Полив является процессом, обеспечивающим растение одним из факторов жизни — водой. Интенсивность и длительность воздействия полива на растение и среду обитания зависят от количества поступающей на поле воды, способов и технологии водораспределения.

Перевод воды из состояния тока по водоводам и поверхности почвы в состояние почвенной и воздушной влажности осуществляется при каждом из способов орошения путем его дробления, рассредоточения во времени и пространстве. Достигаемая при этом степень его рассредоточения предопределяет интенсивность и длительность воздействия процесса орошения на растение, а также параметры всей оросительной системы.

Механизм дождевания заключается в дроблении струи на капли дождя, а затем частичном их испарении в воздухе, выпадении дождевого облака на листья и поверхность почвы вертикального просачивания в почву без накопления воды на поверхности.

Технологию дождевания, основанную на формировании неподвижного дождевого облака постоянной (истинной) интенсивности, можно рассматривать как попытку скопировать естественный довод (рис.1). Все остальные случаи представляют собой возможные варианты рассредоточения водного тока, соответствующего истинной интенсивности дождя, во времени и пространстве с целью малоинтенсивного равномерного распределения требуемого слоя дождя на орошаемой площади.

Длительность и место контактов поверхности орошаемого участка с искусственным дождем определенной интенсивности предопределяют возможные разновидности технологией водораспределения способом дождевания. При этом более сложные технологии с прерывистым дождеванием во времени, двойным угловым или фронтально-угловым перемещением дождевого облака в пространстве позволяют достичь максимального рассредоточения водного тока.  

Механизм увлажнения почвы при поверхностных поливах складывается из горизонтального перемещения воды по поверхности и вертикального просачивания в почву, предопределяя несколько отличных друг от друга технологий водораспределения, обусловленных местом и динамикой подачи воды в поливные элементы на протяжении полива.
Некоторое представление о возможных технологиях водораспределения по бороздам дают разработанные обобщенные графические характеристики взаимосвязей между элементами техники полива и показателями качества технологического процесса (циклограммы) для; основных случаев подачи воды в борозды [10] . Наибольшая степень рассредоточения водного тока при этом достигается за счет распределения его по фронту полива и по длине поливного элемента с использованием технических средств, перемещающих водовыпуски поперек или вдоль поливных борозд.

Рис. 1. Характерные случаи рассредоточения тока воды во времени и в пространстве в процессе искусственного дождевания при постоянном, переменном и цикличном расходах водораспределяющего устройства: U — интенсивность водоподачи, м³/с; Q, Qсp — расход, средний расход водораспределяющего устройства, м³/с; Т — продолжительность полива, с; h, hu — слой дождя, увлажняющий соответственно воздух и почву, м; β — величина испарения в процессе дождевания, в долях от водоподачи; τ, R — радиус действия дождевального аппарата (насадки) машины кругового действия, м; L — длина участка в направлении движения водораспределяющего устройства, м; υ и ν — линейная и угловая скорости перемещения водораспределяющего устройства, м/с, об/с; η — безразмерный коэффициент, учитывающий цикличность работы водораспределяющего устройства; α — угол сектора дождевания насадки (аппарата), n – число проходов и оборотов водораспределяющего устройства.

Характерные случаи контактов воды и почвы при локальном (внутрипочвенном и капельном) орошении, определяющие достигаемую степень рассредоточения тока воды, приведены на рис.2.

Величина удельной водоподачи при технологиях традиционных способов орошения, а следовательно, и степень рассредоточения водного тока колеблются в довольно широких пределах — от 5 до 500 л/с на 1 гектар. В этом отношении интересно сопоставить величину водопотребления сельскохозяйственных культур с величиной водоподачи при различной технике полива.

Отношение удельной водоподачи к величине водопотребления (принятого для расчета равным 0,5 л/с на 1 га) при дождевании изменяется от 10 до 320. Характерно, что для наиболее прогрессивной дождевальной техники это отношение не превышает 100, а при синхронно-импульсном дождевании и некоторых видах капельного орошения приближается к единице.
По сути дела, вся история развития ирригации и достигнутый прогресс в технике орошения неразрывно связаны с поисками и попытками качественно и рационально решить проблему рассредоточения тока воды и равномерного ее распределения на орошаемой площади. Основными направлениями решения этой проблемы являются:

• рационализация режимов орошения при существующих способах за счет все более дробного деления оросительной нормы на протяжении вегетационного периода;
• рационализация техники и технологии полива существующих способов за счет дробного деления и длительного внесения поливных норм;
• оптимизация параметров и совершенствование конструкций оросительной сети для обеспечения возможно полного по времени и эффективного ее использования;
• создание новых технических решений непрерывного на протяжении вегетации снабжения растений водой в соответствии с ходом их водопотребления.

