Анализ и прогноз изменений урожайности зерновых культур с учетом динамики природных факторов на территории Кабардино-Балкарской республики

УДК 551.501

Р. М. Бисчоков, Р. А. Смир

АНАЛИЗ И ПРОГНОЗ ИЗМЕНЕНИЙ УРОЖАЙНОСТИ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР С УЧЕТОМ ДИНАМИКИ ПРИРОДНЫХ ФАКТОРОВ НА ТЕРРИТОРИИ КАБАРДИНО-БАЛКАРСКОЙ РЕСПУБЛИКИ1

КАБАРДИНО-БАЛКАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ В. М. КОКОВА АБХАЗСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

R. M. Bischokov, R. A. Smir THE ANALYSIS AND FORECAST CHANGES OF GRAIN YIELDS TAKING INTO ACCOUNT THE DYNAMICS OF NATURAL FACTORS ON THE TERRITORY

OF KABARDINO - BALKAR REPUBLIC KABARDINO-BALKARIAN STATE AGRICULTURAL UNIVERSITY BY V. M. KOKOV

ABKHAZIAN STATE UNIVERSITY

Аннотация: Приводятся результаты исследования зависимости урожайности основных сельскохозяйственных культур степной зоны Кабардино-Балкарской республики (Прохладнен-ский и Терский районы) от природных факторов. Исследовалась зависимость от различных природных факторов урожайности таких культур как зерновые и зернобобовые, озимая пшеница, кукуруза на зерно, ячмень озимый, ячмень яровой, рожь озимая, гречиха, просо, овес, горох. В качестве таких факторов рассматривались сезонные количества осадков и температуры воздуха для озимых культур и соответствующие месячные вегетационные значения метеопараметров для яровых.

Ключевые слова: среднесуточная температура воздуха; осадки; влажность; урожайность зерновых и зернобобовых культур; прогноз урожайности; математическая модель.

Abstract: The results of the study according to the major crops yield in the Kabardino-Balkarian steppe zone (Prokhladnensky and Terek regions) from the natural factors are given. The dependence on various environmental factors of yield crops such as grains and legumes, winter wheat, maize, barley, winter wheat, spring barley, winter rye, buckwheat, millet, oats, peas was studied. As these factors there were considered to be seasonal rainfalls and air temperature for winter crops and monthly vegetation corresponding data of meteorological parameters for the spring.

Key words: average daily air temperature; precipitation; humidity; yield of grain and leguminous crops; the forecast yield; mathematical model.

Руслан Мусарбиевич Бисчоков

Ruslan Musarbiyevich Bischokov кандидат физико-математических наук, доцент

rusbis@mail.ru

Розета Александровна Смир

Rosetta Aleksandrovna Smir smroseta @ mail.ru

Введение. Одной из важнейших задач адаптации сельского хозяйства к изменению климата является установление зависимости урожайности сельскохозяйственных культур от природных факторов. Знание данной зависимости представляет интерес для принятия научно-обоснованных решений при планировании производства сельскохозяйственной продукции, а также для проведения различных мероприятий, связанных с функционированием АПК.

1 Научная статья написана при финансовой поддержке Гранта конкурса РФФИ «Абх_а Конкурс совместных инициативных российско-абхазских научно-исследовательских проектов» № 1556-40006 «Феномен устойчивости развития и саморазвития территориальных экономических систем на основе модернизации механизма сельскохозяйственного природопользования»

Решение данной задачи осложняется многообразием природных факторов и чрезвычайно сложным характером их влияния на продуктивность растений.

Знание зависимости урожайности сельскохозяйственных культур от природно-климатических факторов представляет интерес и для принятия научно обоснованных решений при планировании производства сельскохозяйственной продукции и проведении других мероприятий, связанных с функционированием АПК.

Актуальность. Сложившаяся в настоящее время в стране экономическая ситуация, связанная с заполнением рынка импортным продовольствием, нацеливают сельскохозяйственные предприятия на поиск внутренних резервов увеличения производства

конкурентоспособной продукции. В связи с введением экономических санкций, решение вопросов, связанных с импортозамещением сельскохозяйственных продуктов, является актуальной проблемой.

Результаты. На продуктивность растений оказывает влияние множество факторов, однако такие природные факторы, как суммарное количество осадков и среднемесячная температура воздуха являются наиболее важными в жизнедеятельности растений. Зависимость урожайности сельскохозяйственной культуры от изменения приведенных метеорологических факторов можно представить с помощью следующей формулы:

/ п \

у =

ап +

К + ь т)

г=1

где У - урожайность сельскохозяйственной культуры;

, Ti - соответственно суммарное количество осадков, средняя температура воздуха по сезонам;

- коэффициенты регрессии, подлежащие определению;

ка - коэффициент влияния аномалии на урожайность культуры;

п - количество периодов.

