CC BY
54
ISSN 2304-9081
Электронный журнал
On-line версия журнала на сайте
http://www.elmag.uran.ru
БЮЛЛЕТЕНЬ
ОРЕНБУРГСКОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА УрО РАН
УЧРЕДИТЕЛИ
УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ РАН ОРЕНБУРГСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР УрО РАН
1
© А.А. Неверов, 2016
УДК: 004.94:551.58:633.854.78:631.559/470.56 А.А. Неверов
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СВЯЗИ УРОЖАЯ ПОДСОЛНЕЧНИКА С ПОГОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИМИ УСЛОВИЯМИ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЗОНЫ ОРЕНБУРГСКОЙ ОБЛАСТИ
Оренбургский научно-исследовательский институт сельского хозяйства, Оренбург, Россия
Цель. Разработать математические модели связи урожайности семян подсолнечника с погодно-климатическими условиями центральной зоны Оренбургской области.
Материалы и методы. Для решения поставленных задач была использована информация длительных рядов урожайности подсолнечника Оренбургского района Оренбургской области (1950-2013 гг.), а так же материалы агрометеорологических бюллетеней Оренбургского областного центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (метеостанция - г. Оренбург). Применялись методы нейросетевого и многомерного регрессионного анализа.
Результаты. Впервые разработаны математические модели связи: тренда урожайности подсолнечника с климатическими факторами и отклонений урожайности от тренда с погодными факторами, определившими эти отклонения.
Заключение. Вследствие положительного влияния климатических условий ноября на динамику тренда урожайности подсолнечника в ближайшее десятилетие подсолнечник будет одной из наиболее востребованных и рентабельных сельскохозяйственных культур в условиях арридизации климата степной зоны Оренбуржья.
Ключевые слова: климат, тенденция, температура, осадки, сельскохозяйственная культура, подсолнечник, урожайность, регрессия, нейронная сеть.
A.A. Neverov
COMPUTER MODELING OF CONNECTION HARVEST SUNFLOWER WITH THE WEATHER AND CLIMATE CONDITIONS OF THE CENTRAL ZONE IN ORENBURG REGION
Orenburg scientific research Institute of agriculture, Orenburg, Russia
Purpose. To develop the mathematical model for seed yield of sunflower with the weather and climate conditions of the Central zone of the Orenburg region.
Materials and methods. To solve the set tasks were used the data for a long series of sunflower yielding capacity of the Orenburg district of Orenburg region (1950-2013 years), as well as materials agrometeorological bulletins of the Orenburg regional center for Hydrometeorology and environmental monitoring (weather station - Orenburg). We have applied the methods of neural network and multivariate regression analysis.
Results. First developed a mathematical model of communication: trend of yield of sunflower with climatic factors and deviations of productivity from trend with weather factors that determined these variations.
Conclusion. Due to the positive influence of climatic conditions on November the trend dynamics of productivity of sunflower in the next decade the sunflower will be one of the most popular and profitable crops in the context of aridization climate of the steppe zone of Orenburg region.
Keywords: climate, trend, temperature, precipitation, agricultural crop, sunflower, yield, regression, the neural network.
Введение
В раннее опубликованных работах [1-5] нами показаны принципы математического (статистического) моделирования связей урожайности сельскохозяйственных культур с погодно-климатическими условиями центральной зоны Оренбургской области.
В настоящей работе предпринята попытка на этих же принципах провести агрометеорологическую реконструкцию временного ряда урожайности подсолнечника.
Материалы и методы
Для решения поставленных задач была использована информация длительных временных рядов урожайности подсолнечника Оренбургского района Оренбургской области (1950-2013 гг.), а так же материалы агрометеорологических бюллетеней Оренбургского областного центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (метеостанция - г. Оренбург). Применялись методы нейросетевого и многомерного регрессионного анализа программы «Statistical, использовались различные стохастические алгоритмы аппроксимации. В созданных нейронных сетях (многослойный персеп-трон) использовались логистические функции активации нейронов.
Для расчёта тренда и отклонений от него использовался метод гармонических весов в авторской программе «Prognostics v. 4-1»
Результаты и обсуждение
Средняя по Оренбургскому району урожайность семян подсолнечника за период (1950-2013 гг.) составила 4,9 ц с 1 га, минимальная - 0,8 ц с 1 га - наблюдалась в 1951, 1955, 1959 гг., максимальная - 11,7 ц с 1 га в 2008 г. (табл. 1, рис. 1).
