CC BY
232
УДК: 551.58:631+551.4
НОВЫЕ ПОДХОДЫ К ОЦЕНКЕ БИОКЛИМАТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ АДАПТИВНОЛАНДШАФТНЫХ СИСТЕМ ЗЕМЛЕДЕЛИЯ
В.И. ТУРУСОВ, член-корресподент РАСХН, директор
B.М. ГАРМАШОВ, кандидат сельскохозяйственных наук, зав. отделом
М.И. САЛЬНИКОВ, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник
Н.А. НУЖНАЯ, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник
C.А. ГАВРИЛОВА, научный сотрудник
E-mail: niish1c@mail.ru
от обеспеченности почвенно-климатическими ресурсами описывается функцией типа у=а/х+в. Использование усовершенствованных методов позволяет более точно определить биоклиматический потенциал и биоклиматический индекс биологической продуктивности по агроэкологическим районам и оценить эффективность их использования через расчет окупаемости одного балла биоклиматического индекса биологической продуктивностью любой культуры.
Ключевые слова: адаптивно-ландшафтные системы земледелия, проектирование, система оценки, ресурсный потенциал, агроландшафт.
Резюме. В работе рассматриваются методические подходы к системе оценки ресурсного потенциала земель сельскохозяйственного назначения в почвенно-климатических условиях Воронежской области с целью наиболее полного и рационального использования естественно-природных ресурсов при проектировании адаптивно-ландшафтных систем земледелия. На основании статистической обработки - корреляционного и регрессионного анализа созданных баз данных (климатическихусловий, почвенных, природно-ландшафтных, биологических - урожайность основных сельскохозяйственных культур) за 30летний период, анализа и обобщения материалов научной литературы установлены наиболее значимые показатели, определяющие ресурсный потенциал территории землепользования для условий региона (коэффициент природной увлажненности - К, содержание гумуса в почве, эродированность почв). Эмпирическим путем рассчитан поправочный коэффициент, учитывающий степень расчленения территории водосбора овражно-балочной сетью для условий Воронежской области. Он выражается как Е =20Я2, где
1 1 расчлен ’ ^
Я - коэффициент расчлененности территории водосбора овражно-балочной сетью, км/км2. Еще один поправочный коэффициент позволяет учесть различную водоудерживающую способность почв разного гранулометрического состава. Он выражается Кпочв= (1-Б/100), где Б - площадь почв легкого механического состава, %. Усовершенствованная формула
Н.Н. Иванова для Воронежской области имеет следующий вид: Ку= (W+ZP)xКпочв/(Ео+Ерасчл), где Ку - коэффициент увлажнения; W - продуктивные запасы влаги в метровом слое на начало периода, мм; ЕР - сумма осадков за рассматриваемый период, мм; Кпочв.- коэффициент, учитывающий гранулометрический составпопчво. чв; Ео - испаряемость за расчетный период, соответствующий периоду активных температур реального года, мм; Е - испаряемость с учетом степени расчленения
расчл.
территории, мм. В дальнейшем исследованиями установлено, что для условий Воронежской области наиболее точно изменение урожайности возделываемых культур в зависимости
Эффективность сельскохозяйственного производства определяется количеством и качеством почвенноклиматических и антропогенных ресурсов, уровнем их использования и управления. В идеале системы земледелия и принимаемые управленческие решения должны в максимальной степени соответствовать своеобразию природно-ресурсного потенциалатерриторий землепользования. Однако на практике этот принцип часто нарушается, что нередко приводит, с одной стороны, к недоиспользованию потенциала сельскохозяйственного производства, а с другой, к созданию предпосылок для деградации природных систем и, в частности, важнейшего их компонента - почвы.
Поэтому для повышения эффективности земледелия, наряду с инновационным путем развития, необходима его адаптация на основе всестороннего учета почвенных и агроклиматических ресурсов на всех уровнях принятия агротехнических решений. Эту задачу целесообразно решать путем конструирования адаптивных агросистем и агроландшафтов, совершенствования агротехнологий, целенаправленного подбора культур и сортов, оптимизации их размещения с учетом почвенно-климатического потенциала конкретной территории.
