспирации. Метод основан на том, что при фотосинтезе происходит дискриминация поглощения более тяжелого (13C) изотопа углерода по сравнению с 12C, в результате чего соотношение 13C/12C в сухой массе оказывается ниже, чем в воздухе. Величина дискриминации 13C (Д) зависит от генотипа, она меньше, когда ATO выше (рис. 6.1).

Использование А13С в целях селекции, в частности пшеницы, определяется тем, в какой мере урожайность ограничена доступностью влаги, а также тем, на какую фазу развития приходится водный стресс.

Тот факт, что направление селекции на основе дискриминации 13C зависит от условий окружающей среды, можно рассматривать как недостаток данного метода. Другим недостатком является необходимость наличия специального оборудования — масс-спектрометра и, соответственно, высокая стоимость анализов (5—15 USD за образец). Кроме того, искомый метод не позволяет вычленить дыхательные потери CO2 и испарение воды из почвы, а также выяснить, что является причиной вариации ATO — изменение ИФ или устьичной проводимости. Параллельные измерения дискриминации изотопа кислорода (18O) могут помочь в решении ряда указанных проблем, так как содержание 18O в органическом материале листа непосредственно связано со скоростью испарения. Это объясняется тем, что вода в листе обогащается 18O в результате предпочтительного испарения легкого изотопа 16O в ходе процесса транспирации.

Таким образом, в основе всех отмеченных выше показателей ЭИВ находится сопряженность процессов газо- и влагообмена на разных уровнях организации растения.

Источник

Пути повышения эффективности использования воды растениями

Растения затрачивают на фотосинтез гораздо меньше воды, чем ее испаряется в результате транспирации и эвапорации. Следовательно, если снизить транспирацию и/или эвапорацию, то можно уменьшить водопотребление посевов без снижения накопления биомассы растениями. Более эффективное использование воды растениями достигается несколькими путями.

1. Повышение плодородия почвы. Если почва плодородная, то растение накапливает биомассу очень быстро, и за это время оно не успевает потерять много воды в результате транспирации. Например, в одном из опытов при выращивании картофеля без удобрений его урожайность составила 11,6 т/га, а коэффициент водопотребления составил 408; при выращивании картофеля с удобрениями его урожайность составила 24,5 т/га, а коэффициент водопотребления – 216, т.е. урожайность выросла более чем в 2 раза, а коэффициент водопотребления – уменьшился почти в 2 раза.

2. Применение антитранспирантов. Однако в этом случае следует иметь в виду, что антитранспиранты препятствуют не только выходу из листа водяных паров, но и попаданию внутрь листа СО₂, а следовательно – снижают фотосинтез. Поэтому антитранспиранты следует применять только тогда, когда вред от засухи превысит вред от снижения фотосинтеза.

3. Выращивание приспособленных к недостатку воды растений. Например, С4-растения поглощают достаточное количество СО₂ даже при полузакрытых устьицах, поэтому у них потери воды на транспирацию в 1,5-2 раза ниже, чем у С3-растений.

По способности приспосабливать водный обмен к колебаниям водоснабжения различают две группы наземных растений: пойкилогидрические и гомойгидрические.

1. Гигрофиты (тонколистные папоротники, некоторые фиалки и другие), произрастающие в условиях повышенной влажности и недостаточной освещенности. Теневыносливые гигрофиты, с почти всегда открытыми устьицами, имеют гидатоды, через которые выделяют избыток воды в капельножидком состоянии. Гигрофиты плохо переносят почвенную и воздушную засуху.

2. Мезофиты (лиственные деревья, лесные и луговые травы, большинство культурных растений) обитают в среде со средним уровнем обеспеченности водой и не имеют ясно выраженных приспособлений к избытку или недостатку воды.

3. Ксерофиты живут в местах с жарким и сухим климатом и приспособлены к перенесению атмосферной и почвенной засухи. Ксерофиты делят на следующие групп.

1)Растения, избегающие засухи (эфемеры). Эти растения обладают коротким вегетационным периодом, приурочивая весь жизненный цикл к периоду дождей и засуху переносят в форме семян.

2) Растения, запасающие влагу (ложные ксерофиты). К этой группе растений относятся суккуленты (кактусы и растения семейства толстянковых). Эти растения живут в районах, где засушливые периоды сменяются периодами дождей. Они имеют толстые и мясистые стебли. Листья часто редуцированы, вся поверхность растений покрыта толстым слоем кутикулы, что существенно снижает их транспирацию. Суккуленты обладают неглубокой, но широко распространяющейся корневой системой. Клетки корня характеризуются сравнительно низкой концентрацией клеточного сока. Вода, запасаемая в мясистых органах, тратится очень медленно.

Суккуленты обладают своеобразным обменом веществ. У них днем устьица закрыты, а ночью они открываются, что обеспечивает снижение расходования воды в процессе транспирации. Углекислый газ поступает через устьица ночью и усваивается с образованием органических кислот. В дневные часы углекислый газ вновь освобождается и используется в процессе фотосинтеза. Поэтому эти растения фотосинтезируют при закрытых днем устьицах. Растения этой группы не устойчивы к длительному водному стрессу

Определение нормы полива растений, показатели, используемые для определения этой нормы. Типы полива растений, их выбор в зависимости от типа возделываемой культуры, климатических условий, почв и уровня развития. Совершенствование средств влагообеспечения растений.

