Агроклиматические ресурсы Ульяновской области и их влияние на урожайность зерновых культур

ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ

УДК 515.5

Ю.П. Переведенцев, Р.Б. Шарипова, Н.А. Важнова

АГРОКЛИМАТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ УЛЬЯНОВСКОЙ ОБЛАСТИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА УРОЖАЙНОСТЬ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР

Анализируются наблюдаемые в последние десятилетия региональные изменения климатических и агроклиматических показателей на территории Ульяновской области. Показана зависимость урожайности зерновых культур от ресурсов тепла и влаги.

Ключевые слова: агроклиматические ресурсы, вегетационный период, температура воздуха, осадки.

Известно, что совокупность метеорологических факторов, включая в первую очередь тепло и влагу, формирует агроклиматические ресурсы территории, определяющие условия производства и продуктивности сельскохозяйственных культур. Для вегетационного периода и его отдельных подпе-риодов наиболее часто анализируются: 1) термические и световые ресурсы; 2) ресурсы увлажнения, включая осадки и влажность почвы; 3) условия перезимовки культур; 4) неблагоприятные (опасные и особо опасные) явления; 5) показатели биоклиматической продуктивности [1].

Целью настоящей работы является оценка пространственно-временной изменчивости агроклиматических условий на территории Ульяновской области в период 1961 - 2010 гг., приходящийся на наиболее активную фазу глобального потепления, а также корреляционных связей между урожайностью зерновых культур и отдельными показателями температурно-влажностного режима региона.

В качестве характеристик теплового и влажностного состояния природной среды и в первую очередь атмосферы рассматривались три интегральных показателя: гидротермический коэффициент Селянинова (ГТК), индекс засушливости, предложенный Д.А. Педем, и индекс биологической эффективности климата (БЭК). В качестве исходных данных для расчета указанных показателей использовались сведения о температуре воздуха, количестве осадков и относительной влажности 6 метеорологических станций Ульяновской области: Ульяновск, Сурское, Инза, Сенгилей, Канадей, Ди-митровград за период 1961-2010 гг.

Для оценки степени увлажнения и засушливости вегетационного периода широкое применение получил индекс Г.Т. Селянинова, который вычисляется по формуле

где I Р - сумма осадков (мм) и !т>10„ - сумма среднесуточных температур (°С) за период с Т>10°С.

Разной степени увлажнения соответствуют следующие градации ГТК [2]: ГТК < 0,4 - очень сильная засуха; 0,4< ГТК <0,5 - сильная засуха;

0,5< ГТК <0,7 - средне засушливо; 0,7 < ГТК < 1,0 - недостаточно влажно;

1,0< ГТК <2,0 - достаточно влажно; ГТК > 2,0 - переувлажнено.

Агроклиматические исследования Г.Т. Селянинова по связи между ГТК и урожайностью на примере яровой пшеницы 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 [3].

Начиная с 1970-х гг. широкое распространение нашел показатель засушливости, предложенный Д.А. Педем,

ГТК

АТ АР

где А Т , А Р - отклонения температуры воздуха и суммы осадков от нормы, а Т , ар - средние

квадратические отклонения средних месячных значений температуры воздуха и осадков. Тепловлагообеспеченность оценивается по следующей шкале:

S < -3,0 - сильное избыточное увлажнение; -3,0 <S< -2,0 - среднее избыточное увлажнение; -2,0 <S< -1,0 - слабое избыточное увлажнение; -1,0 <S< 1,0 - близкое к норме; -1,0 <S< 2,0 - слабая засуха; -2,0 <S < 3,0 - средняя засуха; S > 3,0 - сильная засуха.

В зимний период при АТ и ДР>0 индекс S>2 - и зима будет теплой и многоснежной, при АТ <0 и ДР<0 индекс S< -2 - и зима будет холодной и малоснежной.

Индекс биологической эффективности (БЭК) представляет собой произведение суммы активных температур Т>10°С в сотнях градусов (0,01 ^ Т>10 ) на коэффициент увлажнения (КУ) [4]:

БЭК=(0,01 ^ Т>ю )КУ.

Коэффициент увлажнения находится как отношение годового количества осадков (Рмм) к годовой испаряемости (Е, мм), которую получают суммированием значений испаряемости за каждый месяц года (Емес), рассчитываемых по формуле Н.Н. Иванова [5]:

Емес=0,0018(25+^2(100-0,

где t - среднемесячная температура воздуха, °С; f - среднемесячная относительная влажность воздуха, %.