Проектирование экологически сбалансированных агроландшафтов и разработка адаптивноландшафтных систем земледелия должны проводиться на основе объективной системы оценки ресурсного потенциала агроландшафта. Поэтому проблема ее разработки остается актуальной.
Таблица 1. Климатический потенциал агроэкологических районов Воронежской области
Показатель Культуры* Агроэкологический район Область
северо- западный северный восточ- ный юго- западный юго- восточный южный
Осадки за вегета- ранние 190 168 169 165 151 154 167
цию, мм средние 212 186 184 173 166 164 182
поздние 268 239 239 222 210 207 232
ГТК ранние 1,07 0,92 0,90 0,89 0,81 0,81 0,91
средние 0,93 0,78 0,75 0,71 0,68 0,65 0,76
поздние 1,0 0,86 0,84 0,78 0,74 0,71 0,83
Коэффициент увлаж- ранние 0,76 0,77 0,53 0,63 0,58 0,57 0,67
нения (Ку) средние 0,60 0,64 0,43 0,51 0,47 0,45 0,54
поздние 0,65 0,65 0,46 0,52 0,48 0,46 0,56
Сумма активных тем- ранние 1770 1818 1885 1861 1871 1916 1854
ператур, °С средние 2294 2378 2464 2439 2449 2511 2423
поздние 2671 2771 2857 2839 2848 2933 2820
Испаряемость, мм ранние 427 418 491 474 480 496 464
средние 538 526 622 598 611 631 588
поздние 615 600 709 686 705 728 674
* ранние - раноубираемые; средние - со средним сроком уборки; поздние - с поздним сроком уборки.
12 ---------------------------------------------------- Достижения науки и техники АПК, №12-2013
Таблица 2. Корреляционное отношение между урожайностью сельскохозяйственных культур и показателями почвенного плодородия по функции
у=а /х + в
Показатель
Культура гумус, % бони- тет, балл эродиро- ванность, % легкие почвы, % К у
Озимая пшеница 0,935 0,904 0,989 0,896 0,922
Озимая рожь 0,864 0,857 0,982 0,874 0,803
Ячмень 0,852 0,823 0,975 0,904 0,889
Горох 0,793 0,730 0,942 0,901 0,836
Овес 0,821 0,771 0,834 0,831 0,787
Кукуруза на зерно 0,545 0,585 0,828 0,835 0,758
Сахарная свекла 0,813 0,705 0,809 0,817 0,838
Подсолнеч- ник 0,839 0,784 0921 0,894 0,849
Кукуруза на силос 0,889 0,888 0,805 0,814 0,897
Однолетние травы 0,701 0,609 0,972 0,899 0,769
Многолетние травы 0,696 0,630 0,968 0,903 0,754
Методические основы оценки агроклиматических ресурсов территории, заложенные еще в работах А.И. Воейкова и П.И. Броунова, были развиты последующими поколениями агроклиматологов [1...7 и др.]. Однако для проектирования современных высокоэффективных адаптивно-ландшафтных систем земледелия необходима их большая детализация.
Цель наших исследований - разработка системы оценки и оценка биоклиматического потенциала агроэкологических районов Воронежской области для эффективного использования земель сельскохозяйственного назначения и выявление их региональных различий.
Условия, материалы и методы. Исследование климатических условий и их изменений, особенно в таком важном для страны регионе как Воронежская область, представляет собой весьма трудную задачу. Связано это не только с различиями между агроэколо-гическими районами области, но и с необходимостью точного определения их хозяйственно-экономических возможностей.
