Анализ и прогноз изменений агроклиматических ресурсов территории Кабардино-Балкарской республики

УДК 551. 501

Р. М. Бисчоков

АНАЛИЗ И ПРОГНОЗ ИЗМЕНЕНИЙ АГРОКЛИМАТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ ТЕРРИТОРИИ КАБАРДИНО-БАЛКАРСКОЙ

РЕСПУБЛИКИ

КАБАРДИНО-БАЛКАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ В. М. КОКОВА

R. M. Bischokov ANALYSIS AND FORECAST OF AGROCLIMATIC RESOURCES' CHANGES ON THE KABARDINO-BALKAR REPUBLIC TERRITORY KABARDINO-BALKARIAN STATE AGRARIAN UNIVERSITY BY V. M. COCOV

Аннотация. Выполнен учет изменений природно-климатических характеристик, являющихся необходимым элементом в стратегии развития сельского хозяйства. Представлены полученные от метеостанций результаты изучения параметров климата, характеризующие температурно-влажностный режим, за последние 60 лет. Определены факторы, влияющие на урожайность, и создана математическая модель, позволяющая выполнить прогнозирование урожайности сельскохозяйственных культур с учетом полученных прогнозных значений природных факторов.

Ключевые слова: среднесуточная температура, запас влаги, климат, прогноз урожайности, математическая модель.

Summary. The accounting of the climatic characteristics' changes which are a necessary element in strategy of agriculture development is executed. The results of studying climate parameters received from meteorological stations, characterizing a temperature and moist mode, for the last 60 years are pre-sented. The factors influencing productivity are defined, and the mathematical model, allowing to execute forecasting of crops productivity taking into account the received expected values of natural factors is created.

Keywords: average daily temperature, moisture stock, climate, productivity forecast, mathematical model.

Руслан Мусарбиевич Бисчоков

Ruslan Musarbiyevich Bischokov кандидат физико-математических наук, доцент

E-mail: rusbis@mail.ru

Введение. Агроклиматические ресурсы - это свойства климата, обеспечивающие возможности сельскохозяйственного производства. Они характеризуются: продолжительностью периода со среднесуточной температурой выше +10 °С; суммой температур за этот период; соотношением тепла и влаги (коэффициент увлажнения); запасами влаги, создаваемыми в зимний период снежным покровом.

На Северном Кавказе наиболее благоприятные агроклиматические ресурсы. Здесь сумма активных температур 2200-3400°, можно выращивать озимую пшеницу, кукурузу, рис, сахарную свеклу, подсолнечник, теплолюбивые овощи и фрукты.

Сев яровых зерновых культур на Северном Кавказе начинается с середины марта и заканчивается в конце апреля. Созревание и уборка приходятся на август-сентябрь. Влияние погодных факторов на критические фазы развития растений по-разному формируют связь между листовым покрытием культуры и ее урожайностью.

Весной с повышением средней суточной температуры воздуха выше 5 °С, наблюдающемся на территории района с 28 апреля, растения вегетиру-ют. С 30 сентября вегетация растений прекращается из-за понижения средней суточной температуры воздуха ниже 5°С. Активная вегетация большинства сельскохозяйственных культур проходит в период со средними суточными температурами воздуха выше 10 °С.

Можно привести примерный вегетационный период основных сельскохозяйственных культур, высеваемых на территории предгорной и степной зон КБР в виде таблицы с указанием примерных дат посева и уборки (таблица). Эти данные можно использовать при прогнозировании урожайности сельскохозяйственных культур на предстоящие годы.

Актуальность. Поиск решений сложных проблем, связанных с оценкой последствий принимаемых решений, анализом и прогнозом функционирования АПК в новых условиях совпал с периодом заметного изменения природно-климатических условий производства сельскохозяйственной продукции и необходимостью определения научно обоснованных путей адаптации сельского хозяйства к изменениям климата.

Остановимся в краткой форме на причинах возникновения проблемы адаптации сельского хозяйства к изменениям климата и на качественной постановке задачи в случае «медленных изменений» климата.