Наиболее радикальным способом борьбы с засухой является орошение. Однако для правильного применения этого приема, установления сроков и норм полива необходимы методы, позволяющие определять нуждаемость растений в воде. Это особенно важно потому, что как избыточное, так и недостаточное орошение не только не дает положительного эффекта, но может привести к отрицательным результатам. При избыточном орошении растение не успевает использовать даваемую ему воду. Избыток воды уплотняет, а иногда даже заболачивает почву и тем самым резко ухудшает снабжение корней кислородом. Часто наблюдается также засоление почвы. Вода, проникая в глубокие слои почвы, богатые солями, растворяет их, раствор солей поднимается вверх по капиллярам. Как следствие концентрация солей в пахотном горизонте растет. Большинство культурных растений очень чувствительно к концентрации солей. В результате из-за неправильного пользования поливной водой приходится забрасывать обширные пространства плодородных земель с дорогостоящими оросительными сооружениями. Недостаточные поливы также могут привести к нежелательным последствиям. При длительных межполивных периодах растения периодически попадают в условия засухи. Растения, получившие полив, развивают большую листовую поверхность и теряют значительное количество воды в процессе транспирации, вся их структура уклоняется в сторону большей влаголюбивости. Такие растения требуют больше влаги и при перерывах в водоснабжении страдают сильнее по сравнению с растениями, совсем не получившими полива. Таким образом, сроки и нормы полива (схема орошения) должны быть таковы, чтобы растения не испытывали недостатка в воде и в то же время чтобы они успевали израсходовать почти всю данную им за полив воду. Для правильного расчета общей поливной нормы предложены разные методы. Однако прежде всего нужно исходить из необходимости восполнить дефицит в воде, т. е. разницу между общим водопотреблением и естественными ресурсами влаги в данном районе. Водопотребление — это суммарный расход воды (транспирация + испарение почвой) за вегетационный период.

А.Н. Костяковым было предложено следующее уравнение для расчета нормы полива (М): М = Е — Ро — ΔW, где Е— общее водопотребление; Ро — количество осадков за вегетационный период; ΔW — используемые внутренние запасы влаги в почве за этот период. Величина Е меняется в зависимости от типа растений, фазы развития растения и условий выращивания. Так, по данным И.С. Шатилова, водопотребление озимой пшеницы за весь вегетационный период составляет 3786 м3/га. Однако оно колеблется в зависимости от фазы развития. Так, в период кущения водопотребление составило 340 м3/га, а в период выхода в трубку — 796 м3/га. Сообразно с этими колебаниями должны варьироваться и нормы орошения. Вместе с тем, как уже упоминалось, транспирационные коэффициенты, а следовательно, и водопотребление сильно меняются в зависимости от уровня питания. В этой связи внесение удобрений позволяет значительно более экономно расходовать оросительную воду. При этом надо учитывать, что особенно важно обеспечить растения водой в так называемые критические периоды. Схема орошения может быть заранее фиксирована только в тех районах, где осадков практически нет. В зоне неустойчивого увлажнения схема орошения должна изменяться в зависимости от метеорологических условий, а также от темпов роста растений. Наилучшие результаты дает определение сроков полива по физиологическому состоянию самого растительного организма (Н.С. Петинов). Для определения нуждаемости растений в воде могут быть использованы различные показатели:

1) содержание воды в листьях;

2) степень открытости устьиц;

3) интенсивность транспирации;

4) величина водного потенциала.

Особенно следует рекомендовать определение степени открытости устьиц методом инфильтрации. Этот метод основан на проникновении органических жидкостей (спирта, ксилола, бензола) и легко осуществим в полевых условиях. Для получения максимальной продуктивности растений устьица должны оставаться открытыми в течение всего дня. Хорошие результаты дает также определение потребности растений в воде по концентрации клеточного сока, которую можно определить с помощью рефрактометра. Надо учитывать, что орошение оказывает глубокое влияние не только на водный режим почвы, но и на приземный климат. С помощью орошения можно изменить микроклимат в сторону, благоприятную для растений. С этой точки зрения большое значение имеет введение освежительных поливов малыми нормами (дождевание). Эти поливы повышают влажность и снижают температуру приземного воздуха, что положительно влияет на растение. Применение орошения требует особенно тщательной регулировки питания растений.

Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Студалл.Орг (0.005 сек.)

Источник

19 Основные закономерности водопотребления растений

Основные закономерности водопотребления растений.

(Транспирация. Дыхание растений)

В основе расходования воды растительным организмом лежит физический процесс испарения – переход воды из жидкого состояния в парообразное, происходящий в результате соприкосновения органов растения с ненасыщенной водой атмосферой. Расходование воды растением регулируется целым рядом анатомических и физиологических механизмов. Термин «транспирация» введен для того, чтобы подчеркнуть отличие этого физиологического процесса от чисто физического испарения.

Транспирация и ее регулирование растением.

Одной из важных характеристик процесса является интенсивность транспирации – количество воды, испаряемое растением с единицы листовой поверхности в единицу времени. В некоторых случаях удобнее проводить расчет на единицу массы листьев. Для большинства сельскохозяйственных растений интенсивность транспирации составляет днем 15-250, а ночью 1-20 г/(мч).

Высокая интенсивность транспирации, которую К.А.Тимирязев называл «необходимым злом», обусловлена тем, что атмосфера характеризуется очень низкими значениями водного потенциала. Водный потенциал связан логарифмической зависимостью с относительной влажностью воздуха:

,

Рекомендуемые файлы

Где R- газовая постоянная; T- абсолютная температура; V- парциальный мольный объем; e – давление водяного пара в воздухе; e— давление водяного пара, насыщающего воздух при данной температуре.