Подбор природных факторов осуществляется в соответствии с вегетационным периодом сельскохозяйственной культуры. Для озимых культур (пшеница, ячмень, рожь) используются сезонные (зимние, весенние, летние и осенние) значения суммарного количества осадков и среднемесячная температура воз-

духа, а для яровых (кукуруза на зерно, ячмень, овес, горох) месячные значения вегетационного периода.

В работе предполагается идеальный вариант, когда отсутствуют аномалии, т. е. ка = 0 .

Для определения значений неизвестных коэффициентов в выражении (1) воспользуемся данными об урожайности отмеченных культур, о природных факторах в период с 1990 по 2015 гг. и проведем расчеты методом наименьших квадратов.

Остановимся далее на результатах расчетов, полученных для Прохладненского района (степная зона) Кабардино-Балкарской республики (КБР).

Для озимых культур были получены следующие зависимости урожайности от изменения природных факторов:

уп = 49,41 -6,71 -10-3 -Ш(О) -1,2110-4 -Ш(3) +

+ 6,87 -10-2Ш(В) - 4,56 -10-2Ш(Л) +

+1,86 - Т(0) + 0,66 - Т(3) - 2,94 - Т(в) - 0,46 - Т(Л);

уя = 108,84 - 0,022 - О) + 0,063 - 3) -

- 0,068 - В) + 0,033 - Л) + 0,37 - Т

+ 2,81 - Т(3) - 0,95 - Т(в) - 4,02 - Т(Л);

уР = 87,58 + 0,064 -Ш(О) -0,0004 - Ш(3) -

- 0,062 - В) - 0,024 - Л) - 7,71 - Т(0) -

- 0,155 - Т(3) - 7,99 - Т(в) + 5,69 - Т(Л).

Из выражения (2) следует, что наиболее сильно на урожайность приведенных культур влияет температурный режим.

Фактические значения и расчетные, полученные по моделям, приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Фактические (У,) и вычисленные (У) урожайности

Годы 1990 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015

Озимая пшеница

у (*) 35,48 23,43 29,95 27,39 29,8 29,7 32,8 33,0 30,3 28,8

уп ' *' 34,98 23,53 28,72 26,74 29,13 29,63 32,74 33,67 31,58 29,15

Озимый ячмень

у (*) 30,0 34,8 32,2 28,9 31,4 20,9 30,7 24,8 30,3 36,9

уп / ч * ал V У 29,59 34,23 31,91 27,66 31,52 24,14 27,74 27,84 27,81 38,45

Озимая рожь

у (*) 23,1 26,8 18,2 16,9 21,7 21,0 38,2 27,0 20,0 13,1

уп / ч * ал V У 22,69 26,21 17,90 15,61 21,83 24,36 35,13 30,15 17,42 14,71

Из таблицы 1 видно, что расчетные значения урожайности по формуле (2) достаточно хорошо совпадают с фактическими за исключением незначительных отклонений.

Далее рассмотрим результаты расчетов по установлению связи между урожайностью приведенных яровых культур и используемым природным факторам.

Расчет производился по той же схеме с использованием данных урожайности и природных факторов за период с 1990 по 2015 гг., а также методом наименьших квадратов установлены необходимые коэффициенты уравнения (1) для каждой культуры отдельно.

При благоприятных условиях предлагаются модели корреляционной связи урожайности сельскохозяйственных культур в трех состояниях (в предгорной зоне без орошения, степной зоне без орошения и степной зоне с орошением). Посев яровых культур осуществляется в начале весны, а уборка в сентябре-октябре. Учитывая это, используются месячные значения за апрель, май, июнь, июль, август и сентябрь месяцы.

Приведем, к примеру, уравнение зависимости урожайности кукурузы на зерно от изменения месячных значений осадков и температуры воздуха в предгорной зоне без орошения, степной зоне без орошения и степной зоне с орошением по данным метеостанций Прохладный в виде:

у1 = 27,32 + 2,07 +1,32 Тш +1,04 Ж¥ + 3,67 Т¥ + + 3, 53ЖИ + 2,13 Тп + 3, 02 Жш + 2, 47 Гш + +1,053 Ж™ + 2,077Т ш - 0,021 Ж1* + 0,02Т1*,

у2 = 21,31 + 1,69Жж + 2,47ТЖ + 3,09Ж¥ + 4,17Т¥ + + 2,3Шп + 2,66Тп + 3,19ЖШ + 3,15Т№ +

+ 1,13ЖШ1 + 2\1ТШ1 - 0,021Ж1Х + 0,019Т1Х,

у3 = 16,45 + 1,05Ж1¥ + 2,27Т1¥ + 1,31Ж¥ + 2,04Т¥ + + 3,03Ж¥1 + 3,07ТЩ + 2,75ЖШ + 3,78ТШ + + 1,87ЖШ/ + 0,94ТШ1 - 0,03Ж^ + 0,022Т1Х, где у{ - урожайность;

Ж' - суммарное количество осадков по месяцам (апрель, май, июнь, июль, август, сентябрь);

Т1 - среднесуточная температура воздуха по месяцам (апрель, май, июнь, июль, август, сентябрь).

