Режим капельного орошения томата при подогреве корнеобитаемого слоя почвы в защищенном грунте - Автореферат (Кештов А.Ш.)

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность исследований, сформулированы цель работы, научная новизна, практическая зна- чимость и представлены основные положения, выносимые на за-

щиту.

В первой главе «Современное состояние орошения овощ- ных культур в защищенном грунте» рассматриваются различные способы полива в закрытом грунте для получения высоких и га- рантированных урожаев овощных культур. Имеется множество способов стимулирования роста, регулирования ростового процес- са культур в закрытом грунте. Но как показал анализ литературных источников, влияние режимов капельного орошения при подогреве

грунта на урожайность гибридов томата в условиях малых теплиц изучено недостаточно.

Прогрев почвы в закрытом грунте при капельном орошении томата положительно отражается на реакции растений на действие различных физических и химических факторов. Система почвен- ного обогрева должна функционировать независимо от системы обогрева воздуха малой теплицы.

Для получения оптимального водно-воздушного режима почвы необходим капельный режим орошения томата. Большой вклад в исследование вопросов по мелиорации земель внесли А.Н. Костяков, Б.А. Шумаков, И.П. Айдаров, И.П. Кружилин, М.С. Гри- горов, А.И. Голованов, Б.С. Маслов и другие ученые.

Капельный режим орошения культур получил широкое раз- витие. Для условий выращивания овощных культур при режиме капельного орошения величину поливной нормы следует опреде- лять по зависимостям, установленным А.Д. Гумбаровым, Е.В. Куз- нецовым, И.С. Флюрце и сотрудниками ВНИИМиТП, которые учитывают подачу воды непосредственно в корневую систему рас- тений.

Проведенный  анализ  работ  по  режимам  капельного орошения сельскохозяйственных культур показал, что наибольшее внимание уделялось режимам орошения плодовых культур и виноградников. Анализ исследований по гидравлическому расчету показывает, что в основном все закономерности для расходов капельниц получены с учетом параметров поливной сети.

Установлено,  что  недостаточно  изучено  влияние температуры окружающей среды на гидравлические характеристики  и  геометрические  параметры  капельниц  в закрытом грунте.  Не  учитывается  изменение расхода капельниц при  повышении  температур  воды  от  18  до  35  0С  в  диапазоне низких напоров поливных трубопроводах от 1,0 до 3,0 м.

Выполненный анализ научных работ в области капельного орошения овощных культур и в частности капельного режима орошения гибридов томата в условиях малых теплиц позволил сформулировать задачи исследований:

1. Получить формулы для гидравлического расчета капель- ниц и поливных трубопроводов при низких напорах;

2. Получить формулы для расчета поливной нормы при ре- жиме капельного орошения с подогревом активного корнеобитае- мого слоя почвы;

3. Обосновать геометрические параметры экрана для сохра- нения тепла активного корнеобитаемого слоя почвы при режиме капельного орошения овощных культур в условиях малых теплиц;

4. Усовершенствовать конструкции капельниц для низких напоров в поливных трубопроводах при режиме капельного оро- шения овощных культур в условиях малых теплиц;

5. Разработать режим капельного орошения для получения качественных и высоких урожаев гибридов томата в условиях со- хранения тепла корнеобитаемого слоя почвы защищенного грунта;

6. Внедрить разработанную низконапорную систему капель- ного орошения в одном из фермерских хозяйств Кабардино- Балкарской  Республики  и  рассчитать  экономическую  эффектив-

ность.