Для определения ресурсного потенциала территории Воронежской области и ее агроэкологических районов, в качестве потенциально важных предикторов, в базу данных вводили и анализировали следующие почвенно-климатические показатели: характеристики рельефа местности (расчлененность территории овражно-балочной сетью), параметры почвенного плодородия (содержание гумуса, основных элементов минерального питания, рН, гранулометрический состав почв), величины среднемесячных температур и
осадков по каждому месяцу вегетационного периода основных возделываемых культур с их ранжированием на раноубираемые, использующие преимущественно ресурсный потенциал в апреле-июле; со средним сроком уборки, потребляющие основную часть ресурсов в мае-августе; с поздним сроком уборки, использующие ресурсный потенциал в апреле-сентябре (табл. 1). Кроме того, использовали материалы статистической отчетности об урожайности сельскохозяйственных культур по административным районам области за 1970-2000 гг.
Далее методами математической статистики и регрессионного анализа с группированием данных сначала по всем 32 административным районам, а затем по 6 агроэкологическим районам были установлены наиболее значимые зависимости продуктивности культур от климатических и почвенных условий. Коэффициенты корреляции и корреляционные отношения устанавливали по 9-и математическим функциям.
Результаты и обсуждение. Для условий Воронежской области наиболее точно изменение урожайности возделываемых культур в зависимости от почвенно-климатических условий отражается функцией типа у=а/х+в, где у - урожайность; а - коэффициент регрессии; х - независимая переменная; в - свободный член.
С ее использованием мы установили, что наиболее значимые взаимосвязи урожайности культур с изучаемыми факторами (табл. 2) характерны для таких показателей, как содержание гумуса в почве, эродированностью почв и коэффициент природной увлажненности территории (Ку).
В ранее разработанных методиках [2, 4, 5] использовали коэффициент увлажнения (Ку), позволявший одновременно учитывать и оценивать тепло- и влагообеспеченность территории. Более глубокий анализ его расчета показал, что в этих методиках Ку не учитывает рельефа территории и неоднородности гранулометрического состава почв. При этом известно, что расчлененность овражно-балочной сетью способствует увеличению поверхностного испарения на 20...40 % [8]. Мы усовершенствовали общепринятую формулу расчета коэффициента природного увлажнения (Ку). Для этого эмпирическим путем был установлен поправочный коэффициент, учитывающий степень расчленения территории водосбора овражно-балочной сетью, который дополнительно ввели в формулу. Для почвенно-климатических условий Воронежской области он выражается как Е =20Я2, где Я - коэффициент расчлененности
расчлен > м -г -г “I г-
территории водосбора овражно-балочной сетью, км/км2.
Кроме того, понимая, что почвы разного гранулометрического состава обладают неодинаковой водоудерживающей способностью, что особенно важно в
Таблица 3. Корреляционное отношение (п), рассчитанное по формуле у = а/х + в
Наименование Показа- Озимая Ячмень Горох Однолетние травы Сахарная свекла Подсол- нечник Кукуруза на силос
тель пшеница рожь
Ку по Н.Н. Иванову п 0,911 0,785 0,859 0,802 0,804 0,812 0,881 0,738
п2, % 83 61,6 73,8 64,3 64,6 65,9 77,6 54,5
введение в формулу п 0,922 0,803 0,889 0,836 0,812 0,821 0,897 0,769
п2, % 85 64,5 79 69,9 65,9 66,7 80,5 59,1
введение в формулу п 0,926 0,813 0,896 0,841 0,815 0,824 0,904 0,778
К п2, % 85,7 66,1 80,3 70,7 66,4 67,9 81,7 60,5
введение в формулу п 0,936 0,824 0,903 0,854 0,819 0,831 0,911 0,804
Е и К расчл почв п2, % 87,6 67,9 81,5 72,9 67,1 69,1 83,0 64,6
Таблица 4. Корреляционные связи урожайности сельскохозяйственных культур с климатическими
условиями по функции у = а/х + в
Показатель Озимая пшени- ца Ози- мая рожь Яч- мень Овес Горох Кукуруза на зерно Сахар- ная свекла Под- солнеч- ник Кукуруза на силос Одно- летние травы Мно- петние травы