Кутикулярная транспирация. С самого существования наземных растений возникла дилемма: ассимиляция СО из атмосферы требует интенсивного газообмена; предотвращение значительной потери воды возможно только при наличии хорошей изоляции от окружающего воздуха, имеющего крайне низкие значения водного потенциала. Главная проблема газообмена, как ее сформулировал О.Штоккер (1923), состоит в «лавировании между жаждой и голодом»

Поддержание водного гомеостаза листа достигается наличием покровной ткани – эпидермиса.

Снаружи эпидермис покрыт кутикулой, в состав которой входят кутин – полимерные эфиры оксимонокарбоновых кислот и пластинки воска.

Кутикулярное диффузное сопротивление в большинстве случаев очень велико. Оно зависит от толщины кутикулы, расположения, плотности и числа прослоек Кутина и воска. Кутикулярная защита от транспирации весьма эффективна. У взрослых листьев кутикулярная транспирация составляет 10-20% общего испарения воды.

Устьичная транспирация. Основной путь сообщения мезофилла листа с атмосферой – устьица. Процесс устьичной транспирации можно разделить на несколько этапов.

Первый этап – испарение воды с поверхности клеток в межклетники. Каждая клетка мезофилла хотя бы одной своей стороной граничит с межклеточным пространством. Необходимо отметить, что уже на этом этапе растение способно регулировать транспирацию. Уменьшение испарения достигается двумя механизмами. Первый обусловлен изменениями водоудерживающей способности цитоплазмы путем увеличения осмотического и коллоидного связывания воды, ее компартментации в отдельных органеллах клетки и снижения проницаемости мембран. Второй механизм связан с уменьшением оводненности клеточных стенок.

При снижении подачи воды корнем и увеличении водоудерживающей способности цитоплазмы клеток мезофилла клеточные стенки оказываются менее насыщенными водой, водные мениски в капиллярах между фибриллами становятся вогнутыми, что увеличивает силы поверхностного натяжения и затрудняет переход воды в парообразное состояние. Поэтому при открытых устьицах происходит снижение транспирации за счет уменьшения количества водяного пара в межклетниках. Это внеустьичный способ регулирования транспирации, который представляет несомненную выгоду для растения, так как позволяет снижать расход воды без ущерба для ассимиляции диоксида углерода.

Второй этап – выход паров воды из межклетников через устьичные щели. Число устьиц и их размещение сильно варьируют у разных видов растений. У большинства сельскохозяйственных растений устьица расположены в основном с нижней стороны листа. Это одно из приспособлений для снижения расходования воды.

Обычно устьица занимают 1-3% всей поверхности листа. Однако относительная транспирация, под которой понимают отношение испарения воды листом к испарению с такой же по величине свободной поверхности, составляет 0,5- 0,8 и может приближаться к единице. Высокая скорость диффузии через устьица объясняется тем, что испарение из ряда мелких отверстий происходит быстрее, чем из одного крупного той же площади. Это связано с повышенной краевой диффузией.

Транспирационный коэффициент и коэффициент водопотребления, зависимость от внутренних и внешних условий, способы их снижения.

Эффективность использования воды растением выражается рядом показателей. Количество созданного сухого вещества на 1 литр транспирированной воды характеризует продуктивность транспирации. В зависимости от условий выращивания и видовых особенностей растений она составляет 2-8, чаще 3-5 г/л. Величиной, обратной продуктивности транспирации, является транспирационный коэффициент, который показывает, сколько воды растение затрачивает на построение единицы массы сухого вещества. Транспирационные коэффициенты варьируют от 100 до 500.

Определить продуктивность транспирации или транспирационный коэффициент довольно сложно. Расчет потери воды на транспирацию за вегетационный период на основе данных об интенсивности транспирации по декадам или месяцам дает большую ошибку.

В полевых опытах и агрономической практике для оценки эффективности использования воды определяют коэффициент водопотребления (эватранспирационный), который рассчитывают как отношение эвапотранспирации к созданной биомассе. Под эватранспирацией понимают суммарный расход воды за вегетацию 1 га поверхности почвы (эвапорация) и транспирация.

Коэффициент водопотребления в значительной степени зависит от почвенно-климатических факторов. В засушливые годы он выше, чем в более влажные. Это объясняется тем, что в засушливых условиях усиление эвапотранспирации не сопровождается увеличением продуктивности растений, чаще она снижается, поэтому эффективность использования воды уменьшается.

Другим метеорологическим фактором, значительно влияющим на эффективность использования воды сельскохозяйственными растениями, является температура. С повышением температуры эвапотранспирация усиливается. Прохладный воздух снижает эвапотранспирацию, но у теплолюбивых культур вызывает также резкое подавление ассимиляционных процессов.

Мощным фактором снижения коэффициента водопотребления является повышение плодородия почвы. Снижение коэффициента водопотребления происходит не только при внесении удобрений, но и в случае любого изменения условий произрастания растений, сопровождающегося повышением урожая, в том числе и улучшения обеспечения их водой.

Водопотребление и урожайность связаны нелинейной зависимостью. При некотором достаточно высоком уровне урожайности ее рост уже не сопровождался повышением водопотребления, так как испарение в посеве или насаждении приближается к испарению со свободной водной поверхности.

Как оказалось, внешние условия не только регулируют степень открытости устьиц, но и оказывают влияние непосредственно на процесс транспирации. Зависимость интенсивности испарения от условий среды подчиняется уравнению Дальтона. Транспирация также подчиняется это формуле, правда, с отклонениями. Согласно уравнению Дальтона:

Где V- интенсивность испарения, количество воды, испарившейся с единицы поверхности; K- коэффициент диффузии; F- упругость паров воды, насыщающих данное пространство; f – упругость паров воды в окружающем пространстве при температуре испаряющейся поверхности; p- атмосферное давление в момент опыта.