Таблица - Даты посева и уборки сельскохозяйственных культур в двух климатических зонах КБР

Культуры Предгорная зона Степная зона

посев уборка посев уборка

Озимая пшеница 10.10 25.07 15.10 20.07

Кукуруза на зерно 25.04 05.09 20.04 05.09

Подсолнечник 15.04 10.09 15.04 10.09

Овес 10.03 10.08 05.03 05.08

Проса 25.04 20.07 25.04 25.07

Гречиха 20.04 25.06 - -

Картофель 05.04 10.08 28.03 20.07

Ячмень озимый 10.10 10.07 05.10 01.07

Ячмень яровой - - 25.04 25.07

Рапс озимый - - 15.10 01.07

Рапс яровой - - 25.04 25.07

Горчица сарептская - - 25.04 25.07

Лён кудряш - - 03.04 10.06

Основные факторы, под влиянием которых функционирует сельское хозяйство, объединяются в следующие группы [ ]:

- производственно-агротехнические;

- почвенные;

- агрометеорологические.

Концепция «сдвига риска» заключается в установлении влияния на сельское хозяйство засух, заморозков, переувлажнений и опасных явлений погоды,

которыми сопровождаются «медленные изменения» климата. Учет изменений природно-климатических характеристик является необходимым элементом в стратегии развития сельского хозяйства.

Результаты. Графическое изменение распределения средней температуры воздуха по месяцам для трех интервалов времени, полученное по данным метеостанции г. Нальчик, приведено на рисунке 1.

Рисунок 1 - Распределение среднемесячной температуры воздуха по данным метеостанций Нальчик и Прохладный

Переход средней температуры воздуха через 0°С в последние годы происходит в третьей декаде февраля, а через 5°С - в конце марта и в первой декаде ноября. Весенний переход в последние годы происходит раньше, чем прежде, хотя осенний переход осуществляется одновременно.

Данные свидетельствуют о том, что имеет место увеличение вегетационного периода в предгорной зоне республики. Анализ дат перехода через 0°С, 5°С, 10°С и 15°С показывает, что в последние годы количество теплых дней становится больше. В предгорной зоне территории КБР в последние десятилетия весна наступает на 2-3 недели раньше, а это влияет на смещение вегетационного периода всех сельскохозяйственных культур и выращивание новых сортов.

Спецификой развития сельскохозяйственного производства является тесная связь с погодой и климатом. В связи с наблюдающимися изменениями климата оценка воздействия климата на сельское хозяйство весьма актуальна и используется при принятии мер по продовольственной безопасности страны.

Рассмотрим динамику изменения отклонений среднегодовой температуры воздуха от климатической нормы в предгорной и степной зонах КБР (метеостанции Нальчик и Прохладный).

Из рисунка 2 видно, что в КБР характер отклонения среднегодовой температуры воздуха от климатической нормы на всем периоде исследования в обеих климатических зонах, за редким исключением, идентичен.

Рисунок 2 - Отклонение от климатической нормы (9,32°С и 10,1°С) среднегодовой температуры воздуха в предгорной и степной зонах территории КБР (а) МС Нальчик и б) МС Прохладный

Можно отметить, что на конец XX (1994 год) и начало XXI века пришелся самый продолжительный период потепления за время инструментальных наблюдений на протяжении 54 лет. Начиная с 1994 года отрицательных отклонений от температурной нормы не отмечено. Особенность потепления не только в продолжительности, но и в более высокой температуре воздуха, наибольшее отклонение составляет 2°С, а за последние 15 лет (1994-2009 гг.) превысило климатическую норму (9,32°С и 10,1°С) на 1,17°С и 1,02°С соответственно по данным МС Нальчик и Прохладный.

Кроме того, во все сезоны года в последние годы также наблюдалось превышение нормальной среднегодовой. Весной и летом эти отклонения достигали 3°С.

На территории КБР намечается тенденция увеличения продолжительности беззаморозкового периода. Весенние заморозки различной интенсивности наблюдаются ежегодно по-прежнему, и они наиболее опасны для теплолюбивых культур, особенно косточковых. Особенно опасны заморозки при наступлении ранней весны, когда повышение температуры воздуха влечет за собой набухание почек и цве-

тение. Резкое уменьшение температуры воздуха (похолодание) полностью уничтожает плод и прекращается дальнейшее развитие этих культур. Осенние заморозки не столь опасны, т. к. они наступают в конце уборки урожаев яровых сельскохозяйственных культур. А для озимых культур эти заморозки не представляют опасности.

В последние несколько лет повышенные температуры воздуха и почвы первых весенних месяцев приводят к более раннему сходу снежного покрова и переходу температуры воздуха через 0°С. В среднем за период 1992-2009 годов этот переход происхо-

дит на 5-10 дней раньше средних многолетних значений, почти на декаду раньше начинается вегетационный период.

