ASSESSMENT OF AGROMETEOROLOGICAL INDICATORS OF ATMOSPHERIC DROUGHTS AND YIELD OF GRAIN CROPS UNDER THE CHANGING CONDITIONS OF THE REGIONAL CLIMATE

Full Text

После сильной засухи в южной половине Приволжского Федерального округа в 2009 году и жестокой продолжительной засухи, охватившей обширную территорию всей европейской части России в 2010 году, проблема агрометеорологического мониторинга засухи и состояния сельскохозяйственных культур становится одной из наиболее актуальных в агрометеорологии, поскольку весьма высока вероятность сильных и очень сильных засух, вызывающих в ряде случаев катастрофическое снижение продуктивности сельскохозяйственных культур. Для Ульяновской области возможную угрозу в этом плане может представлять увеличение повторяемости засух - важнейшего природного фактора, влияющего на продуктивность экосистем и производство продовольствия, в последние годы побуждающего существенно корректировать традиционные системы земледелия [1, 2, 3, 4]. Наукой и практикой выработано немало способов борьбы с засушливыми явлениями. В частности к таковым можно отнести орошение, снегозадержание, кулисы, лесные полосы, пары и т.д. Однако агротехнические мероприятия решают в основном тактические задачи борьбы против этих явлений, а со стратегической, следовательно, с агрономической точки зрения наиболее предпочтительнее адаптация характера земледелия к конкретным условиям засушливости с учетом набора сельскохозяйственных культур, специализации сельскохозяйственного производства и т. д. Для решения этой задачи совершенно необходимо знание закономерностей формирования засушливых явлений - где, когда, в какой форме, с какой интенсивностью и вероятностью они наблюдаются [5, 6, 7, 8, 9, 10]. Цель исследований - обосновать применение на территории Ульяновской области засухоустойчивых, пригодных к местным условиям, сортов и технологий их возделывания. Задачи исследований - провести анализ изменения климатических условий, оценить агрометеорологические показатели атмосферных засух и урожайности зерновых культур в изменяющихся условиях регионального климата, выдать рекомендации по корректировке технологии их возделывания. Материалы и методы исследований. Материалом для анализа послужили данные по изменению климата за 1961-2018 гг. в Ульяновской области. Сведения о температуре воздуха и атмосферных осадках использовались из архива отдела агрометеорологических прогнозов Ульяновского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. В качестве информационной основы использованы статистические материалы и результаты исследований развития агропромышленного производства региона, а также Департамента сельского хозяйства Ульяновской области [11, 12]. Для обработки анализа исходных данных использовались такие методы как сравнение, анализ и обобщение данных. Оценки региональных изменений климата получены с использованием апробированных статистических методов, корреляционного и тренд-анализа. Достоверность результатов оценивалась с помощью критериев Фишера и Стьюдента [13]. Подготовлен подробный обзор, и проведен анализ агрометеорологических данных за последние 58 лет (1961-2019 гг.) на территории Ульяновского НИИСХ. Расчеты выполнялись на основании среднемесячных значений температуры воздуха и месячных сумм осадков. Для поставленной задачи рассчитывался также гидротермический коэффициент Селянинова (ГТК). Помимо метеорологических данных для анализа привлекались временные ряды урожайности зерновых культур Ульяновской области УНИИСХ. Результаты исследований. Климат за последние десятилетия заметно изменился как на глобальном, так и на региональном уровне, при этом в последние десятилетия наблюдется наиболее активная фаза потепления. Благодаря парниковому