Из приведенного уравнения видно, что испарение пропорционально разности (F-f), т.е. ненасыщенности атмосферы парами воды, или дефициту влажности. Чем больше дефицит влажности воздуха, тем ниже ее водный потенциал и тем быстрее будет испарение. Это в целом справедливо и для транспирации. Однако надо учесть, что при недостатке воды в листе вступает в силу устьичная и внеустьичная регулировка, благодаря чему влияние внешних условий сказывается в смягченном виде и транспирация начинает возрастать медленнее, чем это следовало бы, исходя из формулы дальтона. Несмотря на это, общая закономерность зависимости транспирации от насыщенности водой атмосферы остается справедливой. Чем меньше относительная влажность воздуха, тем выше интенсивность транспирации.

Сильное влияние на транспирацию оказывает свет. Если влияние влажности и температуры с большей силой сказывается на испарении со свободной водной поверхности, то свет сильнее влияет именно на транспирацию.

На интенсивность процесса транспирации оказывает влияние влажность почвы. С уменьшением влажности почвы транспирация уменьшается. Чем меньше воды в почве, тем меньше ее в растении. Уменьшение воды в растении автоматически снижает процесс транспирации в силу устьичной и внеустьичной регулировки.

Формула Дальтона выведена для спокойной погоды. Однако ветер, перемешивая слои воздуха, очень сильно увеличивает скорость испарения. Ветер оказывает влияние и на транспирацию, правда, по сравнению с испарением в несколько ослабленной форме. Поскольку ветер обычно не проникает внутрь листа, то под его влиянием возрастает в основном третий этап транспирации, т.е. перенос насыщенного водой воздуха от поверхности листа. В силу этого при ветре усиливается, прежде всего, кутикулярная транспирация. Большое действие ветер оказывает на транспирацию тех растений, где кутикула развита слабее. Сильнее на интенсивность транспирации сказываются суховеи. В этом случае ветер сгибает и разгибает листья и горячий воздух врывается в межклетники. Усиление транспирации уже на первом этапе.

Транспирация зависит от ряда внутренних факторов, прежде всего от содержания воды в листьях. Транспирация изменяется в зависимости от концентрации клеточного сока.

Транспирация изменяется в зависимости от величины листовой поверхности, а также при изменении соотношения корни/побеги. Чем больше развита листовая поверхность, больше побеги, тем значительнее общая потеря воды.

Интенсивность транспирации зависит и от фазы развития. С увеличением возраста растений транспирация падает.

Смена дня и ночи, изменение условий в течение суток наложили отпечаток и на процесс транспирации.

Поступление и передвижение воды по растению.

У вышедших на сушу растений должны были выработаться приспособления, позволяющие им обеспечить насыщенность клеток водой, восполнить ее потерю, вызванную испарением. Это было достигнуто различными путями. Такие растения, как лишайники, сохранили способность поглощать воду всей своей поверхностью, а при недостатке влаги впадать в состояние анабиоза. У высших растений в процессе эволюции появились специальные приспособления к поглощению воды наземные растения в основном поглощают воду из почвы. Однако некоторое количество воды может поступать из атмосферы. Есть даже растения, для которых атмосферная влага является основным источником. К таким растениям относят, прежде всего эпифиты, живущие на поверхности других растений, но не являющиеся паразитами. Эпифиты принадлежат к различным семействам, особенно много их в тропической флоре. Они обладают воздушными корнями, в которых имеется многослойная ткань, состоящая из полых клеток с тонкими стенками. Такое строение позволяет им поглощать как парообразную влагу, так и воду осадков, подобно губке. У некоторых эпифитов дождевая вода собирается листьями и затем поглощается с помощью волосков. Приспособления к сбору дождевой воды листьями имеются и у ряда других растений. Например, у некоторых представителей сем. Зонтичная вода собирается в листовых влагалищах. Сбор воды листьями имеет большое значение для растений засоленных почв, когда поступление воды из почвы затруднено. В определенных условиях у листьев всех растений проявляется способность использовать парообразную влагу.

от условысти испарения ия не только регулируют степень открытости устьиц, но и я их водой.ого изменения условий произрастания р

Таким образом, биологическое значение транспирации состоит в терморегуляции растения, в обеспечении деятельности верхнего концевого двигателя водного тока, при помощи которого осуществляется и поступление различных веществ, а также в регулировании насыщенности клеток водой, благодаря чему создаются оптимальные условия для процессов жизнедеятельности.

Источник

Эффективность и равномерность орошения. Эффективное использование воды в сельском хозяйстве

Суат Ирмак (Suat Irmak), профессор Отдела Extension Университета Небраски, специалист в области инжиниринга ирригационных систем и по вопросам почвенных и водных ресурсов Ламек О. Одхиамбо, исследователь ассистент-профессор Уильям Л. Кранц, специалист по орошению Отдела Extension Университета Небраски, доцент Декан Е. Эйзенхауэр, профессор Кафедра сельскохозяйственной инженерии и биологических систем

В этой статье описываются различные термины касательно эффективности орошения и использования воды при орошении урожая, оценки равномерности полива, и относящиеся к ирригационным системам и практическим методам, используемым в штате Небраска, других штатах, и по всему миру.
Определения и формулы, описываемые здесь, могут быть использованы сотрудниками агротехнических служб, персоналом ирригационных округов, университетами, персоналом федеральных агентств для оценки эффективности применения и/или поглощения урожаем оросительной воды, а также могут помочь найти более оптимальный способ использования водных ресурсов в сельском хозяйстве.
Поскольку водные ресурсы становятся все более дефицитными, большое внимание уделяется эффективному использованию оросительной воды для получения максимальной экономической выгоды и сохранения водных ресурсов. А это требует соответствующих методов измерения и оценки эффективности извлечения воды из источника для получения урожайности. Ненадлежащее применение орошения приводит к водному стрессу растений и уменьшению урожайности. Избыток орошения может привести к загрязнению водных ресурсов вследствие потери растениями питательных веществ через выщелачивание, водосток и эрозию почвы.