Во второй главе «Гидравлические исследования и обосно- вание конструкций низконапорных капельниц» выполнено теоре- тическое обоснование режима орошения в защищенном грунте. Движение воды в поливных трубах (ПТ) подчиняется законам гид- равлики переменной массы жидкости, а подача расхода растениям

– законам истечения жидкости из малых отверстий большого со- противления.   Для равномерной подачи воды растениям томата необходимо иметь данные по расходным параметрам капельниц и потерям напора по длине ПТ. В качестве исходного уравнения для

определения указанных параметров служило уравнение гидравлики переменной массы жидкости Я.Т. Ненько:

g     d gp  idl  i f   g (V  u)dV ,        (1)

VdV    P          1

 

где V – средняя скорость потока в поливном трубопроводе с убы- вающим расходом, м/с; Ρ – гидродинамическое давление в ПТ, Па; l – длина участка трубопровода с переменной массой расхода по пути, м; if – гидравлический уклон; u – скорость отделяющегося потока, м/с (по А.Г. Назаряну, u = kV).

Из уравнения (1) получим уравнение для потерь напора:

1

h   2 ifdl  hl .   (2)

Уравнение (2) представим в виде дифференциального урав- нения, которое по виду представляет уравнение Дарси–Вейсбаха для вычисления потери напора в ПТ:

dhl = λ (Vx 2 / 2g D) dx,        (3)

где λ – коэффициент гидравлического трения в ПТ; Vx  – скорость потока в любом сечении х–х от начального сечения ПТ на расстоя- нии х, м/с.

Для равномерной раздачи расхода по пути из уравнения (3)

получим выражение для равномерной раздачи потока по пути ПТ:

2

 
h       l       ,      (4)

1          3  2 gDV1

Полученное уравнение использовали для исследования ко- эффициента гидравлического трения с раздачей расхода по пути при низких напорах.

При исследовании λн учитывалась температура воды в ПТ. Исследования проводились при изменении температуры от 18 до

40  0С.  При  гидравлическом  расчете  ПТ  необходимо  учитывать

режимы          движения       жидкости       при      вычислении   коэффициента гидравлического трения.  При изменении температуры воды от 18

до  22   0С      получено        для      λН    выражение        (5).       При     изменении температуры воды от 22 до 30 0С – выражение для λН (6).

н   0,1427 .            (5),

Re 0.24

н  0,1050 . (6)

Re 0.20

В третьей главе «Результаты экспериментальных исследо- ваний по обоснованию теплового и гидравлического режимов» приводятся исследования по обоснованию геометрических пара- метров экрана для сохранения тепла активного корнеобитаемого слоя овощных культур и гидравлические исследования капельниц.

Было выполнено обоснование конструкции системы подо- грева почвы с экраном в условиях защищенного грунта. В качестве теплоносителя использовалась вода. Вода в начале системы дово- дилась до температуры 80 оС.

Глубина прокладки труб для подогрева была принята из условия проникновения активной корневой системы растений то- мата в толщу грунта. Отопительные трубы укладывались соответ- ственно на глубине 0,40–0,45 м от поверхности почвы на экран. На рисунке 1 представлена совмещенная принципиальная схема подо- грева почвы с экраном и капельного орошения.

Система капельного орошения томатов в малой теплице включает: источник орошения; станцию очистки воды от наносов и улучшения качества воды при необходимости; подкачивающей насос; напорно-регулирующую ёмкость; участковые и поливные трубопроводы; капельницы. Система подогрева почвы в малой теплице состоит из следующих элементов: котел для подогрева теплоносителя; циркуляционный насос; трубы для подогрева поч- вы; экран; датчик температуры теплоносителя. Циркуляция воды, подогретой в водонагревательном котле, происходит естественным способом за счет перепада температур и разности отметок в проти- воположных концах системы.

 

1 – подкачивающий насос; 2 – напорная ёмкость; 3 – участковый трубо- провод; 4 – поливной трубопровод; 5 – подогрев почвы; 6 – циркуляци- онный насос; 7 – котёл для подогрева теплоносителя.

Рисунок 1 – Система отопления и капельного орошения малой теплицы:

 

Для обоснования основных параметров теплоносителя был выбран метод планирования эксперимента. Установлено, что основными факторами, влияющими на распространение температуры в грунте при внутрипочвенном подогреве теплицы, являются:  температура  теплоносителя,  Х1,  0С;  глубина  укладки

теплоносителя,  Х2,  см;  температура  воздуха  в  теплице,  Х3,  0С.