эффекту средняя глобальная температура воздуха у поверхности Земли повысилась за последнее столетие на 0,74°С [7, 14]. Аналогичная ситуация сложилась и на территории Ульяновской области. Как видно на рисунке 1, наклон тренда положительный и величина R2 показывает, что вклад линейного тренда в общую изменчивость температуры довольно значительный и составляет 0,2896. В пределах района среднегодовая температура воздуха составляет за 1961-2018 гг. 4,6°С (максимальная 6,6°С - 2008, 2016 гг., минимальная 0,4°С -1969 г.). Повышение температуры за 1961-2018 гг. составляет 2,3°С. Рис. 1. Динамика средней годовой температуры воздуха за 1961-2018 гг. Учитывая тот факт, что для всех возделываемых культур влага является фактором, определяющим размер урожая, по данным анализа на территории региона за год выпадает в среднем 455 мм осадков, из них 241 мм за апрель-октябрь. Это те нормативные данные влаги, при которых создаются оптимальные условия для получения высоких урожаев в сочетании с благоприятным температурным режимом. Увеличение количества осадков за период исследований составляет 131 мм (рис. 2). Рис. 2. Межгодовая изменчивость сумм осадков за период 1961-2018 гг. Однако, они неравномерны и во времени, и по территории и в отдельные годы варьируют от 224 мм (1975 г.) до 654 (1990 г.) мм, также за один месяц, как например в июле 1979 года выпадало 175 мм осадков - это 44% годовой нормы, и, наоборот, случается, как показал 2010 год, что осадков не выпадает в течение 2-3 месяцев, и создаются условия для содействия развитию устойчивой засухи (табл. 1). Таблица 1 Количественная оценка повторяемости типов засухи в сравнении с агроклиматическими показателями и урожайностью зерновых культур Год ГТК Сумма осадков мм Характер засухи Урожайность зерновых культур Среднесуточная температура за май-август за год апрель-август по области УНИИСХ 1 2 3 4 5 6 7 8 1961 1,1 462 268 8,8 17,9 18,6 1962 1,9 555 404 11,4 20,6 17,8 1963 1,2 436 259 9,0 19,4 17,0 1964 1,1 402 249 10,2 18,5 16,6 1965 0,9 352 191 10,0 23,5 16,1 1966 1,1 474 282 10,7 20,9 18,7 1967 0,7 408 191 весенне-летняя 12,5 26,3 19,8 1968 1,1 411 237 14,8 30,3 16,7 1969 0,9 341 154 19,0 31,6 13,6 1970 0,9 410 232 16,7 28,6 16,4 1971 1,1 365 207 14,8 25,2 16,0 1972 0,2 268 80 устойчивая 10,3 23,4 19,7 1973 1,1 408 228 24,5 36,3 16,0 1974 1,0 326 238 17,3 36,3 16,5 1975 0,8 231 108,1 устойчивая 10,1 23,3 18,0 1976 1,3 373 257 19,5 43,6 15,8 1977 0,8 398 203 весенняя 13,9 30,9 17,9 1978 1,9 641 365 19,5 39,1 14,9 1979 1,0 465 262 11,8 35,7 16,4 1980 1,2 484 288 15,1 38,1 15,8 1981 0,3 306 86 устойчивая 8,3 17,8 19,2 1982 1,3 525 297 19,9 42,3 16,3 1983 1,5 473 317 19,7 34,6 14,8 1984 1,0 366 225 9,7 24,7 18,5 1985 1,0 531 254 17,1 42,2 17,2 1986 0,7 345 149 весенне-летняя 18,3 33,4 16,8 1987 1,2 572 294 17,0 34,1 17,8 1988 0,9 449 279 17,2 33,8 19,0 1989 1,0 614 373 17,5 27,1 17,8 1990 1,7 655 349 21,6 40,3 15,5 1991 0,9 412 285 14,1 29,9 18,1 1992 0,6 356 158 летняя 22,8 35,4 16,0 1993 1,6 582 303 18,1 38,0 16,6 1994 1,1 459 312 19,0 33,4 15,1 1995 0,5 339 140 устойчивая 8,9 15,8 18,7 1996 1,1 379 228 17,1 33,9 18,0 1997 1,1 511 262 18,5 35,4 16,2 1998 0,5 337 153 устойчивая 5,3 10,3 18,4 1999 1,6 595 335 11,6 24,5 16,8 2000 1,4 466 266 14,6 29,0 17,2 2001 0,7 464 178 летне-осенняя 17,7 27,4 17,8 2002 0,5 438 162 летняя 17,7 29,0 16,0 2003 1,3 382 243 15,8 27,5 16,9 2004 1,5 624 316 14,9 24,5 18,3 2005 1,0 438 254 весенняя 14,8 27,4 17,8 2006 1,1 471 272 16,3 31,7 17,3 2007 1,2 535 258 17,0 32,5 18,9 2008 1,1 393 183 весенняя 19,9 38,7 17,6 2009 0,8 325 198 летне-осенняя 19,9 40,1 18,0 2010 0,3 468 77 устойчивая 8,5 18,2 21,0 2011 0,9 609 254 24,8 35,3 19,1 2012 1,0 631 346 весенняя 15,0 23,7 20,4 