Осадки апрель 0,926 0,842 0,862 0,782 0,914 0,850 0,881 0,844 0,830
май 0,873 0,646 0,824 0,750 0,875 0,511 0,773 0,778 0,694 0,759 0,749
июнь 0,907 0,876 0,867 0,762 0,838 0,531 0,736 0,858 0,611 0,832 0,819
июль 0,818 0,725 0,690 0,751 0,693 0,617 0,595 0,907 0,717 0,702
август 0,827 0,831 0,826 0,905 0,853
сентябрь 0,720 0,888 0,815 0,767
вегетация 0,833 0,745 0,792 0,739 0,733 0,668 0,845 0,844 0,810 0,747 0,795
ГТК за вегетацию 0,891 0,732 0,854 0,709 0,798 0,728 0,803 0,825 0,865 0,721 0,739
Ку за вегетацию 0,922 0,803 0,889 0,787 0,836 0,758 0,838 0,849 0,897 0,769 0,754
условиях неустойчивого и недостаточного увлажнения, мы усовершенствовали формулу Н.Н. Иванова путем подбора и введения в нее поправочного коэффициента, учитывающего такие различия:
К =(1-Б/100),
почв ' ' ' ’
где Б - площадь почв легкого механического состава, %.
В результате усовершенствованная формула Н.Н. Иванова для почвенно-климатических условий Воронежской области приняла следующий вид:
К = (W+'LP) х К /(Е+Е ),
у ' ^ у почв ' о расчллл ’
где Ку - коэффициент увлажнения; W - продуктивные запасы влаги в метровом слое на начало периода, мм; ЕР - сумма осадков за рассматриваемый период; Кпочв- коэффициент, учитывающий различную водоудерживающую способность почв разного гранулометрического состава; Ео - испаряемость за расчетный период, соответствующий периоду активных температур реального года, мм; Е - испаряемость с учетом степени расчленения
расчлл
территории, мм.
Усовершенствование формулы путем введения поправочного коэффициента, учитывающего расчлененность территории овражно-балочной сетью, повысило коэффициент детерминации на 0,8...5,6 %, поправочного коэффициента, учитывающего гранулометрический состав почв, - еще на 1,8...6,5 %, совместное их применение при расчете корреляционного отношения по уравнению у =а/х+в обеспечило повышение коэффициента детерминации на 2,5.10,1 % (табл. 3).
Дальнейшую оценку биологической продуктивности земель выполняли на основе физико-статистической модели расчета биоклиматического потенциала (БКП) и климатического индекса биологической продуктивности (Бк) по Д.И. Шашко с учетом введения дополнительных показателей. Усовершенствованный расчет, учитывающий рельеф местности и гранулометрический состав почв, повысил тесноту корреляционной связи урожайности сельскохозяйственных культур с климатическими условиями (табл. 4).
Анализ результатов расчета биоклиматического потенциала и климатического индекса биологической продуктивности свидетельствует (табл. 5), что почвенно-климатические условия области для возделывания культур, использующих ресурсный потенциал в апреле-июле, относятся к градации средняя биологическая продуктивность, набирая 108.119 баллов Бк; в мае-августе - повышенная продуктивность (128. 145 баллов); в мае-сентябре - высокая биологическая продуктивность (152.170 баллов Бк).
При этом биоклиматический потенциал и климатический индекс биологической продуктивности уменьшаются с севера на юг и с запада на восток.
На основании соотношения показателей урожайности и климатического индекса биологической продуктивности мы определили окупаемость одного балла (табл. 6), которая позволяет оценить эффективность использования почвенно-климатического потенциала при производстве сельскохозяйственной продукции.
Наибольшая окупаемость почвенно-климатического ресурса в Воронежской области отмечена в северозападном агроэкологическом районе, практически по всем возделываемым культурам, наименьшая - в восточном. При этом следует отметить, что северный агроэкологический район, характеризующийся лучшими параметрами биоклиматического потенциала, уступает по окупаемости балла климатического индекса биологической продуктивности северо-западному району. В этой связи необходимо скорректировать и усилить антропогенный ресурс, придать большую наукоемкость агротехнологиям в северном агроэко-логическом районе.