БЭК синтезирует важнейшие климатические параметры: атмосферные осадки, температуру и относительную влажность воздуха, рассматриваемые в их годовом ходе, а также годовую теплообес-печенность, и хорошо выражает общий экологический фон. Зоне экологического оптимума соответствует БЭК порядка 22.

Для оценки влагообеспеченности авторы [6] предлагают использовать ГТК как наиболее оптимальный показатель. Эти авторы, обобщив многолетний опыт использования показателя ГТК в научных и практических задачах при оценке влагообеспеченности территории России и исследовании зависимости урожайности сельхозкультур от агроклиматических условий с учетом географической зоны, периода вегетации и т.д., предложили следующую шкалу классификации уровней влагообеспеченности по значениям ГТК. Приведем эту шкалу в табл. 1 с распределением в ней повторяемости ГТК, рассчитанных за вегетационный период для Ульяновской области по годам в период 1961-2010 гг.

Таблица 1

Повторяемость ГТК по области в период 1961-2010 гг. согласно классификации авторов [6]

ГТК Характер влагообеспеченности Количество лет %

>1,5 Избыточная 2 4

1,5-1,41 Повышенная 1 2

1,40-1,11 Достаточная (оптимальная) 12 24

1,10-0,76 Недостаточная 17 34

0,75-0,61 Низкая (слабая засуха) 13 26

0,60-0,41 Очень низкая (средняя засуха) 2 4

0,40-0,21 Исключительно низкая (сильная засуха) 3 6

<0,20 Катастрофически низкая (очень сильная засуха) 0 0

Согласно данным табл. 1 достаточная влагообеспеченность из всего 50-летнего периода наблюдалась лишь 12 раз (24%), неблагоприятные условия по влагообеспеченности наблюдались в большем числе лет. Засушливые условия формировались 18 раз (36%), что согласуется с данными работы [7], согласно которой в последние десятилетия во внетропических широтах отмечается повышенная вероятность экстремальных антициклонов, что увеличивает риск таких неблагоприятных последствий, как засухи летом и экстремальные морозы зимой.

На рис. 1 приведены межгодовые колебания ГТК и его отрицательный линейный тренд.

Результаты расчетов ГТК в период 1961-2010 гг. по отдельным станциям области представлены в табл. 2. 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.

Рис. 1. Межгодовые изменения ГТК на территории Ульяновской области

Таблица 2

Средние, максимальные и минимальные значения ГТК за 1961-2010 годы

Станции Среднее Макс. Год Миним. Год

Инза 1,08 1,97 1976 0,24 1972

Сурское 0,97 1,88 1962 0,28 2010

Ульяновск 0,90 1,65 1962 0,13 1981

Димитровград 0,82 1,83 1990 0,20 1995

Сенгилей 0,82 1,34 1989 0,13 2010

Канадей 0,81 1,57 1989 0,20 2010

Ср. по обл. 0,90 1,97 1976 0,13 2010

Коэффициент корреляции между урожайностью зерновых культур и ГТК для Ульяновской области составил 0,42 (с достоверностью 0,95%), то есть погодные условия оказывают заметное влияние на формирование урожайности.

Выполненный ранее авторами [8] анализ динамики урожаев сельскохозяйственных культур по земному шару показал, что происходящие изменения урожайности вызываются тремя главными факторами: пространственной неоднородностью агроклиматического потенциала территорий, совершенствованием агротехнологий и, наконец, изменениями погодных условий из года в год.

Следует также отметить, что средние значения сумм активной температуры по области возрастают от 2370 °С (1961-1970 гг.) до 2579 °С (2001-2010 гг.) при среднем значении за 1961-2010 гг. в 2457 °С. Теплообеспеченность возрастает со скоростью 4,0 °С/год (400 °С/100лет).Увеличение суммы активной температуры примерно на 200 °С приводит к повышению урожайности на 3,4 - 7,0 ц/га. За счет внедрения позднеспелых зерновых культур рост потенциальной урожайности составит 1,8 ц/га в случае прироста суммы активных температур на 100 °С.

Как видно из рис. 2-4, в последние десятилетия наблюдается заметное увеличение температуры воздуха и количества атмосферных осадков в вегетационный период, а также урожайности.

