Для роста и развития посевов необходимо поддерживать оптимальную влагообеспеченность корнеобитаемого слоя почвы. Недостаточное или избыточное количество влаги отрицательно сказывается на вегетативном процессе и как следствие на урожае. Поливы необходимо распределять так, чтобы обеспечивать растения влагой, когда они наиболее чувствительны к подсушиванию почвы.
Оптимизация использования водных ресурсов с применением компьютерных технологий является важнейшей тенденцией орошаемого земледелия. Автоматизация определения норм и сроков полива позволяет осуществлять дистанционное управление режимом орошения, повышая экономическую эффективность сельского хозяйства.
С данной целью в Агрофизическом институте сотрудниками сектора Мониторинг микроклимата разработан автоматизированный мобильный полевой агрометеорологический комплекс (АМПАК), который осуществляет сбор и обработку метеопараметров сельскохозяйственного поля с определенной культурой, рассчитывает в режиме реального времени водопотребление посевов (суммарное испарение) и определяет нормы и сроки полива. Собранная и обработанная информация передается по беспроводной сети на ПК, где с помощью клиентского приложения АМПАК можно посмотреть информацию о метеопараметрах исследуемого поля, данные о посевах с/х культуры, водопотребление и реальное суммарное испарение с поля в данный момент времени и за день. Данные отображаются в виде численных значений, графиков и гистограмм и накапливаются в базу данных за весь вегетационный период.
АМПАК предназначен для агрометеорологического мониторинга параметров микроклимата сельскохозяйственного поля с целью управления (нормирования) режимом орошения, и поэтому АМПАК необходимо размещать на каждом поле с конкретной культурой, у которой водопотребление связанно с ее биологическими особенностями.
Клиентское приложение АМПАК дает возможность управлять параметрами эксперимента и следить за изменениями метеопараметров и показателей режима орошения в течение дня.
АМПАК реализует алгоритм расчета биологического водопотребления исходя из потребностей роста и развития посевов. Исходной информацией для алгоритма являются метеопараметры собираемые АМПАКом на сельскохозяйственном поле: температура и относительная влажность воздуха, скорость ветра, атмосферное давление, температура и радиационный баланс подстилающей поверхности. А также информация о фенологическом развитии посева, которая заносится вручную: высота, сомкнутость покрова посевов, дата посадки.
Выходной информацией комплекса являются эталонная, потенциальная и реальная эвапотранспирация, а также норма полива и индекс водного стресса, который является индикатором полива.
Входные и выходные параметры накапливаются в базе данных с шагом в 20 минут за весь вегетационный период. Также там сохраняются и данные промежуточных расчетов, такие как: парциальное давление водяного пара, число Ричардсона, аэродинамическое сопротивление, скрытый (затраты тепла на испарение) и явный (турбулентный) потоки тепла.
Методика
Водопотребление — суммарный расход воды (транспирация + испарение почвой) за вегетационный период. Суммарное испарение (эвапотранспирация) делится на три типа:
Эталонная эвапотранспирация (ЕТо) — суммарное испарение с эталонной поверхности с оптимальным увлажнением почвы. В качестве эталона принята поверхность злаковой культуры, которая имеет высоту растений (hо) равную 0,12м, суммарный коэффициент сопротивления растительного покрова (rс) - 70с/м и альбедо - 0,23.
Потенциальная эвапотранспирация (ETp) — максимальное суммарное испарение с с/х поля определенной культуры с оптимальным увлажнением почвы при данных погодных условиях. Потенциальная эвапотранспирация определяется через эталонную эвапотранспирацию с учетом коэффициента развития сельскохозяйственной культуры (кс). Коэффициенты (кс) определяются экспериментально для различных сельскохозяйственных культур находящихся в оптимальных условиях. При этом вегетационный период данной культуры разделяется на временные промежутки: начальный, развития, средний и конечный. Этапы развития характеризуются высотой и проективным покрытием посевов.
Однако в реальных, засушливых условиях сельскохозяйственные культуры часто испытывают водные стрессы, что сказывается на их продукционном процессе. В этом случае реальное суммарное испарение будет отличаться от потенциального. Минимальный набор метеоданных сельскохозяйственного поля, собранных АМПАКом, позволяет определить реальную эвапотранспирацию (ETr), как остаточный член уравнения теплового энергетического баланса подстилающей поверхности. Разница между потенциальной и реальной эвапотранспирацией за сутки будет определять количество воды, которое необходимо для оптимального развития посева. А отношение потенциальной к эталонной эвапотранспираций можно определить как индекс водного стресса, который может быть индикатором полива. Время полива определяется предельным значением индекса водного стресса, причем каждый сорт различных культур имеет свой предел и определяется при экспериментальных исследованиях.