Температура теплоносителя устанавливалась в диапазоне 40–57 0С.

Среднее значение глубины укладки теплоносителя составляет 40 см. Опыт показал, что температура воздуха внутри теплицы находится в диапазоне 14–30 0С. Средняя величина температуры воздуха составляет 22 0С. Методом планирования эксперимента с использованием ЭВМ получены уравнения множественной регрессии для параметра оптимизации температуры теплоносителя на четырех глубинах (Т10, Т20, Т30, Т40), которые позволяют в зависимости от Х1; Х2; Х3 рассчитать параметры теплоносителя в начале системы отопления. По критерию Стьюдента при заданном уровне значимости  (=0,05) оценивалась значимость коэффициентов регрессии.

Для исследования распространения тепла от отопительных труб в почве было выполнено моделирование внутрипочвенного

подогрева на универсальном интеграторе ЭГДА – 9/60. Моделиро- валась схема подогрева для слоя активной корневой системы (ри- сунок 2). Результаты исследования физической модели по влиянию температуры теплоносителя на температуру слоя почвы по всей ширине при постоянной температуре воздуха 20 0С и L = 150 см приведены на рисунке 3. Аналогичные исследования на модели, но

с разными L даны в диссертации.

 

 

1 – поверхность почвы;

2 – отопительная труба;

3 – экран

Рисунок 2 – Схема подогрева активного корнеобитаемого слоя

почвы в закрытом грунте

 

 

 

 
Рисунок 3 – Влияние температуры теплоносителя на распространение тепла по слоям почвы при L = 150 см

 

 

Одним из основных параметров подогрева почвы в закрытом грунте является расстояние между отопительными трубами L и глубина закладки экрана. Исследовалось распространение тепла в почве с шагом через 25 \%, который соответствовал электрическому потенциалу с тем же шагом. Полученные кривые соответствуют линиям равных температур через каждые 25 \% в зависимости от разности между температурой трубы и температурой воздуха теп- лицы в данном сечении.

Моделировалась область грунта, расположенная между дву- мя смежными трубами на глубине tЭК = 0,4 м. Ввиду симметрично- сти  фрагмента,  физическая  модель  «виртуального  слоя  грунта»

была представлена одной его половиной из электропроводной бу- маги в масштабе 1:10. Расстояния между трубами в натурном экс- перименте были равны L = 3,50; 1,75; 1,25 м. Исследовались два варианта подогрева слоя почвы в закрытом грунте. Первый вари- ант был аналогичен второму за исключением отсутствия в первом варианте теплоизоляционного экрана.

При уменьшении L до 150 см равномерность распределения температур в межтрубном пространстве улучшается, особенно в слое 20 см, где наиболее развита корневая система. Для практиче- ских случаев можно рекомендовать следующую ширину экрана:

lЭК =tЭК =t,                                                      (8) где lЭК  – ширина экрана, м; tэк  и t – соответственно, глубины рас- положения экрана и отопительного трубопровода под поверхно- стью земли, м. Исследование показало, что не следует устраивать ширину экрана более 2 tэк.

При практическом использовании экрана под отопительными

трубами в условиях закрытого грунта установлено, что глубина установки отопительных труб не должна превышать 0,4 м.

Исследованы  гидравлические  характеристики  усовершен-

 

 
ствованных конструкций капельниц М1 – М3, которые создают стабильные расходы на выходе воды из отверстий (рисунок 4). Об- работка опытных данных позволила получить формулы (9) для вычисления расхода капельницы М1.