Рис. 2. Характерные случаи контактов воды и почвы: — единичный контур увлажнения почвы и его расположение относительно дневной поверхности; b, h — размеры единичного контура соответственно по горизонтали и вертикали почвенного разреза; — эпюры динамики интенсивности водоподачи за время суток.

Если обратиться к истокам обоснования режимов орошения, то станет очевидным, что и величина поливной нормы и сроки проведения полива устанавливались из реально существующих социальных условий и возможностей техники того времени. При ручном труде не представлялось возможным, например, проводить частые поливы малыми нормами, что становится не только возможным, но и оправданным при автоматизации процесса полива. Фактом стало существенное, в 2 и более раз, уменьшение поливных норм при дождевании по сравнению с поверхностным поливом, хотя и в том и в другом случае исходным для их расчета является одно и то же известное уравнение, с не зависящими от техники полива параметрами.

При использовании технических средств непрерывного орошения поливная норма, или разовая водоподача, достигает своего предельно малого значения, приближаясь по своей величине к текущему водопотреблению растений.

Многообразие возможных решений по рассредоточению тока воды и снижению интенсивности воде додачи предопределяет необходимость их оптимизации. Критерием оптимальности, отражающим агробиологический аспект снижения интенсивности водоподачи, является урожай или его прирост на вариантах с различной ее величиной.

Влияние факторов жизни растений на урожай (или его прирост) в общем случае [6] может быть выражено зависимостью

где А — максимальный прирост урожая при оптимальном обеспечении всеми факторами; fi — относительная величина i-го фактора (отношение фактической его величины к оптимальной); n — число факторов, влияющих на урожай.

Многообразие факторов, влияющих на урожай, затрудняют непосредственное использование этой зависимости или других, аналогичных ей. Влияние же отдельного фактора, особенно находящегося в первом минимуме и наиболее существенно влияющего на урожай, можно оценить, условно принимая другие факторы неизменными

где – Ai — прирост (урожай) при оптимальном обеспечении i -м фактором.

За межполивной период и в процессе полива факторы изменяются в разной степени, оказывая различное воздействие на формирование урожая. Характерные изменения некоторых факторов (влажности воздуха и почвы) и их влияние на относительный урожай (прирост) за межполивной период показаны на рис.3.

Рис. 3. Характерные изменения факторов (влажности почвы,воздуха) в процессе полива и их воздействие на формирование урожая: fн, fк — относительное значение факторов соответственно в начале полива и в конце;   Fкр.н, Fкр.к — критические значения (начальное и конечное) факторов при которых прекращается прирост урожая; Fн, Fк — допустише значения фактора до полива и в конце полива.

Эффективность сокращения продолжительности межполивного периода может быть оценена сравнением приростов урожая при средних значениях фактора в процессе непрерюного орошения и за поливной цикл (поливной и межполивной периоды) непрерывно-го орошения.

После преобразования исходного выражения (2) и введения определенных допущений было установлено, что прирост урожая от влияния каждого из факторов при периодическом орошении, при прочих равных условиях всегда меньше прироста урожая при непрерывнном орошении:

где Уi пер — прирост урожая при среднем значении i -го фактора на протяжении поливного цикла при периодическом орошении; Уiн — прирост урожая при постоянном значении i — го фактора в процессе непрерывного орошения (численно, примерно, равного среднему значению этого фактора за период полива при периодическом орошении); εпер — относительное изменение i —го фактора за межполивной период; t — продолжительность межполивного периода.

Анализ выражения (3), отражающего количественную оценку перехода от периодического орошения к непрерывному, показывает, что разница между приростами урожая возрастает с увеличением межполивного периода пропорционально квадрату времени, т. к. εпер для конкретных условий является величиной практически постоянной.

Позволим себе ограничиться рассмотрением оценки влияния рассредоточения интенсивности водоподачи на размах одного фактора — влажности почвы — относительно ее оптимального значения и достигаемый при этом уровень урожайности.