Неустойчивое и недостаточное увлажнение обусловливает значительные колебания урожайности зерновых культур. Обширные общие засухи (атмосферная и почвенная одновременно) наблюдались в 1972, 1975, 1979, 1981, 1995, 1998, 1999 гг., и тогда происходило значительное снижение урожайности на Европейской части России [8].

Так, в периоды апрель-июнь 1975 г. и май-июнь 1981 г. аномалия температуры составляла 3°С, а сумма осадков была лишь 20-60 % нормы. Согласно работе [9] за 1891-1985 гг. в Среднем Поволжье произошло 34 засухи (36%), из них 16 (17%) сильных и 18 (19%) средних. Таким образом, исследуемый регион относится к зоне рискованного земледелия.

Рис. 3. Межгодовые изменения количества атмосферных осадков (мм) за вегетационный период

Рис. 4. Межгодовые изменения урожайности

Сильную почвенную засуху характеризуют запасы продуктивной влаги в пахотном слое почвы менее 10 мм, в метровом - менее 50 мм.

Особенно большой урон сельскому и лесному хозяйству нанесла жестокая засуха весны и лета 2010 г. В работе [10] дан обстоятельный анализ причин и последствий этого негативного феномена для Европейской части России, в частности, в нашем регионе события развивались по следующему сценарию.

Сильная атмосферная засуха 2010 г. на территории Приволжского федерального округа (ПФО) началась в мае, когда установился обширный антициклон и наблюдалась аномально жаркая и сухая погода. ПФО оказался подверженным трем факторам, которые были обусловлены процессами длительного антициклонического блокирования, нарушившего общий западный перенос воздушных масс в средних широтах. Во-первых, адвекция очень теплого воздуха из Средней Азии и Ближнего Востока способствовала быстрому таянию снежного покрова. Во-вторых, при мало- или безоблачном небе потоки солнечной радиации обусловили интенсивное испарение талой воды, то есть не наблюдался обычный процесс хорошего насыщения почвы водой после снежной зимы. В-третьих, нисходящие потоки воздуха в высоком антициклоне препятствовали облакообразованию и, следовательно, выпадению осадков.

Агрометеорологические условия для формирования урожая зерновых культур в июне, особенно яровых зерновых культур, были крайне неблагоприятными. В июле дневная температура воздуха повышалась до 33 ... 39 °С, а местами до 41 °С и выше.

В связи с этим в 2010 г. урожайность зерновых культур составила всего лишь 8,5 ц/га при средней многолетней 15,1 ц/га.

Таблица 3

Агроклиматические показатели, характеризующие засуху 2010 г. на территории

Ульяновской области [10]

Осадки, % от нормы Отклонение темпер. возд. от нормы, °С ГТК Запасы продукт. влаги (мм) в слое почвы 0-20 см

V VI VII V VI VII VIII V VI VII V VI VII

54 8 12 3,8 3,9 5,8 5,4 0,44 0,08 0,10 17 6 3

Для исследуемого периода в среднем для Ульяновской области коэффициент корреляции урожайности зерновых культур с годовой суммой осадков составил 0,27; с осадками за период апрель -июнь 0,55; с температурой за период апрель - июнь —0,26, то есть наибольшая роль в формировании урожая принадлежит увлажненности в первую половину вегетационного периода. В то же время период с высокими температурами начала вегетационного периода сопровождается, как правило, недостатком атмосферных осадков, что приводит к снижению урожайности (коэффициент корреляции отрицательный).

Действительно, период с высокими температурами начала вегетационного периода сопровождается, как правило, недостатком атмосферных осадков, что приводит к снижению урожайности.

Согласно табл. 4 температурно-влажностные показатели первой половины вегетационного периода заметно сказываются на урожайности сельскохозяйственных культур, что подтверждает концепцию И.П. Броунова о критических периодах в развитии растений.

Индекс Педя позволил выделить среди вегетационных периодов наиболее засушливые годы: 2010 г. (3,44), 1972 г. (2,32), 1981 г. (2,0), 1998 г. (1,13), 1975 г. (0,88), 1966 г. (0,87), 1995 г. (0,77), а также избыточно увлажненные: 1990 г. (-1,95), 1994 г. (-1,61), 1978 г. (-1,60), 1976 г. (-1,53), 1962 г. (-1,39), 1983 г. (-1,13).