Из данных выражений следует, что наиболее существенно факторы влияют во время всходов и созреваний. В сентябре это влияние ниже, чем в остальное время.

Подобные расчеты проведены и по другим сельскохозяйственным культурам, а по этим формулам получены расчетные данные. В таблице 2 приведены фактические и расчетные данные яровых сельскохозяйственных культур.

Таблица 2 - Фактические (У,) и вычисленные (Уи) урожайности

Годы 1990 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015

Кукуруза на зерно

У (ц 1 1 ^^ ) 30,0 35,5 29,95 27,39 29,8 29,7 32,8 33,0 30,3 28,8

уп (ц 1 1 ая ) 34,98 23,53 28,72 26,74 29,13 29,63 32,74 33,67 31,58 29,15

Яровой ячмень

У (ц1 У* V г» ) 23,1 26,8 18,2 16,9 21,7 21,0 38,2 27,0 20,0 13,1

У (ц 1 V ) 22,69 26,21 17,90 15,61 21,83 24,36 35,13 30,15 17,42 14,71

Овес

У (ц 1 У#Vг» ) 15,92 11,55 20,05 17,49 19,2 13,9 16,3 11,1 16,5 28,2

у-(ц1 V ) 15,74 10,64 20,14 18,53 19,29 15,80 14,56 12,88 15,04 29,11

Горох

У (ц 1 У#Vг» ) 19,2 14,8 17,6 14,1 11,2 9,1 8,2 8,7 12,4 18,1

у-(—1 V г^ ) 19,11 14,67 17,57 13,83 11,23 9,87 7,55 9,36 11,85 18,44

Как можно заметить из таблицы 2, фактические и вычисленные значения урожайностей анализируемых культур совпадают достаточно хорошо.

Прогнозирование урожайности сельскохозяйственных культур осуществляется с учетом прогнозных значений метеорологических факторов, полученных ранее.

Принятие научно-обоснованных решений для организации производства сельскохозяйственной продукции в конкретных регионах с учетом изменений, влияющих на него природных факторов, требует прогнозирования урожайности сельскохозяйственных культур на достаточно длительные периоды.

С использованием формулы (1) были получены математические модели для каждой сельскохозяйственной культуры. Подставляя в эти модели прогнозные значения метеопараметров можно спрогнозировать урожайность сельскохозяйственных культур на предстоящие годы. Основное преимущество данного подхода заключается в том, что динамику природных факторов можно прогнозировать с большей точностью, чем значения урожайности. Это связано с тем, что его динамика носит относительно стационарный характер и при наличии соответствующей информации можно построить модель его изменения во времени.

Далее остановимся на некоторых результатах расчетов по прогнозированию урожайности основных сельскохозяйственных культур в степной зоне КБР.

При этом используются полученные выше их зависимости от количества осадков и средней температуры воздуха, а также полученные месячные и сезонные значения этих факторов.

На рисунке 1 приведены фактические и прогнозные значения урожайности озимой пшеницы в Про-хладненском районе в период с 1990 г по 2017 гг.

Анализируя данные рисунка 1 установили, что урожайность озимой пшеницы на всем интервале упреждения в целом остается достаточно высокой. При этом ее рост наблюдается до 2009-2011 гг., затем имеет место постепенное ее уменьшение. Но, несмотря на это, среднее ее значение, соответствующее интервалу 2013-2017 гг. (39,6 ц/га) остается выше среднего значения, соответствующего первой пятилетке (2003-2007 гг.) (33,4 ц/га).

60 -| 50 -40 -30 -20 -10 -

т—I—I—I-1—I—I—I-1—I—I—I-1—I—I—I-1—I—I—I-1—I—I—I-1—I—I

1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 2015 2017

годы

Рисунок 1 - Фактические (сплошная линия) и прогнозные (пунктирная линия) значения

урожайности озимой пшеницы

Для сравнения отметим, что средняя урожайность озимой пшеницы за второй пятилетний период (интервала упреждения) равна 46,2 ц/га. Изменение урожайности яровой пшеницы на интервале 2003-2017 гг. отличается от изменения урожайности озимой пшеницы.

Следует отметить, что изменение природно-климатических условий на предстоящие годы приводит к некоторому повышению урожайности озимой пшеницы, а также к повышению устойчивости ее производства.