Выводы. Для территории Воронежской области установлены основные наиболее важные почвенноклиматические показатели, определяющие ресурсный потенциал территории и продуктивность выращиваемых культур. Это содержание гумуса в почве, эроди-рованность почв и коэффициент природной увлажненности территории.
По вычисленным на основании экспериментальных данных линейным зависимостям установлено уравнение у=а/х+в, характеризующее уровень возможной продуктивности возделываемых сельскохозяйственных культур при обеспеченности территории соответствующими ресурсными предикторами.
Таблица 5. Биоклиматический потенциал (БКП) и климатический индек-
сбиологической продуктивности (Бк) по агроэкологическим районам Воронежской области
По- каза- тель Культуры Агроэкологический район Область
северо- запад- ный север- ный юго-вос- точный юж- ный юго- запад- ный вос- точ- ный
БКП ранние 2,09 2,16 2,0 2,02 2,05 1,96 2,07
средние 2,48 2,63 2,38 2,41 2,47 2,33 2,48
поздние 2,98 3,09 2,80 2,83 2,89 2,77 2,93
Бк ранние 115 119 110 111 113 108 114
средние 136 145 131 132 136 128 137
поздние 164 170 154 156 159 152 161
Таблица 6. Окупаемость одного балла климатического индекса биологической продуктивностью
(Бк), ц
Культура Агроэкологический район Область
северо- западный северный юго-восточ- ный южный юго-запад- ный восточ- ный
Озимая пшеница 0,24 0,22 0,24 0,21 0,23 0,20 0,22
Озимая рожь 0,19 0,18 0,21 0,18 0,17 0,16 0,18
Ячмень 0,20 0,18 0,17 0,16 0,18 0,14 0,17
Горох 0,13 0,12 0,13 0,13 0,13 0,10 0,12
Овес 0,16 0,16 0,16 0,14 0,14 0,13 0,14
Просо 0,08 0,07 0,09 0,08 0,08 0,06 0,07
Гречиха 0,05 0,04 0,06 0,06 0,05 0,04 0,04
Кукуруза 0,12 0,11 0,12 0,10 0,11 0,09 0,10
Сахарная свекла 1,09 1,08 1,09 1,06 1,12 0,78 1,07
Подсолнечник 0,06 0,06 0,08 0,07 0,07 0,06 0,07
Кукуруза на силос 1,52 1,42 1,47 1,21 1,31 1,14 1,35
Однолетние травы 0,22 0,19 0,23 0,21 0,21 0,16 0,21
Многолетние травы 0,18 0,16 0,19 0,18 0,16 0,15 0,18
Предложенная модель системы оценки ресурсного потенциала имеет ряд преимущест, по сравнению с ранее существовавшими. Во-первых, установлены основные наиболее важные почвенно-климатические показатели, определяющие продуктивность культур для конкретных почвенно-климатических условий. Во-вторых, разработана формула, позволяющая оценить любой из основополагающих предикторов, определяющих ресурсный потенциал и продуктивность культур. В-третьих, почвенно-климатический потенциал выражается в индексах урожайности, а не в условных показателях, характеризующих в большинстве своем распределение тепла и влаги без учета требований к ним возделываемых культур. В системе оценки предпринята попытка комплексно-
го учета ресурсов климата, ландшафтных условий и почвенного плодородия, что более полно характеризует экологическую среду, в которой ведется сельскохозяйственное производство. Еще было важное обстоятельство - универсальность подхода и оценки имеющихся ресурсов применительно к возделыванию различных культур.
Использование предложенных подходов открывает возможности для реальной оценки БКП, как в целом по области, так и по различным ее агроэкологическим районам с целью повышения эффективности использования имеющегося ресурсного потенциала при разработке адаптивно-ландшафтных систем земледелия и программ сельскохозяйственной деятельности с оптимальной нагрузкой на экосистему.