В холодный период года выделяются теплые и многоснежные зимы 1999/2000 гг. (1,42), 1988/1999 гг. (1,24), 1997/1998 гг. (1,16), 2005/2006 гг. (1,15), 1981/1982 гг. (1,06), 2000/2001 гг. (1,06). К категории холодных и малоснежных относятся зимы 1968/1969 гг. (-1,83), 1992/1993 гг. (-1,30), 1966/1967 и 1983/1984 гг. (-1,13), 1985/1986 гг. (-1,04), 1986/1987 гг. (-1,02), 2001/2002 гг. (-1,0). Это важно знать для оценки условий перезимовки озимых культур.

Линейные тренды для индексов Педя, рассчитанные для вегетационного и холодного периодов, имеют положительный коэффициент наклона линейного тренда, что свидетельствует о возрастании засушливости вегетационных периодов и потеплении зим.

Таблица 4

Распределение средней урожайности зерновых культур (ц/га) по области при различных градациях атмосферных осадков и температуры воздуха

Интервалы группировки Число лет Среднее значение Урожайность,

Г руппировка по значениям ГТК

0,23-0,50 3 0,27 9,0

0,51-1,0 32 0,80 14,6

1,1-1,55 15 1,25 17,5

Г руппировка по количеству весенних

37-100 14 80 10,7

101-150 22 131 16,0

151-206 14 174 17,5

Группировка для средней температуры (апрель-июнь), °С

10,0-12,0 21 11,4 15,8

12,1-14,0 24 12,9 15,3

14,1-16,3 5 15,1 10,8

В работе [11] с использованием индекса Педя также показано, что в период 1940 - 2000 гг. на Европейской территории России в мае-июне повторяемость засушливых условий существенно увеличилась - от первой ко второй половине указанного периода. Повторяемость засух в сезоне июль-август изменялась мало. Эти периоды примерно соответствуют естественно синоптическим сезонам (ЕСС) первой и второй половины лета, установленным С.Т. Пагавой. Внутри ЕСС наблюдаются, как правило, однородные условия циркуляции и погоды.

Таким образом, использование при анализе индексов ГТК и Педя привело к сходным результатам в оценке динамики агроклиматических условий, что подтверждает надежность выполненного анализа.

В табл. 5 приводятся характеристики КУ, БЭК и коэффициент наклона линейного тренда БЭК для отдельных станций и в среднем по области.

Таблица 5

Тенденции изменения БЭК в период 1961 - 2010 годы

Пункт наблюдения КУ БЭК Уравнение тренда R¿

Инза 0,93 21,95 0,125х+18,73 0,0682

Сурское 0,85 20,54 0,107х+17,79 0,0628

Ульяновск 0,72 17,44 0,088х+15,18 0,0509

Димитровград 0,90 22,75 0,102х+20,12 0,0442

Сенгилей 0,79 19,12 0,047х+17,90 0,0101

Канадей 0,63 16,16 0,107х+13,43 0,0738

Ср. по обл. 0,81 19,66 0,096х+17,19 0,058

Примечание. Здесь х - номер года (х=0,1,.. .49, х=0 соответствует 1961 г.), R - коэффициент детерминации.

Следует отметить также, что формирование погодно-климатических условий рассматриваемого региона в значительной степени определяется циркуляцией атмосферы особенно в холодный период года [12]. Так, в зимние месяцы коэффициент корреляции между температурой воздуха и индексом САК (Северо-Атлантическое колебание) достигает 0,6, что свидетельствует о значительном влиянии на регион атлантических воздушных масс. В летний период главное место принадлежит радиационным и локальным факторам ввиду явного ослабления потоков с Северной Атлантики, то есть ослабления циркуляционного фактора.

Выводы

1. В целом агроклиматические условия Ульяновской области в период 1961 - 2010 гг. со временем несколько улучшаются: наблюдается рост температуры воздуха и количества осадков в вегетационный период, индекса биологической эффективности и урожайности.

2. В 36% случаев формируются засушливые условия. Жестокая засуха 2010 г. проявилась в экстремальных показателях всех метеорологических характеристик, включая рассмотренные в работе индексы агрометеорологического режима и привела к резкому снижению урожайности зерновых культур.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Справочник агронома по сельскохозяйственной метеорологии / под ред. И.Г. Грингофа. Л.: Гидрометеоиз-дат, 1988. 153 с.