Таблица 1. Описательная статистика временного ряда урожайности семян подсолнечника (1950-2013 гг.)
Показатели Количество наблюдений Диапазон Размах Среднее (M) Стдан-дартное отклонение, ц с 1 га Стандартное отклонение от среднего, %
Урожайность, ц с 1 га 64 0,8- 11,7 10,9 4,9 2,6 53,1
Тренд урожайности, ц с 1 га 64 0,5-7,5 7,0 4,8 1,4 29,1
Отношение урожайности к тренду,% 64 23,5-344,0 320,4 102 50,7 49,7
Размах колебаний урожайности подсолнечника весьма значительный, достиг 10,9 ц с 1 га за 64 года наблюдений, стандартное отклонение от сред-
2
него по тренду составило 29,1%, по отношению к тренду - 49,7%.
о ;г
3
о>
<J
л ^
о t >э
0
1 £
1947 1952 1957 1962 1967 1972 1977 1982 1987 1992 1997 2002 2007 2012
Годы
■ ■ ■ урожайность — тренд
Рис. 1. Фактическая урожайность семян подсолнечника и её тренд с 22-летней фазой скользящего осреднения (1950-2013 гг.).
Таким образом, погодные факторы более существенно влияли на формирование урожая подсолнечника в сравнении с изменениями климатических условий.
Путем агрометеорологической реконструкции удалось восстановить наиболее вероятную урожайность подсолнечника с 1892 года по настоящее время и ее тренд с 22-летней фазой скользящего осреднения (рис. 2).
и
S
<ь и
■О
Е
и
о £
о *
о £
14
12
10
0
1891 1900 1909 1918 1927 1936 1945 1954 1963 1972 1981 1990 1999 2008
урожайность тренд
Годы
Рис. 2. Агрометеорологическая реконструкция урожайности семян
подсолнечника и её тенденция с 22-летней фазой скользящего осреднения (1892-2013 гг.).
Точность восстановления временного ряда урожайности подтверждается высоким коэффициентом корреляции (более 0,9) между наблюдаемыми и прогнозируемыми величинами в обучающей, контрольной и тестовой выборках. Для демонстрации приведены значения независимых тестовых выборок по 4-м лучшим нейросетевым моделям (№263, №266, №398, №483), вошед-
3
0
8
6
4
2
Бюллетень Оренбургского научного центра УрО РАН (электронный журнал), 2016, № 1 шим в ансамбль (табл. 2), на основании которого реконструирован временной ряд с 1892 по 1951 годы (табл. 3).
Таблица 2. Наблюдаемая и прогнозируемая урожайность семян подсолнечника в тестовой выборке моделей
Модель № °263 Модель №266 Модель №398 Модель №483
год Ун У У пр. год Ун У Упр. год Ун У Упр. год Ун У Упр.
1951 0,8 1,0 1952 0,9 1,0 1960 4,5 4,1 1955 0,8 0,7
1952 0,9 0,8 1956 3,2 3,1 1962 3,1 2,9 1961 3,7 3,4
1963 3,3 3,1 1961 3,7 4,5 1966 5,2 5,3 1966 5,2 5,0
1964 9,3 10,3 1962 3,1 3,6 1978 6,3 6,0 1968 9,5 9,4
1967 1,5 2,1 1967 1,5 1,9 1984 2,7 2,8 1979 5,3 4,9
1969 8,2 8,0 1976 8,2 8,2 1988 2,7 1,0 1981 2,5 2,8
1973 8,9 7,0 1986 6,5 6,2 1990 8,0 8,6 1991 4,5 4,6
1974 6,7 6,6 1988 2,7 2,0 1995 1,7 1,6 1992 6,6 6,5
2000 5,9 5,3 2005 7,0 6,2 2002 4,5 4,5 2001 3,0 3,5
Примечание - урожайность: Ун. - наблюдаемая, Упр. - прогнозируемая, ц с 1 га.