На рисунке 3 отмечены среднемесячные осадки многолетних наблюдений по трем интервалам. Из рисунка видно, что на интервале 1992-2009 годов в мае, июле и августе, т. е. в фазы активной вегетации сельскохозяйственных культур происходит уменьшение осадков, а в период посевной и уборочной компаний -увеличение, что мешает общей системе сельхозработ. Несколько больше нормы осадков наблюдается в феврале, июле и сентябре, а в остальные месяцы меньше.

Рисунок 3 - Среднемесячные осадки многолетних наблюдений по трем интервалам

Одной из важнейших задач адаптации сельского хозяйства к изменению климата является установление зависимости урожайности сельскохозяйственных культур от природных факторов. Знание этой зависимости представляет интерес для принятия научно-обоснованных решений при планировании производства сельскохозяйственной продукции. Решение этой задачи встречает трудности, связанные с многообразием природных факторов и с чрезвычайно сложным характером их влияния на продуктивность растений.

Зависимость урожайности сельскохозяйственной культуры от изменения приведенных метеорологических факторов можно представить с помощью следующей формулы:

/ 4 N

У =

а +

К+ьт + с а,+й н г+^ у)

¡=1

,

скохозяйственной культуры. Пусть ка - коэффициент влияния аномалии на урожайность культуры. Если к а = 0 , то отсутствуют аномальные явления и никакого влияния на урожайность не оказывается. Если ка = 1, то происходит полное уничтожение урожая. Тогда с учетом этого фактора уравнение (1) запишется в виде:

/ 4 \

У =

а0 +ЦаД + ЬТ, + с,а, + йН, + ^)

¡=1

.

где У - урожайность сельскохозяйственной культуры;

Щ, Т, 01, - соответственно суммарное

количество осадков, средняя температура воздуха, минимальная температура почвы, средняя относительная влажность воздуха и максимальная скорость ветра по сезонам;

а1,Ь,,с,,й^si - коэффициенты регрессии.

Часто из-за некоторых аномальных явлений (заморозки, град, засуха, сильные грозовые дожди, смерч, затопление) происходит потеря урожайности сель-

В зависимости от рассматриваемой сельскохозяйственной культуры, озимые или яровые, в модели корреляционной связи можно сделать некоторые уточнения. Для озимых культур можно опустить значения метеопараметров в летнее время, а для яровых культур в зимние. Есть сельскохозяйственные культуры с коротким сроком вегетации, тогда рассматриваются только весенне-летние значения метеопараметров, а для других летне-осенние.

При благоприятных условиях предлагаются модели корреляционной связи урожайности озимой пшеницы в трех состояниях (в предгорной зоне без орошения, степной зоне без орошения и степной зоне с орошением). Посев озимой пшеницы осуществляется поздней осенью, а уборка в конце июля и в начале августа. Учитывая это, вместо сезонных летних и осенних значений метеопараметров можно использовать их месячные значения за июнь, июль и ноябрь

месяцы. Получены уравнения зависимости урожай- горной зоне без орошения, степной зоне без ороше-

ности озимой пшеницы от изменения сезонных зна- ния и степной зоне с орошением. Здесь для приме-

чений осадков, температуры воздуха, температуры ра представлено уравнение для предгорной зоны без

почвы, влажности воздуха и скорости ветра в пред- орошения по данным метеостанции Нальчик:

у1 = 34,57 + 0,04Ж3 + 0, 21Т3 + 0,17д3 + 0,01Н3 + 0,0056У3 -0,024Жв + 3,99Тв + 1,27дв -

-0,033Hв -0,01Vв + 0,0093WЛ -2,44TЛ -0,085QЛ + 0,47HЛ -0,0023VЛ -0,0018W0 + + 0 ,52T0 + 0,067Q0 + 0,084H 0 -0 ,018V0,

где у1 - урожайность озимой пшеницы;

Ж3 в Л О - суммарное количество осадков по сезонам (зимой, весной, летом и осенью);

Т3, Тв, ТЛ, Т О - среднесуточная температура воздуха;

Q3,Q3,Q3,Q3 - минимальная температура почвы;

Н 3 , Н в , Н Л , Н О - средняя относительная влажность воздуха;

V 3 ,У в ,У Л ,У О - максимальная скорость ветра.

40 35 30

20 15

Как можно заметить из выражения наиболее существенными факторами выступают (это справедливо для всех трех случаев) средняя температура воздуха, суммарное количество осадков и минимальная температура почвы по сезонам.