70 60 50 40 30 20 10

Более существенное повышение урожайности на предстоящие годы наблюдается у озимой ржи (рисунок 2). Если максимальная ее урожайность на исходном временном интервале была немногим более 38 ц/га, то на интервале упреждения она уже больше 60 ц/га. Примерно таким же образом меняется минимальная урожайность данной культуры: на исходном интервале она была 13,1 ц/га, а на интервале упреждения - около 16 ц/га.

1991

-————I—I-1—I———————I—I—————————I—I

1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 2015 2017

0

Рисунок 2 - Фактические (сплошная линия) и прогнозные (пунктирная линия) значения озимой ржи

В целом данную культуру можно отнести к более перспективным культурам на предстоящие годы.

Не останавливаясь подробно на результатах расчетов, отметим, что изменение природных условий производства сельскохозяйственных культур в Про-хладненском районе отражается благоприятным образом и на производстве озимого ячменя.

Из всех культур более чувствительным к изменениям природных условий производства оказался овес, значения урожайности которого на предстоящий 15-летний период приводится на рисунке 3.

Урожайность данной культуры на интервале упреждения на значимом уровне не отличается от урожайности на исходном уровне.

Рисунок 3 - Фактические (сплошная линия) и прогнозные (пунктирная линия) значения

урожайности овса

Остановимся далее на результатах прогнозирования урожайности основных сельскохозяйственных культур в Терском районе на период до 2017 года.

Как было отмечено ранее, характер изменения таких факторов как количество осадков и средняя температура воздуха в различные сезоны года не благоприятствовали производству растениеводческой продукции в этом районе. По результатам прогноза динамики этих факторов тенденция ухудшения природных условий производства сельскохозяйственной

продукции в этой части степной зоны КБР будет сохраняться. В связи с этим повышение эффективности производства сельскохозяйственной продукции в данном районе становится сложной проблемой.

Остановимся на некоторых результатах прогнозирования урожайности основных сельскохозяйственных культур в этом районе. На рисунке 4 приведены исходные и прогнозные значения урожайности озимой пшеницы.

45 и 40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 -0

1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 2015 2017

Рисунок 4 - Фактические (сплошная линия) и прогнозные (пунктирная линия) значения

урожайности озимой пшеницы

По данным рисунка 4 отмечено стабильное уменьшение урожайности озимой пшеницы. Сравнение рисунков 1 и 4 показывает, что урожайность озимой пшеницы в северной части степной зоны республики будет существенно выше, чем в южной части. Такая же картина наблюдается в динамике урожайности яровой пшеницы, а также наблюдается постепенное снижение урожайности данной культуры.

Рассмотрим фактические и прогнозные значения урожайности важнейшей для республики культуры -кукурузы (рисунок 5).

Анализ рисунка 5 показал, что урожайность кукурузы менее чувствительна к изменению природных факторов: количеству осадков и средней температуре воздуха в рассматриваемой части степной зоны.

Рисунок 5 - Фактические (сплошная линия) и прогнозные (пунктирная линия) значения урожайности кукурузы

Но, несмотря на отсутствие резких падений урожайности данной культуры на интервале упреждения, можно заметить тенденцию ее уменьшения с течением времени. Максимальная урожайность на исходном интервале (46,0 ц/га) заметно выше, чем на интервале упреждения (37,7 ц/га). В то же время минимальное значение на исходном интервале меньше,

чем на интервале упреждения: 10,8 ц/га и 24,5 ц/га соответственно.

Для сравнения приведем фактические и прогнозные урожайности еще двух культур: овса и гороха (рисунки 6 и 7).

Урожайность овса и гороха практически нечувствительны к изменениям природных факторов.

45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

т-г

1991 1

—I—I—I-1—I—I—I—I—I-1—I—I——I-1—I—I——I-1—I—I—I—I—I

993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 2015 2017

Рисунок 6 - Фактические (сплошная линия) и прогнозные (пунктирная линия) значения урожайности овса

Рисунок 7 - Фактические (сплошная линия) и прогнозные (пунктирная линия) значения урожайности гороха

Выводы. Таким образом, режимы температуры воздуха и осадков в Прохладненском районе КБР яв-

Список литературы

1 Бисчоков Р. М. Методы проведения анализа и прогнозирования изменения динамики агроклиматических ресурсов Северного Кавказа : Монография. - Нальчик : КБГСХА, 2012. - 190 с.

2 Бисчоков Р. М. Анализ и прогноз изменений агроклиматических ресурсов территории Кабардино-

ляются наиболее благоприятными для производства зерновых культур.

Балкарской республики // Вестник Курганской ГСХА. -2014. - № 3 (11). - С. 70-75.

3 Разработка методики минимизации риска снижения производства продукции сельского хозяйства : Монография / Р. М. Бисчоков [и др.]. - ФГБОУ ВПО КБГАУ им. В. М. Кокова, 2014. - 345 с.