Методы эффективного использования
оросительной воды в штате Небраска варьируются. В местностях, где водные ресурсы ограничены, к использованию доступной воды относятся более внимательно. В то время как в районах с обильными водными ресурсами, вопросам сохранения воды уделяется меньше внимания и есть тенденция к чрезмерному орошению. На эффективность использования воды также влияет стоимость рабочей силы, доступность контролируемой воды, орошаемые культуры, тип ирригационной системы, характеристики почвы. Для описания эффективности применения и/или поглощения урожаем оросительной воды используются различные термины. Нередки случаи неправильного использования этих терминов, что может привести к неправильному пониманию эффективности работы ирригационной системы.
В штате Небраска орошается более 8,6 миллионов акров земли и примерно 80% дождевальным орошением (в основном, круговыми дождевальными системами), примерно 19% поверхностным орошением (в основном, бороздковым), и менее 1% микро-орошением (капельным орошением). На практике, почти невозможно донести каждую каплю оросительной воды до орошаемых культур вследствие потерь воды, происходящих на этапе между извлечением воды из источника и точкой полива.
Потери оросительной воды включают испарение распыляемых капель, забор воды сорняками, испарение с поверхности почвы, испарение из борозд, утечки в водопроводе, просачивание и испарение из оросительных каналов, поверхностный сток и потери на фильтрацию.
Объем каждого вида потерь зависит от характеристик и управления каждого типа ирригационной системы.
В штате Небраска основным полезным водопотреблением оросительной воды является соответствие потребностям суммарного испарения культур — эвапотранспирации (ET). Другим полезным водопотреблением является химигация. В некоторых районах выщелачивание соли из почвы также является полезным водопотреблением.

Вероятно, самым непродуктивным водопотреблением является испарение с поверхности воды и почвы, которое не влияет на увеличение урожайности сельскохозяйственных культур.
Эффективность орошения определяется тремя составляющими: (1) эффективность работы ирригационной системы, (2) равномерность полива, (3) реакция культур на орошение. Эти меры измерения эффективности орошения взаимосвязаны и варьируются во временных и пространственных масштабах. Пространственные измерения применимы в пределах одного поля, или, более масштабно, в пределах ирригационного округа или водосборного бассейна. Временные измерения могут изменяться от единичного ирригационного события до более длительного периода, например, части вегетационного периода, или периода в несколько лет.

Оценка эффективности работы ирригационной системы

определяется эффективностью физической системы и операционных решений по водообеспечению сельскохозяйственных культур из водного источника.
Для оценки эффективности работы ирригационной системы используются несколько терминов. Среди них эффективность водоподводящей системы, эффективность полива, эффективность влагоудерживающей способности почвы, эффективность орошения, общая эффективность орошения, эффективность полезного водопотребления.

Эффективность водоподводящей системы (Ec)

Оросительная вода обычно подается от водного источника на ферму или поле по естественным дренажным каналам, искусственным земляным или линейным каналам, или водопроводу. Для многих
водоподводящих систем характерны трансмиссионные потери, т.е. объем воды, поступившей на ферму или поле, обычно меньше, чем объем воды, направляемой из источника. Потери воды в водоподводящей системе включают потери воды на просачивание, утечки из каналов (функциональные или случайные), эвапорационные потери из канала, и утечки из водопровода.
Эффективность водоподводящей системы обычно определяется как соотношение объема оросительной воды, которая поступает на ферму или поле, и объема воды, извлекаемой из источника. И выражается формулой:

(1)

Эффективность водоподводящей системы также может применяться для оценки индивидуальных сегментов каналов или водопровода. Обычно, трансмиссионные потери водопровода значительно ниже в силу отсутствия эвапорации и потери воды на просачивание. В штате Небраска, оросительная вода часто подается из скважин на поле или по водопроводу.
Также распространена подача воды по открытым каналам, особенно в центральной и западной частях штата. Поскольку в закрытых/герметичных водоподводящих системах потери воды минимальны,эффективность водоподвода может достигать 100%.
Эффективность полива (Ea)
Эффективность полива (Ea) дает общее представление того, насколько хорошо ирригационная система выполняет свою основную функцию — поступление воды из водоподводящей системы к выращиваемым культурам. Основная задача — полив культур и сохранение в влаги в их корневой зоне для удовлетворения потребности культур в воде. Eа это измерение доли общего объема воды, поданной на ферму или поле, от объема воды, сохраненной в корневой системе для удовлетворения потребности суммарного испарения культур (эвапотранспирации (ЕТ)). Оно выражается формулой:

Потери воды при дождевальном орошении включают снос ветром и испарение капель в воздухе, испарение воды листьями, и с поверхности почвы. Потери воды на снос ветром — это вода, перемещаемая ветром из целевой области, а испарение капель — это потери воды, вызванные прямым испарением воды в процессе перемещения от форсунки до культур или поверхности почвы. Потери воды на снос ветром и испарение капель могут быть значительными, если в силу дизайна разбрызгивателя или давления в нем, процентное соотношение очень мелких капель высоко. В штате Небраска многие круговые дождевальные машины сконструированы для работы на капельных разбрызгивателях с низким давлением для орошения на минимальном расстоянии к лиственной кроне.
Поскольку скорость ветра снижается вблизи лиственной кроны, размещение разбрызгивателей с низким давлением непосредственно над лиственной кроной сокращает потери воды на снос ветром и капельное испарение. Потери воды через листву — это вода, которая впиталась листвой растений и испарилась через нее обратно в воздух. Когда вода достигает поверхность почвы, могут возникнуть потери на почвенное испарение поверхностный водосток или фильтрацию ниже уровня корневой зоны.
В Таблице 1 приведены результаты подсчета величины потерь воды при поливе, при использовании трех разных типов разбрызгивателей (с малым углом распыления, с насадкой спрей, и LEPA) на основании исследования, проведенного лабораторией Службы сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США (USDA ARS) в г. Бушленд, штат Техас.
Разбрызгиватели с малым углом распыления были размещены на верху подводящего трубопровода, разбрызгиватели-спреи на высоте в 1,5 м от лиственной кроны, система LEPA с насадками баблерами (bubbler) на расстоянии 0,3 м от земли.
Расчет потерь воды основан на поливной норме зрелой кукурузы в 1 дюйм ( 2,54 см) при минимальной скорости ветра.

Потери воды при поверхностном ( бороздковом) орошении включают поверхностный водосток, испарение воды в бороздовых каналах, испарение с поверхности почвы, и инфильтрацию ниже уровня корневой зоны. Поверхностный водосток может привести к существенным потерям воды, если возвратные воды не контролируется и не используется повторно. В случае сбора и повторного использования возвратных вод, объем оросительной воды, поступившей на ферму или поле ( ) должен быть скорректирован с учетом восстановленных возвратных вод нетто. В штате Небраска фермеры обычно блокируют нижний конец борозды для предотвращения поверхностного водостока. Однако, блокирование концов борозды, может привести к неравномерному распределению воды и чрезмерной глубокой фильтрации на обоих концах поля. На Рисунке 1 показаны примеры инфильтрации при традиционном бороздковом поливе и поливе с блокировкой конца борозды. На эффективность бороздкового полива влияют практика использования, ширина потока, характеристики почвы, и уклон поля.
Стандартная практика подразумевает поддержание постоянного потока в течение заданного времени полива. Некоторые фермеры применяют бороздковое орошение всплескиваемым потоком для уменьшения проникновения воды в глубокие слои почвы и улучшения инфильтрации по всей длине борозды.
При бороздковом орошении всплескиваемым потоком вода периодически подается в борозды, что обычно уменьшает поверхностный сток и делает длительность затопления более равномерной по всей длине борозды.
По причине потерь воды при поливе, эффективность полива всегда меньше 100 %.

Таким образом, оба показателя: эффективности полива и равномерности полива, являются индикатором более хорошей общей эффективности ирригационной системы. Следует учитывать, что показатели «потенциальной» эффективности использования в Таблице 2 сильно зависимы от способа управления ирригационной системой (например, подповерхностный капельный полив, который обладает самой высокой «потенциальной» эффективностью, может иметь более низкий показатель эффективности, чем другие способы орошения, при плохом управлении).

Показатели эффективности в Таблице 2 также сильно зависят от типа почвы, уклона, стадии роста культур, пропускной способности системы, и других управленческих факторов, а также особенностей поля и типа орошения. Таким образом, для одного и того же типа орошения, эти показатели могут существенно варьироваться в зависимости от поля или местности.
Надлежащее управление орошением может увеличить эффективность полива, а ненадлежащее управление орошением может привести к неэффективному использованию воды и уменьшению показателей эффективности полива. Чрезмерное орошение может привести в просачиванию химикатов в грунт ниже уровня корневой зоны, сокращению урожайности, и, в конце концов, к нерациональному использованию водных ресурсов. Неверный расчет интервалов между поливами и ненадлежащее применение орошения, не соответствующее потребностям культур в воде, может вызвать стресс у культур, снизить объем и качество урожая.
Для расчета эффективности полива и других показателей эффективности необходимы измерения запасов почвенной влаги в корневой зоне, для которых необходимо измерение содержания воды в почве. Существует множество способов определения содержания воды в почве и использования воды с/х культурами, которые изложены других публикациях Отдела Extension Университета Небраски (например, ЕС 783, Применение сенсоров Watermark для определения потенциала почвенной влаги для управления системой орошения; G1579, Использование датчиков Atmometers (ETgage) для управления системой орошения; EC709, Планирование орошения: Балансовый метод; G1994, Расчет суммарного испарения культур из ориентировочного суммарного испарения и коэффициентов культур). Для расчета эффективности орошения, концентрация воды в почве далее выражается как эквивалентная глубина.
Производители штата Небраска все больше используют приборы для измерения уровня влаги в почве для управления системой орошения. Эти датчики также могут быть использованы для определения объема воды, внесенного в почву в процессе орошения.