Окончание табл. 1 1 2 3 4 5 6 7 8 2013 0,9 530 268 20,9 33,3 20,2 2014 0,6 419 180 осенняя 21,4 38,2 18,9 2015 0,7 570 244 весенне-осенняя 17,4 31,1 19,9 2016 0,6 604 211 летняя 24,5 32,1 20,7 2017 1,5 664 376 29,5 35,6 17,8 2018 0,4 455 193 весенне-осенняя 21,3 27,3 19,6 2019 0,9 234 летняя, осенняя 20,2 22,3 19,1 Среднее 0,9 458 240 15,7 31,2 18,5 За последние 58 лет на территории области наблюдался всего двадцать один засушливый год, из них пять с весенней засухой (1977, 2000, 2005, 2008, 2012 гг.), два - с весенне-летней (1967, 1986 гг.), 1992, 2002, 2016 годы - с летней засухой, три (2001, 2009, 2019 гг.) - с летне-осенней, два - с весеннее-осенней (2015, 2018 гг.) и шесть (1972, 1975, 1981, 1995, 1998, 2010 гг.) - с разной по интенсивности устойчивой засухой (табл. 1). Анализ указанного промежутка времени показывает, что через каждые 9 лет наблюдается устойчивая засуха. В эти годы за вегетационный период (апрель-август) выпадает от 80 до 150 мм осадков (из них 60-70 мм в августе), ГТК колеблется от 0,3 до 0,5-0,8 и, соответственно, урожайность зерновых по области составляет 5-10 ц/га. Средняя температура за май-август фиксируется 17,2°С. В засушливые годы данное значение колеблется от 18°С до 20°С, и в 2010 году средняя температура за эти месяцы повышалась до 21°С. Средняя урожайность зерновых по области составляет 16,1 ц/га. Максимальное количество урожая по области (29,8 ц/га) собрали в 2017 году. Значительная часть осадков выпала осенью и зимой 2016 года, насытив почву влагой, весной и летом создались благоприятные условия для всходов яровых культур и развития озимых растений. Далее ежемесячные осадки, в количестве 20-30 мм, поддерживали оптимальные условия для налива зерна, а также складывались хорошие условия для их уборки. Температурный режим был умеренно пониженным. Для оценки степени увлажнения и засушливости вегетационного периода широкое применение получил индекс Г. Т. Селянинова, который вычисляется по формуле: , где ∑ Р - сумма осадков, мм; - сумма среднесуточных температур за период с Т≥10ºС, ºС. Агроклиматические исследования Г. Т. Селянинова по связи между ГТК и урожайностью зерновых культур показали, что максимальному урожаю соответствует ГТК, равный 1,2. При ГТК<1,2 урожаи снижаются из-за развития засушливых явлений, а при ГТК>1,2 урожаи уменьшаются от переувлажнения [1]. Гидротермический коэффициент Селянинова является условным выражением баланса влаги и определяет отношение прихода влаги к ее расходу. ГТК более 1,0 характеризует увлажнение сельскохозяйственных культур, ГТК ниже 1,0 свидетельствует о недостаточной увлажненности вегетационного периода, ГТК ниже 0,5 соответствует резкому недостатку осадков. Сравнивая ГТК, количество выпавших осадков, и урожайность, засушливая погода, аналогичная 2010 году, наблюдалась в 1972 и 1981 годах. Для оценки влагообеспеченности авторы [8, 14] предлагают использовать ГТК как наиболее оптимальный показатель. Авторы, обобщив многолетний опыт использования показателя ГТК, предложили следующую шкалу классификации уровней влагообеспеченности по значениям ГТК. Приведем эту шкалу в таблице 2 с распределением в ней повторяемости ГТК, рассчитанных за вегетационный период для Ульяновской области по годам в период 1961-2019 гг. Достаточная влагообеспеченность из всего 58-летнего периода наблюдалась 18 раз (31%), неблагоприятные условия по влагообеспеченности наблюдались большее число лет (табл. 2). Засушливые условия формировались 13 раз (22%), что согласуется с данными работ [7, 8], по которым в последние десятилетия во внетропических широтах отмечается повышенная вероятность экстремальных антициклонов, что увеличивает риск таких неблагоприятных последствий как засухи летом и экстремальные