Некоторые из возможных вариантов динамики влажности расчетного слоя почвы под воздействием процесса орошения с различной интенсивностью и длительностью водоподачи схематично представлены на рис. 4. Величина разовой водоподачи и размах (отклонение) влажности почвы от оптимального уровня тем больше, чем значительней продолжительность межполивного периода и интенсивность водоподачи

где m – часть поливной нормы, идущей на пополнение влагозапасов в почве, м³/га; Т – межполивной период, сут; Е – интенсивность эвапотранспирации за сутки (среднее значение за период Т, м³/(га*сут); U – интенсивность водоподачи за сутки, м³/(га*сут).

Из выражения (4) следует, что при интенсивности водоподачи, равной интенсивности эвапотранспирации, размах фактора становится равным нулю.

Исходя из уравнения (3), следует ожидать максимального прироста урожая именно в этом случаев, т.е. при непрерывном орошении.

Рис. 4. Размах и динамика изменения фактора (влажность расчетного слоя почвн) под воздействием процесса орошения с различной интенсивностью и длительностью водоподачи: FH, FK, Fo — начальное, конечное и onтимaльнoe значения фактора; Т — продолжительность периода; ε — суточная эвапотранспирация; m — разовая поливная норма: U — интенсивность водоподачи: 1 – U = 100•ε , m = T•ε; 2 – U = 10•ε, m = T•ε ; 3 – U = 100•ε, m = T•ε; 4 – U = 10•ε, m = 0,5Т•ε; 5 — U= 100•ε, m = 0,25•Tε; 6 – U =10•ε; m = 0,25T•ε; 7 – U =ε.

C учетом сказанного нами разработаны программы и алгоритм оценки влияния параметров рассредоточения интенсивности водоподачи на размах влажности почвы и достигаемый уровень урожайности.

Начальное fн и конечное fк относительное значения фактора при этом устанавливались из зависимостей:

где F_н — начальное значение влажности почвы до полива (допустимый нижний порог), %; F_нк — критическое значение влажности почвы, ведущее к угнетению и гибели растения, %; F_к — конечное значение влажности почвы (допустимый верхний предел), %; F_кк — конечное критическое значение влажности почвы, ведущее к угнетению и гибели растения,   F_о — оптимальное для растения значение влажности почвы, %.

На рис. 5 приведена номограмма, построенная на основе разработанного алгоритма для расчета уровня снижения урожая при отклонении от оптимальных параметров водоподачи в процессе орошения. При построении номограммы приняты определенные допущения (Fнк = 40 г, Fo = 80%, Fкк = 120 %) и ограничения (глубина почвенного слоя — от 0,4 до 1,2 м, пористость почвы — от 30 до 50 %).

В последние годы накоплен значительный экспериментальный материал, подтверждающий факт существенной прибавки урожая от уменьшения интенсивности (увеличения длительности) водоподачи при различных способах орошения.

При капельном орошении, по данным исследований [7] , оросительная норма была снижена на 40…60 % по сравнению с традиционным поверхностным орошением и дождеванием и получена соответственно прибавка урожая хлопчатника на 21 и 18 картофеля на 13 и 33, табака на 30 и 20, овощей на 117 и 107, винограда на 20 и 17, апельсинов на 61 и 15, яблок на 30 и 20%.
 
Синхронно-импульсное дождевание (по данным наших исследований [4, 5, 9], а также материалов Института физиологии растений АН ССХР, Института физиологии растений АН Молд ССР, Казахского НИИ водного хозяйства) позволило получить по сравнению с периодическим дождеванием урожай кормовой свеклы 830 против 594 ц/га, сахарной свеклы 450...540 против 360...420, ранней капусты 612 против 209, зеленого чайного листа 50,6 против 37,7 ц/га.