12

q,л/час

10

R2 = 0,9784

8

R2 = 0,9933

 

R2 = 0,9975

2

6

1          3

4          4          R2 = 0,9913

2

 

0

0        0,25      0,5      0,75        1        1,25      1,5      1,75        2        2,25

1-толщина шайбы t=1 см     2-толщина шайбы t=2см

3-толщина шайбы t=3см      4-толщина шайбы t=4см

Н,м

Рисунок 4 – Зависимость расхода капельницы М1 от напора

и толщины поролоновой шайбы над герметичной прокладкой

Аналогичные исследования по расходным характеристикам усовершенствованных конструкций капельниц М2 и М3 получены и представлены в работе.

Формулы для определения расхода капельниц при низких напорах в

ПТ:

q1 = 8,9673     Н2+17,517      Н+0,326;

q2 = 1,0851     Н2+3,6197      Н+0,2023;

 

q3 = 0,4157     Н2+2,7529      Н+0,1837;       (9)

 

q4 = 0,6386     Н2+1,2859      Н+0.0478,

 

где q – расход капельницы М1, л/час; Н – напор в поливном трубо- проводе, м.

В четвертой главе работы «Разработка режима капельного орошения томата и экономическая эффективность внедрения» целью было обоснование режима капельного орошения для получения гарантированного урожая гибридов томата Буран и Резисет в защищенном грунте.

На поливных трубопроводах устанавливаются усовершенствованные капельницы (М1, М2, М3). Были изучены водно-физические свойства почвы опытного участка закрытого грунта. Для обоснования капельного режима орошения томатов установлена  наименьшая  влагоемкость  (rнв),  которая  составила

30  \%.  Почва  участка  –  карбонатный  чернозем  с  плотностью

пахотного горизонта 1,1 т/м3.

Во  всех  вариантах  отопительные  трубы  были  на  глубине

0,4 м. Расстояние между ними было принято 1,5 м. Параметры глубины и расстояния между трубами были обоснованы выполненными исследованиями. Все исследования по вариантам проводились по единой методике. Отбор влажности производился по слоям почвы 0–0,1; 0,1–0,2; 0,2–0,3 м до полива и после полива в течение  2-х  суток  (в  конце  1  часа,  24  и  48  часа).  Проектную

урожайность томата оценивали по суммарному водопотреблению (Ев). Коэффициент водопотребления  Кв определялся для томата по затратам воды на формирование единицы урожая:

 

Кв =

М ,       (10)

У

где М – оросительная норма томата за вегетационный период.

При капельном режиме орошения в закрытом грунте вели- чину оросительной нормы можно определять в общем случае по выражению:

М = m·N + Т + О,                                       (11) где m – величина поливной нормы для данной культуры; N – коли- чество поливов; Т – транспирация влаги растениями; О – дренаж- ный отток за пределы массива орошения (О = 0).

Математическую обработку экспериментальных данных выполняли методом дисперсионного анализа. Экономическая оценка вариантов опыта проводилась в соответствии с требованиями методических рекомендаций по оценке эффективности инвестиционных проектов. Температура в почве в

период плодоношения во всех опытах была принята 17–18 0С и

поддерживалась по мере роста растений (таблица 1).

Таблица 1 – Принятый режим температуры и влажности воздуха для выращивания томата

 

п/

п

 

Показатели

До начала

плодоноше- ния

В период

плодоноше- ния

1

Температура воздуха в солнечные дни,

°С

21–22

23–25

2

Температура воздуха в пасмурные дни,

°С

19–20

21–25

3

Температура воздуха ночью, °С

16–17

17–18

4

Температура почвы, °С

18–20

17–18

5

Относительная влажность воздуха, \%

60–65

65–70

В период плодоношения температура воздуха была выше,

чем  почвы  на  3-5  0С.  Влажность  в  теплице  поддерживалась

стабильной и зависела от периода вегетации растений томатов. В зависимости от периода вегетации для всех вариантов полива был разработан режим орошения гибрида томата с подогревом почвы, который дан в таблице 2.