морозы зимой. Таблица 2 Повторяемость ГТК по области в период 1961-2019 гг. (согласно классификации авторов [3]) ГТК Характер влагообеспеченности Количество лет % >1,5 Избыточная 5 9 1,5-1,41 Повышенная 4 7 1,40-1,11 Достаточная (оптимальная) 18 31 1,10-0,76 Недостаточная 18 31 0,75-0,61 Низкая (слабая засуха) 7 12 0,60-0,41 Очень низкая (средняя засуха) 3 5 0,40-0,21 Исключительно низкая (сильная засуха) 3 5 <0,20 Катастрофически низкая (очень сильная засуха) 0 0 На рисунке 3 приведены межгодовые колебания ГТК и его отрицательный линейный тренд. Рис. 3. Межгодовые изменения ГТК на территории Ульяновской области (1961-2019 гг.) ГТК более тесно связан с осадками, чем с температурой воздуха. Так, для первой части вегетационного периода (апрель-июнь) коэффициент корреляции между ГТК и температурой воздуха составил -0,36 (отрицательная связь), а с осадками - 0,69. Коэффициент корреляции между урожайностью зерновых культур и ГТК для Ульяновской области составил 0,43 (с достоверностью 0,95%), т.е. погодные условия оказывают заметное влияние на формирование урожайности. Наименьшая урожайность зерновых культур по области 5,3 ц/га, и 10,3 ц/га - в Ульяновском НИИСХ - наблюдались в 1998 году. В этот год, несмотря на высокий температурный режим и отсутствие эффективных осадков с середины апреля до конца июля, начавшиеся обильные дожди в конце июля и в первой половине августа создавали тяжелейшие условия для уборки. В 2010 году наблюдалась наиболее сильная устойчивая засуха. Максимальная температура воздуха 1 и 2 августа, впервые за весь период инструментальных наблюдений, достигала до 40°С. В течение четырех месяцев не было эффективных осадков. ГТК составил в апреле -0,0, в мае -0,3, в июне -0,0, в июле -0,4, за первую половину августа -0,0, что привело к гибели значительной части зерновых, зернобобовых и особенно поздних культур. Сравнивая урожайность зерновых культур за последние 58 лет ГНУ УНИИСХ с областными данными, можно отметить, что она в два раза выше не только в благоприятные, но и в засушливые годы, что лишний раз говорит о высокой технологии и достижениях науки, а также об умении приспосабливаться к тяжелым метеорологическим условиям. Заключение. Важнейшей закономерностью наблюдаемых изменений агроклиматических показателей на территории Ульяновской области является повторяемость атмосферной засухи через каждые три года. Интенсивная устойчивая засуха, вызывающая существенное снижение продуктивности сельскохозяйственных культур, бывает в среднем один раз в восемь лет. Для снижения негативного влияния засух необходимо принятие комплекса мер по внедрению научно обоснованных технологий и засухоустойчивых, пригодных к местным условиям, сортов. Необходимо объединить усилия ученых и производственников и при поддержке государства поэтапно и последовательно осуществить технологическую модернизацию АПК. Назрела необходимость вкладывать средства в научные исследования и разработки, что позволит определить адаптационные стратегии, основанные на конкретных данных.

About the authors

S. N. Nemtsev

Ulyanovsk Research Institute of Agriculture - Branch of the Federal State Budgetary Institution of Science of the Samara Federal Research Center of the Russian Academy of Sciences

Email: nemcev.1963@mail.ru
Doctor Agriculture Sciences, Director Ulyanovsk region, p. Timiryazevsky

R. B. Sharipova

Ulyanovsk Research Institute of Agriculture - Branch of the Federal State Budgetary Institution of Science of the Samara Federal Research Center of the Russian Academy of Sciences

Email: rezedasharipova63@mail.ru
Candidate of Geography Sciences, Art. Researcher, Department of Agriculture Ulyanovsk region, p. Timiryazevsky

References

Supplementary files