Таблица 3. Прогнозируемая урожайность семян подсолнечника за период 1892-1951 гг. (реконструкция в нейронных сетях)
Год Прогноз, ц с 1 га Год Прогноз, ц с 1 га Год Прогноз, ц с 1 га
1892 2,5 1912 6,5 1932 2,9
1893 3,0 1913 5,4 1933 2,6
1894 7,5 1914 6,2 1934 6,3
1895 6,0 1915 7,7 1935 4,3
1896 5,4 1916 4,6 1936 2,9
1897 3,9 1917 3,5 1937 3,7
1898 2,9 1918 6,4 1938 3,2
1899 3,2 1919 2,3 1939 3,9
1900 7,1 1920 4,4 1940 1,8
1901 3,5 1921 2,0 1941 6,7
1902 3,8 1922 4,5 1942 3,9
1903 3,1 1923 3,4 1943 3,5
1904 3,4 1924 5,0 1944 5,2
1905 3,9 1925 4,8 1945 7,4
1906 4,0 1926 7,1 1946 5,1
1907 5,0 1927 4,0 1947 7,3
1908 3,8 1928 6,6 1948 6,3
1909 4,6 1929 3,3 1949 3,8
1910 6,0 1930 4,2 1950 1,8
1911 3,5 1931 5,5 1951 0,8
Примечание - Неурожайные годы выделены жирным шрифтом.
Бюллетень Оренбургского научного центра УрО РАН (электронный журнал), 2016, № 1 На динамику тренда урожайности подсолнечника в многолетнем периоде существенное влияние оказали климатические условия ноября предшествующего урожаю года: тренды среднесуточной температуры воздуха и осадки в совокупности определили 77,4% дисперсии результативного показателя, на долю других факторов: температуры воздуха в феврале и осадков 3-ей декады июля пришлось 14,6% изменчивости (табл. 4).
Таблица 4. Зависимость тенденции урожайности семян подсолнечника от климатических факторов (1891-2013 гг.)
Климатические факторы Доля влияния, % Коэффициенты регрессии t- Стью-дента
Начальная ордината 8,23±0,27 29,8
Температура воздуха ноября пр. года, град. С 65,7 0,61±0,02 29,7
Tемпература воздуха февраля, град. С 9,8 0,27±0,02 14,6
Осадки ноября пр. года, мм 11,7 0,04±0,00 12,8
Осадки 3-ей декады июля, мм 4,8 0,08±0,01 8,5
Я2 =0,92; Б (4,115) = 367
Связь между условиями ноября с урожайностью прямая, рост температуры воздуха и увеличение осадков способствовало росту урожайности подсолнечника (рис. 3-4).
7,5 -1,0
2 о 7,0 -1,5
о ^ 6,5 -2,0
° «Т 6,0 'ч у -2,5
-о £ 5,5
-3,0
^ а* 1 1 <8 <М 5,0 4,5 Л' 4 у^Ч 4 / 4 ' -3,5
* § ^ о 4,0 3,5 V г ^ 1 \ / г \ 1 \ \ / / * ' г -4,0 -4,5 -5,0
О 1й 3,0 * ч\у
А о ^ С 2,5 2,0 ■ V -5,5 -6,0
о
та
^ «8
£ ^
«5 *
£ £ с £
.о о К о о
1911 1927 1943 1959 1975 1991 2007 3 1919 1935 1951 1967 1983 1999
Годы
— Тренд подсолнечника
- • Тренд температуры ноября
Рис. 3. Тенденции урожайности подсолнечника и среднесуточной температуры воздуха ноября прошлого года.
В отличие от основных традиционных зерновых культур (озимая рожь,
ячмень, яровая пшеница и просо), в последние десятилетие наметился рост
Бюллетень Оренбургского научного центра УрО РАН (электронный журнал), 2016, № 1 урожайности семян подсолнечника, что связано с изменениями климатических условий в ноябре - месяце, предшествующему году урожая.
Годы
— урожайность
- • осадки
Рис. 4. Тенденции урожайности семян подсолнечника и осадков ноября прошлого года.
В значительной степени происходят колебания урожайности семян подсолнечника под влиянием ежегодно меняющихся погодных факторов предвегетационного и вегетационного периодов.
Кроме постоянно действующих климатических факторов в условиях Оренбургского района существенное влияние на формирование урожайности семян подсолнечника оказали осадки 1-ой декады мая - в 21,4% случаев и температура воздуха 1-ой декаде августа - 12,4%, связь с осадками положительная, а с температурой - отрицательная (табл. 5).