2. Справочник эколого-климатических характеристик г. Москвы / под ред. А.А. Исаева. М.: Изд-во геогр. ф-та МГУ, 2005. Т. 2. 412 с.

3. Кислов А.В., Евстигнеев В.М., Малхазова С.М., Соколихина Н.Н., Суркова Г.В., Торопов П.А., Чернышев А.В., Чумаченко А.Н. Прогноз климатической ресурсообеспеченности Восточно-Европейской равнины в условиях потепления XXI века. М.: МАКС Пресс, 2008. 292 с.

4. Костантинова Т.С., Коробов Р.М., Николаенко А.В. Картографическое моделирование биологической эффективности климата Молдавии // Изв. РАН. Сер. Геогр. 1999. №3. С. 86-92.

5. Иванов Н.Н. Показатель биологической эффективности климата // Изв. РГО. 1962. Т.94. Вып. 1. С. 65-70.

6. Зоидзе Е.К., Хомякова Т.В. Моделирование формирования влагообеспеченности на территории Европейской России в современных условиях и основы оценки агроклиматической безопасности // Метеорология и гидрология. 2006. №2. С. 98-105.

7. Голицын Г.С., Мохов И.И., Акперов М.Г., Бардин М.Ю. Функции распределения вероятности для циклонов и антициклонов в период 1952 - 2000 гг.: инструмент для определения изменений глобального климата // Доклады Академии наук. 2007. Т. 413, №2. С. 254-256.

8. Менжулин Г.В., Саватеев С.П. Мировая продовольственная проблема и современное глобальное потепление // Изменения климата и их последствия. СПб.: Наука, 2005. С. 122-151.

9. Оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. Т. 2.

Последствия изменений климата. М.: Росгидромет, 2008. 287 с.

10. Фролов А.В., Страшная А.И. О засухе 2010 года и ее влиянии на урожайность зерновых культур // Анализ

условий аномальной погоды на территории России летом 2010 года. М.: Триада ЛТД, 2011. С. 22-31.

11. Лаврова И.В., Угрюмов А.И. Классификация полей индекса атмосферной засушливости в связи с проблемой современных изменений климата // Метеорология и гидрология. 2008. №12. С. 25-32.

12. Переведенцев Ю.П., Шарипова Р.Б. Изменение основных климатических показателей на территории Ульяновской области // Вестн. Удм. ун-та. Сер. Биология. Науки о Земле. 2012. Вып.1. С. 136-144.

Поступила в редакцию 15.02.12.

Yu.P. Perevedentsev, R.B. Sharipova, N.A. Vazhnova

Agroclimatic resources of the Ulyanovsk region and their impact on the yield of crops

The article analyzes the regional climate change and agro-climatic indicators, which have been observed in recent decades in the Ulyanovsk region. The dependence of crop yields on the resources of heat and moisture is shown, too.

Keywords: agroclimatic resources, the growing season, air temperature, precipitation.

Переведенцев Юрий Петрович, доктор географических наук, профессор ФГ АОУ ВПО «Казанский федеральный университет» 420008, Россия, г. Казань, ул. Кремлевская 18 E-mail: Yuri.Perevedentsev@ksu.ru

Шарипова Разиде Бариевна, научный сотрудник ГНУ Ульяновский НИИ СХ Россельхозакадемии 433315, Россия, Ульяновская область, пос. Тимирязевский, ул. Институтская, 19 E-mail: rezedasharipova63@mail.ru

Важнова Надежда Александровна, аспирант ФГ АОУ ВПО «Казанский федеральный университет» 420008, Россия, г. Казань, ул. Кремлевская 18 E-mail: Nadezhda.Vazhnova@ksu.ru

Perevedentsev Yu.P., doctor of geography, professor Kazan (Volga) Federal University 420008, Kazan, Kremlevskaya st., 18 E-mail: Yuri.Perevedentsev @ ksu.ru

Sharipova R.B., the research assistant

Ulyanovsk scientific research institute of agriculture

of Rosselhozakademija

433315, Russia, Ulyanovsk Region, the town

Timiryazev, Institutskaya st., 19

E-mail: rezedasharipova63@mail.ru

Vazhnova N.A., postgraduate student Kazan (Volga) Federal University;

420008, Russia, Kazan, Kremlevskaya st., 18 E-mail: Nadezhda.Vazhnova @ ksu.ru