Эффективность влагоудерживающей способности почвы (Es)

Основная цель орошения, в большинстве случаев, повысить запасы почвенной влаги в корневой зоне для удовлетворения эвапотранспирационной потребности культур при минимизации процессов глубокой фильтрации и поверхностного стока.
Эффективность влагоудерживающей способности почвы показывает, насколько эффективно система использует способность почвы удерживать влагу в корневой зоне для удовлетворения потребностей в ней культур. Таким образом, в большинстве случаев, увеличение запасов почвенной влаги с помощью орошения является полезным. Эффективность влагоудерживающей способности (Es) определяется как соотношение объема воды, удерживаемой в корневой зоне, к объему воды, необходимому для увеличения влаги в корневой системе до уровня полевой влагоемкости почвы. И выражается формулой:

Максимальное количество воды, которое должно быть внесено для достижения максимально высокого показателя Е за единичный полив — это разность между полевой влагоемкостью почвы и средней концентрацией воды в почве в корневой зоне до единичного полива. Высокий показатель Es означает, что орошение увеличивает содержание воды в корневой зоне почвы до уровня полевой влагоемкости, но не приводит к глубокой фильтрации. В большинстве случаев, не рекомендуется насыщать водой профиль почвы до уровня полевой влагоемкости, оставляя некоторый влагоудерживающий потенциал на случай осадков.

Таким образом, насыщение почвы влагой до уровня 90 % от полевой влагоемкости почвы может быть хорошей стратегией. Дождевальные и микро-ирригационные системы обычно просто поддерживают необходимый уровень влаги в почве для удовлетворения потребностей культур в воде (ЕТ), не заполняя корневую зону почвы. При бороздковом поливе обычно орошение происходит через одну борозду для увеличения влагоемкости в корневой зоне на случай осадков. В таких случаях, использование показателя Es бессмысленно, потому что для показателя Ea основной целью не является увеличение влагоемкости корневой зоны. В зависимости от типа почвы и других факторов, для целей управления орошением обычно используется средняя глубина корневой зоны в 36 дюймов (91,44 см) для сои и 48 дюймов (121,92 см) для кукурузы.

Эффективность орошения (Ei)

Иногда оросительная вода может использоваться на цели, отличные от простого удовлетворения потребности культур в воде (ЕТ). Другие виды полезного водопользования включают удаление солей (выщелачивание), контроля микроклимата (охлаждение испарением во время чрезмерной жары или защиты от замерзания), подготовка почвы к посадке, проращивание семян, смягчение почвенной корки при прорастании семян, и потребности растений 6 в воде, благоприятные для культур (ветрозащитные полосы или покровные культуры для садов). Вода также может быть использована для химигации. Когда в расчет берется не только вода для ЕТ, используется термин эффективность орошения ( Ei) для обозначения эффективности подачи ирригационной системой всей воды, полезно используемой для производства урожая. Эффективность орошения определяется как отношение полезно используемого объема воды к объему поданной оросительной воды.
И выражается формулой:

Потери воды, которые возникают в результате чрезмерной глубокой фильтрации, поверхностного стока, поглощения влаги сорняками, сноса ветром, и испарения капель от спреевого дождевателя обычно не рассматриваются как полезное водопотребление, и поэтому уменьшают эффективность орошения. При использовании эффективности орошения в качестве показателя эффективности основной проблемой является субъективность, возникающая при оценке параметра полезного водопотребления. Некоторые опытные поливальщики считают испарение капель от спреевого дождевателя полезным водопотреблением, поскольку испарение при дождевании охлаждает лиственную крону и частично компенсируется сокращением транспирации. Большинство ирригационных систем в штате Небраска используются преимущественно для удовлетворения суммарного испарения куль ЕтТур, что позволяет показателям эффективности полива (Ea) и эффективности орошения (Ei) быть взаимозаменяемыми. К другим факторам, влияющим на полезное водопотребление и, таким образом, на эффективность орошения, являются предписания местных служб контроля в области использования и охраны водных ресурсов и практикуемые фермерами стратегии управления орошением.
Общая эффективность орошения (Eo) представляет собой эффективность физической системы операционных решений по водообеспечению сельскохозяйственных культур из водного источника.
Она рассчитывается путем умножения значения эффективности водоподводящей системы на значение эффективности полива:

Eo = (Ec × Ea) x 100 (5)
Eo = общая эффективность орошения (%)
Ec = эффективность водоподводящей системы (десятичное )
Ea = эффективность полива (десятичное)

Эффективность полезного водопотребления (Ee) Повторное использование сточных вод уменьшает количество воды, качаемой насосом из источника, и увеличивает общую эффективность орошения. Эффективность полезного водопотребления (Ee) — это общая эффективность орошения с корректировкой на объем воды поверхностного стока и глубокую фильтрацию, который используется повторно или восстанавливается в водном источнике без ущерба качеству воды. И выражается формулой:
Eo = (Ec × Ea) x 100 (5)
Eo = общая эффективность орошения (%)
Ec = эффективность водоподводящей системы (десятичное )
Ea = эффективность полива (десятичное)
© Совет попечителей Университета Небраски. Все права защищены.
E (6) e = [Eo + (FR) × (1.0 – Eo)] x 100
FR= доля воды поверхностного стока, просачивания и/или глубокой фильтрации, которая восстановлена В некоторых районах, законодательство в области использования и охраны водных ресурсов запрещает допускать поверхностный водосток оросительной воды, качаемой насосом из грунтовых вод. Поэтому у производителей больше мотивации для повторного полезного использования стока оросительной воды.
Фермеры, не имеющие системы повторного использования, часто уменьшают поток воды в бороздах для минимизации стока. Несмотря на то, что такая техника может снизить объем стока, в итоге она приводит к неравномерному распределению воды и глубокой фильтрации. Другой способ уменьшить объем стока и при этом улучшить распределение воды, это орошение всплескиваемым потоком.
Блокировка одного конца борозды — еще один способ сокращения стока. Потери воды от сноса ветром, эвапорации и транспирации сорняками восстановить невозможно.