Рассмотрим графическое представленй; фактических и сглаженных значений зависимости урожайности озимой пшеницы от сезонных климатических факторов в качестве примера в предгорной зоне КБР.

Предгорная без орошения

Рисунок 4 - Фактические и сглаженные значения урожайности озимой пшеницы в предгорной зоне КБР

Как можно заметить из рисунка 4, вычисленные по последней формуле урожайность озимой пшеницы достаточно хорошо совпадают с фактическими значениями, т. е. выражения достаточно хорошо описывают зависимость урожайности данной культуры от природных факторов.

Такие же исследования выполнены для яровых сельскохозяйственных культур, таких как овес, просо, кукуруза и подсолнечник. В каждом случае получены аналогичные зависимости урожайности. Можно заметить также, что фактические и вычисленные по формулам значения урожайности являются близкими.

Предложенные методы могут служить в роли моделей адаптации производства этих сельскохозяйственных культур к изменениям климата, и при определении севооборота в хозяйствах, имея прогнозные значения климатических данных, можно определить возможную урожайность конкретной сельскохозяйственной культуры.

Подставляя в полученные формулы прогнозные значения метеопараметров можно осуществить прогнозирование урожайности сельскохозяйственных культур на предстоящие годы, вплоть до 2017 г.

При наличии динамики природных факторов на предстоящий период можно получить прогнозные значения урожайности сельхозкультур. 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.

Остановимся далее на некоторых результатах расчетов по прогнозированию урожайности основных сельскохозяйственных культур в степной зоне КБР. При этом используются полученные выше данные об их зависимости от количества

25

5

0

осадков и средней температуры воздуха в различ- На рисунке 5 приведены фактические значения ные сезоны и полученные сезонные значения этих урожайности озимой пшеницы в предгорной зоне факторов. КБР и прогнозные по 2017 год.

10 -

5 -

0

Рисунок 5 - Фактические (сплошная линия) и прогнозные (пунктирная линия) значения урожайности озимой пшеницы в предгорной зоне без орошения

Как можно заметить на этом рисунке, урожайность озимой пшеницы на всем интервале упреждения в целом остается достаточно высокой, значительных изменений в будущем не наблюдается, возможны снижения.

Такие же исследования проводились и для таких сельскохозяйственных культур, как овес, просо, кукуруза и подсолнечник. Результаты исследования показали, что режимы температуры воздуха и осадков в данном районе становятся более благоприятными для производства данных культур.

Выводы. 1 Для анализа изменения агроклиматических ресурсов территории КБР рассмотрено распределение среднемесячных осадков и температуры воздуха по трем интервалам и периодам определения климатических норм с использованием данных по МС г. Нальчик и г. Прохладный.

2 Получены оценки отклонения изменения средней температуры воздуха от климатической нормы по сезонам и за год.

3 Для анализа изменения урожайности сельскохозяйственных культур в зависимости от динамики природных факторов предложены два варианта: использование сезонных значений суммарного количества осадков и средней температуры воздуха; использование среднемесячных или среднедекадных значений осадков и температуры воздуха в зависимости от вегетационного интервала каждой сельскохозяйственной культуры.

4 Приведены фактические и расчетные значения урожайности таких сельскохозяйственных культур, как озимая пшеница, овес, просо, кукуруза и подсолнечник.

5 Выполнено прогнозирование урожайности сельскохозяйственных культур с учетом полученных прогнозных значений природных факторов.

Список литературы

1 Ашабоков Б. А., Бисчоков Р. М., Бисчоков Б. Р. Некоторые результаты прогнозирования урожайности с/х культур с учетом изменений агрометеорологических факторов // Труды Кубанского государственного аграрного университета. - 2007. - № 1.

2 Ашабоков Б. А., Бисчоков Р. М. Об одном подходе к прогнозированию урожайности с/х культур с учетом динамики агрометеорологических факторов // Земледелие. - 2007. - № 2.

3 Бисчоков Р. М., Базиева С. М. Тенденции в изменении климата, влияющие на сельское хозяйство степной зоны Кабардино-Балкарской республики // Вестник КрасГАУ, 2012.

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

5 Экология, климат и влияние их изменений на сельское хозяйство. / Ю. А. Израэль, А. Н. Каштанов [и др.] // Обеспечение устойчивого развития сельскохозяйственного производства и борьба с засухой. Материалы сессии ВАСХНИЛ, 1988. - С. 39-70.