Рис. 5. Номограмма оценки влияния параметров рассредоточения интенсивности водоподачи на размах фактора влажности почвы и показатель снижения урожайности от оптимального уровня: I — Т, сут; 2 – Е, м³/га/Т•Е, м³/га; 4 — (1 – У/U)•0,5, м³/га; 5 — W•0,5 = T•E(1 – E/U)•0,5 м³/га; 6 — W•0,5•80/А•0,8; 7 – F1 = W•40/A•H•0,8•80; 8 – Fк = 80 + F/2; 9 – fк = 1 + (Fк – 80)/40; 8' – Fн = 80 – F/2; 9' – fн = (Fн – 40)/40; 10 — ∆f2/12 = 1 – У/Уотн
 
Обобщенные зависимости коэффициента снижения урожайности (I – Уi/Уmax) от коэффициента соответствия интенсивности водоподачи эвапотранспирации (I – ε/U), полученные на основе экспериментально установленных связей динамики водоподачи и урожая и многочисленных исследований (рис.6), позволяют утверждать, что при условии достаточного снабжения растений водой, т.е. при водоподаче, равной эвапотранспирации, максимальная урожайность достигается на вариантах с интенсивностью водоподачи, максимально приближенной к интенсивности эвапотранспирации, а снижение урожайности при отклонении параметров водоподачи от оптимальных колеблется в довольно широких пределах и достигает 30...50%. При этом следует оговориться, что не обобщались и не анализировались результаты исследований при наличии дефицита водопотребления.

Не ставя задачу дать качественный анализ результатов этих многочисленных исследований, хочется отметить четкую тенденцию снижения урожайности в экспериментах при увеличении поливных норм и интенсивности водоподачи в соответствии с приведенными выше теоретическими предпосылками.

В этом отношении особый интерес представляет анализ результата фундаментальных исследований [10, 11] , проведенных И.И.Суднициным и М.А.Сидоровой в лабораторных условиях на почвенных монолитах с кормовыми травами, которые показали, что ежесуточные поливы нормой 6 мм с интенсивностью 0,04 мм/мин дают возможность поддерживать в почве оптимальный уровень увлажнения (капиллярного давления) и обеспечивать максимальную урожайность (рис.7).

Все другие варианты, характеризующиеся увеличенными поливными нормами, в том числе и до 50 мм, а также более широким диапазоном уровней влажности и капиллярного давления в почве, приводили к снижению урожайности на всех без исключения культурах на 10...65 %. На вариантах опытов требуемый уровень влажности и капиллярного давления почв поддерживался импульсными дождевателями специальной конструкции.

Расчет прироста урожая по модели, предложенный Е.П.Галяминым [I] , так же показал (рис.8), что снижение урожая тем больше, чем продолжительнее при равенстве оросительной нормы межполивной период и больше величина поливной нормы.

Агробиологические аспекты рассредоточения тока воды при орошении не ограничиваются влиянием на урожай одного фактора — влажности почвы. Продолжительное воздействие на микроклимат и водный режим растения малоинтенсивного дождевания доказано и научно обосновано в ряде работ отечественных и зарубежных авторов [l, 3, 9] .

Рис. 6. Обобщенные зависимости коэффициента снижения урожайности (I – Уi/Уmax) от коэффицианта водоподачи и эвапотранспирации (I – ε/U): ♂ — вектор экспериментальной зависти снижения урожайности от превышения интенсивности водоподачи над водопотреблением сельскохозяйственных культур: @ — порядковый номер вектора; I-I3 — хлопок, ВНИИГиМ ТаджНИИЗ; 14-17 – томат, ВНИИГиМ ТаджНИИЗ; 18,19 — виноград, Апшер.ОИСМО; 20,21 — томат, Италия; 22 — персики, Италия; 23 – томат, Болгария; 24 — виноград, АзНИИГиМ; 25 — капуста, МГМИ; 26 — сах.свекла, КазНИИВХ; 27, 28 — капуста, МССР; 29-31 — капуста, Донец.ОБОПС; 32 — сл.перец, УкрНИИО; 33, 34 — сах.свекла, Ставропол. ОМС; 35 — мн.травы. Лухов.р-н, Моск.обл.; 36 — сах.свекла, Пензен.обл.; 37,38 — сах. свекла, КазНИИВХ; 39. 40 – капуста, Адлер.ОС НИИОХ; 41 — корм.свекла, с-з «Прут» МССР; 42,43 — яблони, с-з «Прут», МССР; 44, 45 — капуста, МГМИ; 46, 47 — чай, АзНИИГИ; 48,49 — сах.свекла, КазНИИВХ; 50 – яблони, ВНИИМиТП; 51,52 — яблони, КазНИИВХ; 53-56 — чай, АзНИИГиМ; 57 — огурцы, АзНИИГиМ; 58 — томат, АзНИИГиМ; 59,60 — сах.свела, КазНИИВХ; 61 – чай, ИФР АН СССР