Были приняты варианты исследований:

– вариант № 1. Орошение осуществлялось капельницами типа М-1 и М-2, разработанными и усовершенствованными для использования в тепличном хозяйстве;

– вариант № 2. Орошение проводилось разбрызгивателями, установленными на конце шлангов. Интенсивность дождя была меньше, чем впитывающая способность почвы. На поверхности почвы не образовывалась корка после полива;

– вариант № 3. Полив осуществлялся с помощью шланга напуском по поверхности почвы (контроль);

– вариант № 4. Орошение проводилось капельницами типа

М-1 и М-2, разработанными и усовершенствованными для использования в тепличном хозяйстве без подогрева почвы.

Таблица 2 – Назначение сроков поливов

 

 

Условные световые периоды по меся- цам

 

 

Дол- гота дня, час

Часы солнеч- ного сияния,

\% от долготы дня

Средне- суточная сумма солнеч- ной ра- диации, ккал

 

Чис- ло по- ли- вов

 

По- лив- ная нор- ма, 2

л/м

 

инт Время для ервалов

полива, час

 

нача ло

 

оконча- ние

1. Февраль

10,13

36,2

96,4

5

 

 

8

8:00

16:30

2. Март

11,42

39,8

138,2

7

8:00

16:30

3. Апрель

13,00

45,3

178,6

11

7:50

18:10

4. Май

14,21

57,8

247,1

13

7:00

19:20

5. Июнь

15,04

59,7

277,4

16

6:30

20:00

6. Июль

14,35

71,2

319,7

17

6:30

19:40

Во всех опытах в фазах первого листа и пяти листьев была

произведена подкормка томатов макроэлементами. Число поливов, поливные и оросительные нормы приведены в таблице 3 за 2010 г.

Таблица 3 – Число поливов, поливные и оросительные нормы

 

 

Месяц

 

Число поливов

Поливная

норма, л/м2

Месячный

расход воды, л

 

Оросительная норма, л

Февраль

5

 

 

8

40

 

 

552

Март

7

56

Май

11

88

Апрель

13

104

Июнь

16

128

июль

17

136

 

Во всех вариантах оросительная норма была принята одинаковой – 552 л. Результаты исследований по режимам орошения в условиях закрытого грунта приведены в таблице 4, где дано сравнение по вариантам опытов 2010 г. для гибрида томата Буран относительно контроля.

Таблица 4 – Эффективность режимов орошения гибрида томата

Буран

 

Вари- анты опы- тов

Ороситель-

нная а

то орм в, мато

л/м2

 

Урожай томатов,

2

кг/м

Коэффи- циент во- допотреб- ления, л/кг

Эффек-

тивность режима орошения,

\%

Прибав- ка урожая

кг/м

\%

1п

 

 

 

552

23,6

23,4

35,4

8,3

5

4

2п

18,5

29,9

17,4

3,2

2

1

3п

15,3

36,2

4

20,2

27,4

24,3

4,9

3

2

 

 
НСР0,5 = 0,55 кг/м2

Из анализа урожайности и водопотребления томата (таблица

4)  установлено,  что  наиболее  эффективным  способом выращивания гибридов является капельный режим орошения при подогреве корнеобитаемого слоя почвы в малой теплице. При этом режиме орошения в 2010 г. получена урожайность 23,6 кг/м2. Валовый урожай гибрида томата Буран составил 4,72 т с орошаемой

площади теплицы. Затраты на выращивание томата составили 69,19 тыс. руб., стоимость валовой продукции – 245,44 тыс. руб.

Аналогичные            результаты     по        водопотреблению     и урожайности гибридов томата установлены за 2008–2009 гг.

Оценивался   вынос питательных  веществ          из        почвы гибридами томата (таблица 5).

Таблица 5 – Вынос питательных элементов томата (2010 г.)

 

 

Гибрид томата

Условия выращивания

Вынос на 10 кг плодов, г

N

P

K

Ca

Mg

Резисет

почва

25,4

12,8

47,4

41,6

6,2

Буран

почва

28,8

14,6

50,2

43,7

6,8

 

Из таблицы 5 можно установить: гибрид Буран более отзывчив к использованию удобрений для формирования урожая. Урожай гибрида Буран больше урожая Резисет при капельном режиме орошения в среднем на 12–18 \% в зависимости от года исследований.

