Russian Federation
Russian Federation
UDK 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
GRNTI 68.29 Земледелие
The purpose of the research is justification the use of drought-resistant varieties suitable for local conditions and technologies for their cultivation on the territory of the Ulyanovsk region. The relevance of the study is important due to the problem of agrometeorological monitoring of drought and crop conditions, since the Ulyanovsk region has a very high probability of severe and very severe droughts, which in some cases cause a catastrophic decrease in crop productivity. In this regard, the research is aimed at identifying patterns of formation of dry phenomena and adaptation of the agricultural sector to specific conditions of aridity, taking into account crops and specialization of agricultural production. Methods of comparison, analysis and generalization of the initial data make the base for studies. Estimates of regional climate changes were made using proven statistical methods, correlation and trend analysis, the reliability of which was evaluated using Fisher and Student criteria, allowing a comprehensive review of agrometeological indicators of atmospheric droughts and crop yields in changing regional climatatic conditions, as well as providing recommendations for adjusting the technology of their cultivation. Materials presented for analysis on climate change within the period between 1961-2018 years revealed an increase in the average annu-al temperature over the years of research by 2.3°C and an increase in precipitation by 131 mm, and understand the recurrence of atmospheric drought in the region every three years. An intense, persistent drought that causes a significant decrease in crop productivity occurs on average once every nine years. The materials of the article are of practical value for agricultural specialists in the preparation of recommendations, reference books and generali-zation of microclimatic information in an intensive farming system.
drought, temperature, precipitation, coefficient, climate
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 |
Среднесуточная 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.
1. Ekonomicheskii analiz vliianiia izmeneniia klimata na seliskoe hozyaistvo Rossii: nacionalinie I regionalinie aspekti (naprimere proizvodstva zerna) [Economic analysis of the impact of climate change on Russian agriculture: national and regional aspects (on the example of grain production)]. (2013). Nauchno-issledovateliskie otcheti OXFAM - Research reports of OXFAM, 4, 37-54 [in Russian].
2. Nemtsev, S. N., &Sharipova, R. B. (2012). Tendencii izmenenii klimata I ih vliianie na produktivnost zernovikh kulitur v Uliyanovskoi oblasti [Trends in climate change and their impact on the productivity of grain crops in the Ulyanovsk region]. Zemledelie - Zemledelie, 2, 3-5 [in Russian].
3. Perevedentsev, Yu. P., Vazhnova N. A., Naumov E. P., Shantalinsky K. M., & Sharipova R. B. (2012). Sov-remennie tendencii izmeneniia klimata v Privolzhskom Federalinom okruge [Modern trends in climate change in the Volga Federal district]. Georesursy - Georesursy, 6 (48), 19-34 [in Russian].
4. Sharipova, R. B., Galiakberov, A. G., Nikitin, S. N., & Sabitov, M. M. (2011). Agroklimaticheskaia ocenka at-mosfernikh zasukh I urozhainosti na territorii GNU Ulianovskii NIISKH [Agroclimatic assessment of atmospheric droughts and yields on the territory of the Ulyanovsk research Institute]. Vestnik Uliianovskoi gosudarstvennoi selis-kokhoziaistvennoi akademii - Vestnik of Ulyanovsk state agricultural academy, 3, 35-40 [in Russian].
5. Krenke, A., & Ananicheva, M. V. (2005). Izmeneniia klimata I chelovecheskoe izmerenie issledovaniia v Rossii [Climate Change and the human dimension of research in Russia]. Human dimension and global environmental change '05: sbornik nauchnykh trudov - collection of proceedings. (p 303). [in Russian].
6. Casey, K. S., & Cornillon, P. J. (2011). Global and regional sea surface temperature trends. Climate, 14, 3801-3818.
7. Vtoroi ocenochnii doklad Rosgidrometa ob izmeneniiakh klimata I ih posledstviiah na territorii Rossiiskoi Fed-eracii [The second assessment report of Roshydromet on climate change and its consequences on the territory of the Russian Federation]. (2014). Moscow: Roshydromet [in Russian].
8. Ivanov, A. L., & Kiryushin, V. I. (2009). Globalinie izmeneniia klimata I prognoz riskov v seliskom hozyaistve Rossii [Global climate change and risk forecast in agriculture of Russia]. A. L. Ivanov (Ed.). Moscow: Russian agri-cultural Academy [in Russian].
9. - 518 s.
10. Ivanov, A. L. (2009). Globalinoe izmenenie klimata i ego vliianie na seliskoe hoziaistvo [Global climate change and its impact on agriculture]. Zemledelie - Zemledelie, 1, 3-5 [in Russian].
11. Semenov, S. M. (2004). Parnikoviie gazy I sovremennii klimat zemli [Greenhouse gases and the modern cli-mate of the earth]. Moscow: publishing center «Meteorology and hydrology» [in Russian].
12. Seliskoe hozyaistvo Uliianovskoi oblasti [Agriculture of the Ulyanovsk region]. (2018). Ulyanovsk: Pechatnyj dvor [in Russian].
13. Agrometeorologicheskii byulleten (s 1961 po 2019 gg.) [Agrometeorological Bulletin (from 1961 to 2019)]. Ul-yanovsk [in Russian].
14. Ulanova, E. S., & Zabelin, V. N. (1990). Metodika korreliacionnogo i regressionnogo analiza v agrometeor-ologii [Methods of correlation and regression analysis in agrometeorology]. Leningrad: Hydrometeo izdat [in Rus-sian].
15. Sirotenko, O. D., & Abashina, E. V. (2008). Sovremennie klimaticheskie izmeneniia produktivnosti biosferi Rossii I sopredelinikh stran [Modern climate changes in the productivity of the biosphere of Russia and neighboring countries]. Meteorologiia i gidrologiia - Meteorology and Hydrology, 4, 101-107 [in Russian].
16. Mustafina, A. B. (2019). Osnovnie osobennosti vliianiia pogodnikh uslovii na urozhainost zrnovikh kulitur v RespublikeTatarstan [The Main features of the influence of weather conditions on the yield of grain crops in the Republic of Tatarstan]. Gidrometeorologicheskie issledovaniya i prognozy - Hydrometeorological Research and Forecasting, 2(372), 144-153 [in Russian].