Оценка равномерности полива
Все ирригационные системы подают воду неравномерно в той или иной степени. Термин эффективность работы ирригационной системы описывался ранее и не имеет прямого отношения к равномерности или неравномерности полива на определенном поле. И все же, неравномерность полива может существенно влиять на характеристики орошения. Неравномерность полива приводит к тому, что некоторые участки испытывают дефицит влаги, а другие ее переизбыток. Выращиваемые культуры могут испытывать водный стресс на участках с дефицитом влаги и кислородный стресс на участках с переизбытком влаги. Чрезмерный полив также может привести к поверхностному стоку и/или выщелачиванию питательных веществ ниже уровня корневой зоны. Таким образом, на участках как с дефицитом влаги, так и с ее избытком, будет наблюдаться сокращение урожая. При благоприятных климатических условиях, оптимальный рост культур и урожайность достигаются при высокой равномерности полива, при которой каждое растение получает равные возможности для доступа к оросительной воде и питательным веществам.
Равномерность полива зависит от многих факторов, относящихся в способу орошения, топографии, характеристикам почвы (инфильтрации), давлению в ирригационной системе и скорости потока воды. Неравномерность полива дождевальных систем может быть вызвана рядом причин: (1) неправильный выбор диаметра водопроводной трубы (второстепенной-главной, коллекторов и подводящего трубопровода), (2) слишком высокое или низкое рабочее давление, (3) неправильный выбор головки дождевателя и форсунок, (4) неправильное перекрытие дождевателями площадей орошения, (5) влияние ветра на равномерность полива, (6) временной износ компонентов системы, например, лопастей насоса, регуляторов давления или форсунок, и (7) закупорка каналов форсунок.
Неравномерность поверхностного полива может быть вызвана: (i) различиями в интервалах между поливами, вызванными поступлением и спадом воды, (ii) пространственной изменчивостью свойств инфильтрации почвы, (iii) неравномерным уклоном бород. Неравномерность микро-полива может быть вызвана: (i) колебаниями давления, вызванными сопротивлением трению при забивке труб и топографическими особенностями почвы, (ii) изменениями гигроскопических свойств эмиттеров или точек выброса (от закупорки до других причин), (iii) различиями в увлажнении грунта от точек выброса, и (iv) различиями режимов внесения воды.
При любом методе орошения, неэффективное управление может привести к неравномерности полива.
В целом, расчет равномерности полива складывается из косвенных показателей. Например, предполагается что, равномерность воды, впитываемой почвой, связана с водой, собранной в емкости для сбора воды для дождевальных систем, со временем стояния воды в борозде и скоростью инфильтрации для систем с поверхностным поливом, и с выбросом эмиттера для систем микро-орошения.
Общие показатели равномерности полива для дождевальных, поверхностных и микро-оросительных систем описаны в следующем разделе.
Коэффициент равномерности распределения воды Кристиансена (Cu) для дождевальных систем Коэффициент равномерности распределения воды Кристиансена (Cu) обычно используется для описания равномерности распределения воды в отношении стационарных дождевальных систем орошения и основан на объеме собранной воды (или глубине):
Cu
= 100 [1 — (ΣXi — Xm) / ΣXi] (7)
= Коэффициент равномерности Кристиансена (%)
= средняя глубина воды всех емкостей для сбора (дюйм)
= знак суммы — сложения всех измеренных глубин (дюйм)
Метод измерения коэффициента Cu предполагает, что каждая емкость представляет глубину, примененную к равным участкам. Это не относится к данным, собранным от круговых дождевальных систем, когда емкости для сбора равно удаленны вдоль радиальной линии от центра пивота к внешнему концу.
В отношении круговых дождевальных систем важно скорректировать и оценить каждый показатель на основании участка, который он представляет.
Скорректированный коэффициент равномерности (Cu(a)) для круговых дождевальных систем Скорректированный коэффициент равномерности для круговых дождевальных систем отражает средние значения (взвешенные по площади) для емкостей для сбора, которые равномерно размещены и, таким образом, представляют неравнозначные участки земли:
Cu(a) = 100 <1-[(ΣSiVi – (ΣViSi/ΣSi)Σ)/Σ(ViSi)]>(8)
© Совет попечителей Университета Небраски. Все права защищены.
Cu(a) = Скорректированный коэффициент равномерности для круговых дождевальных систем (%)
Si = расстояние от пивота до равноудаленных контейнеров для сбора ith (футы)
Vi =о бъем собранной воды в контейнере ith (дюйм)
Равномерность распределения одной четверти (DU) для систем поверхностного орошения Термин равномерность распределения чаще используется для описания распределения оросительной воды на поле при поверхностном орошении, но также применим к дождевальным системам орошения и системам микро-орошения.
Равномерность распределения одной четвертой (DU) определяется как средняя глубина инфильтрации в одной четверти поля, поделенная на среднюю глубину инфильтрации всего поля. И выражается формулой:
D U = (Dlq / Dav) x 100 (9)
DU = равномерность распределения (%)
Dlq = средняя глубина инфильтрации в одной четверти поля (дюйм)
Dav = средняя глубина инфильтрации всего поля (дюйм) 8
Обычно, показатель DU основан на измерении после орошения глубины воды, которая фильтруется в почву, поскольку так ее легче измерить и она лучше отражает объем воды, доступный выращиваемым культурам. Однако, при измерении после орошения проникшей в почву воды для оценки показателя DU не учитывается вода, которая впиталась выращиваемыми культурами и испарилась, а также испарения воды из почвы, возникающее до проведения измерений. Любая вода, которая фильтруется ниже уровня корневой зоны или глубины отбора проб также не будет взята в расчет.
Низкое значение показателя DU ( Раздел Без рубрики

Источник