Литература
1. Чирков Ю.И. Агрометеорология. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. 300 с.
2. Шашко Д.И. Агроклиматические ресурсы СССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 247с.
3. Дмитренко В.П. Метод расчета урожайности озимой пшеницы на территории УССР// Труды УкрНИГМИ. 1975. вып. 139. с. 3 - 14. 118.
4. Сапожникова С.А. Опыт агроклиматического районирования территории СССР// Вопросы агроклиматического районирования СССР. М.: изд. МСХСССР, 1958, С. 14 - 37.
5. Сапожникова С.А. Об уточнении оценки сельскохозяйственного бонитета климата. //Агроклиматические ресурсы природных зон СССР и их использование. Л.: Гидрометеоздат, 1970, С. 80 - 91.
6. ТоомингХ.Г. Солнечная радиация и формирование урожая. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. 200 с.
7. Шашко Д.И. Методы бонитировки и экономической оценки земли (на основе учета агроклиматических условий). //Агроклиматические ресурсы природных зон СССР и их использование. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. С. 59 - 79.
8. Рожков А.Г. Борьба с оврагами. - М.: Колос, 1981. - 199 с.
NEW APPROACHES TO AN ESTIMATION OF BIOCLIMATIC POTENTIAL AT DESIGNING ADAPTIVE - LANDSCAPE SYSTEMS OF AGRICULTURE V.I.Turusov, V.M.Garmashov, M.I.Salnikov, N.A.Nuhnaya, S.A.Gavrilova
Summary. In work methodical approaches to system of an estimation of resource potential of the grounds of agricultural purpose for soil - climatic conditions of the Voronezh area, with the purpose of the most full and rational use of natural - natural resources are considered at designing adaptive - landscape systems of agriculture. On the basis of statistical processing - correlation and regression analyses of the created databases (climatic conditions, soil, natural-landscape, biological - productivity of the basic agricultural crops) for 30 years period, the analysis and generalizations of materials of the scientific literature are established the most significant parameters determining resource potential of territory of land tenure for conditions of the Voronezh area (factor natural moisten - Ку, the contents humus in ground, truncated soils). We in the empirical way had been designed the correction factor which is taking into account a degree of a partition of territory of a reservoir ravine-girder by a network for conditions of the Voronezh area. It is expressed as Ерасчлен = 20R2, where R - factor ravines to territory of a reservoir ravine-girder by a network, km / km2. Taking into account, that ground different granulometric structure possess unequal water-holding ability that is especially important in conditions of unstable and insufficient humidifying. N.N.Ivanov’s formula has been advanced by selection and introduction in it of the correction factor which is taking into account various water-holding ability почв various granulometric of structure. It is expressed Кпочв = (1-S/100), where S - the area soils easy mechanical structure, %. Taking into account all above-stated, N.N.Ivanov’s advanced formula for the Voronezh area has the following kind: Ку = (W + Z P) х Кпочв / (Ео + Ерасчл), where Ку - factor of humidifying; W - productive stocks of a moisture in a meter layer by the beginning of the period, mm; ZP - the sum of deposits for the considered period, mm; Кпочв -the factor which is taking into account granulometric structure soil; Ео - evaporation for the settlement period - corresponding to the period of active temperatures of real year, mm; Ерасчл - evaporation in view of a degree of a partition of territory, mm. Further by researches it is established, that for conditions of t he Voronezh area change of productivity of cultivated cultures is the most exact depending on security soil - climatic resources is described by function of type у = а / х + в. Use of the advanced methods allows to define more precisely bioclimatic potential and a bioclimatic index of biological efficiency on agroecological to areas of the Voronezh area and to estimate efficiency of use of these parameters through calculation of a recoupment of one point of a bioclimatic index by biological efficiency of any culture.
Key words: adaptive - landscape systems of agriculture, designing, system of an estimation, resource potential,agrlandscape.