Наиболее   эффективным   режимом   для   томата   является режим капельного орошения при подогреве корнеобитаемого слоя почвы  в  малой  теплице.  При  режиме  капельного  орошения  в

2010  г.  получена  максимальная  урожайность  гибрида  томата  –

23,6 кг/м2. Исследовали динамику влажности в активном корнеобитаемом слое почвы при режиме капельного орошения томата. Исследования выполнялись в лизиметре, где создавались условия, аналогичные условиям защищенного грунта. В конце 1,

24 и 48 часа исследовали влажность почвенного образца в лизиметре. Результаты исследований по распространению влаги внутри контуров увлажнения активного корнеобитаемого слоя почвы приведены на графике (рисунок 5). Влажность в конце 24 часа на глубине 0,35 м соответствует 70 \% НВ. В очаге контура влажность была 83–86 \% НВ. В конце 48 часа соответственно 60 \% НВ и 80 \% НВ. Из этого следует, что растения начинают испытывать недостаток влаги, и необходим очередной полив.

капельницей «М1» с расходом 4 л/час и температуре воды 18–22 0С, контур впитывания имеет форму трапеции. Диаметр очага увлажне- ния на поверхности почвы – 40–45 см и 10–15 см на глубине 40 см. В конце 48 часа диаметр увлажнения уменьшается и составляет на поверхности почвы 20–25 см и 10–20 см на глубине 30 см. Анало- гичные исследования выполнялись при поливе теплой водой. Рост

растений интенсивно протекает при температуре почвы 25 0С.

 

-30       -20       -10       0          10        20        30

0

 

 

h,см

 

10   95-98\%

20

 

30

 

40

 

 

85-92\%

 

75-82\%

 

50

h,см

 

Рисунок 5 – Влажность почвы после полива нормой 8 л/ч при температуре воды 18–22 0С в закрытом грунте

в конце 1 часа (в \% от НВ)

 

Надо отметить, что при поливе теплой водой происходит равномерное распределение влаги в почве под капельницей. В ре- зультате растения постоянно обеспечены продуктивной влагой.

Для учета влияния температуры воды в контурах увлажне- ния под капельницей нами предлагается ввести корректив, кото- рый бы учитывал изменение температуры воды на характер впи- тывания воды в почву.

Проведенные исследования по формированию контуров увлажнения с учетом изменения влажности в почве, времени пода- чи воды, межполивного периода позволили установить эмпириче- скую формулу поливной нормы:

mк  0,5· π·( Rк.2 +Rн12) H1r,        (12)

где mк  поливная норма при режиме капельного орошения с уче- том подогрева корнеобитаемого слоя почвы, л/растение; Rк ради- ус контура увлажнения на поверхности почвы, м; Rн1  радиус кон- тура увлажнения на расчетной глубине, м; H1  глубина распро- странения очага, м; r – влажность почвы на нижней границе очага увлажнения, \%.

Полученная зависимость (12) учитывает движение влаги от очага ПВ к очагу НВ и соответственно от границы НВ к границе контура увлажнения ИВ. При капельном режиме орошения томата в закрытом грунте теплой водой 25 0С получили эмпирическую формулу для поливной нормы:

mк  πRo2 H1 r,        (13)

где mк – поливная норма, л; Ro  радиус очага увлажнения, м; H1  глубина распространения очага, м; r – влажность при данной тем- пературе.

При поливе теплой водой величина поливной нормы мень- ше в среднем на 6 \% относительно нормы, полученной по формуле (12). Из экономического сравнения вариантов урожая гибридов томата установлено, что при исследованных способах орошения наиболее эффективным вариантом является режим капельного орошения.  Чистый  дисконтированный  доход  составляет  247,86 тыс. руб., а индекс доходности – 2,47.