Таблица 5. Влияние погодных условий на отклонения от тренда урожайности семян подсолнечника
Предикторы Я2 =0,63 Регрессия
Доля влияния фактора, % Коэффициенты регрессии Т - критерий оценки ко-эфициентов
Начальная ордината 92,94±21,6 4,3
Отклонения от тренда осадков ноября прошлого года, % 9,1 0,214±0,04 5,3
Температура воздуха 1-ой декады августа, оС 12,4 -3,36±0,88 -3,8
Отклонения от тренда осадков 2-ой декады января, % 8,5 0,15±0,03 5,0
Осадки апреля, мм 5,2 0,50±0,13 4,0
Осадки 1-ой декады мая, мм 21,4 1,14±0,20 5,6
Осадки июня, мм 6,7 0,49±0,08 5,8
Бюллетень Оренбургского научного центра УрО РАН (электронный журнал), 2016, № 1 Также как и в случае связи тренда с климатическими факторами, в уравнении регрессии присутствуют условия атмосферного увлажнения ноября прошлого года с долей участия 9,1%. Отклонения осадков от тренда во 2-ой декаде января, осадки апреля и июня определяли отклонение урожайности от тренда в совокупности в 20,4% случаев.
Осадки 1-ой декады мая улучшают увлажнение верхнего посевного слоя почвы для получения оптимальной густоты всходов и интенсивного начального роста растений, что существенно влияет на формирование урожая семян подсолнечника в условиях сухостепной зоны Оренбуржья. Данный фактор (с долей влияния 21,4%) следует учитывать агрономам в будущем для определения технологии выращивания подсолнечника.
Второй по значимости фактор, в 12,4% случаев лимитирующий урожай семян подсолнечника - это температурный режим первой декады августа, то есть в период цветения и оплодотворения завязи. Это вполне объяснимо, поскольку высокая температура воздуха способна стерилизовать пыльцу, что в итоге приводит к существенному недобору урожая семян. Заключение
Таким образом, существенное положительное влияние на динамику тренда урожайности подсолнечника в многолетнем периоде оказывают климатические условия ноября предшествующего урожаю года: рост среднесуточной температуры воздуха и осадков в этот период определяет 77,4% дисперсии результативного показателя.
Очевидно, что в ближайшее десятилетие подсолнечник будет одной из наиболее востребованных и рентабельных сельскохозяйственных культур в условиях арридизации климата степной зоны Оренбуржья.
ЛИТЕРАТУРА
1. Неверов А.А. Современные тенденции изменения урожайности зернофуражных культур в Оренбургской области. Вестник мясного скотоводства. 2014. №3(86): 125-130.
2. Неверов А.А. Современные тенденции изменения климата в Оренбургской области. Вестник мясного скотоводства. 2015. 1(89): 117-121.
3. Неверов А.А. Влияние погодноклиматических условий на формирование урожая ячменя в центральной зоне Оренбургской облвасти (цикл статей по теме «Исследования методами нейросетевого анализа влияния региональных изменений климата на продуктивность агрофитоценозов»). Вестник мясного скотоводства. 2015. 2(90): 114-118.
4. Неверов А.А. Математическое моделирование связей урожая озимой ржи с погодно-климатическими условиями в центральной зоне Оренбургской области (цикл статей по теме «Исследования методами нейросетевого анализа влияния региональных изменений климата на продуктивность агрофитоценозов»). Вестник мясного скотоводства. 2015. 3(91): 125-131.
5. Тихонов В.Е., Неверов А.А. Прогноз предикторов многомерной модели урожайности яровой пшеницы для оценки неблагоприятных условий вегетации: времени их наступления, интенсивности и продолжительности. Бюллетень Оренбургского научного центра УрО РАН. 20015. 3: 1-13 [Электронный ресурс] (URL: http://elmag.uran.ru:9673/ magazine/ Numbers/2015 -3/Articles/VET-AAN-2015-3.pdf).
Поступила 25.12.2015
(Контактная информация: Неверов Александр Алексеевич - кандидат сельскохозяйственных наук, ведущий научный сотрудник, Оренбургский НИИ сельского хозяйства; адрес: 460051, г. Оренбург, пр. Гагарина 27/1; моб. тел. 8-922-621-72-36; е-mail: [email protected])
LITERATURA
1. Neverov A.A. Sovremennye tendencii izmenenija urozhajnosti zernofurazhnyh kul'tur v Orenburgskoj oblasti. Vestnik mjasnogo skotovodstva. 2014. №3(86): 125-130.
2. Neverov A.A. Sovremennye tendencii izmenenija klimata v Orenburgskoj oblasti. Vestnik mjasnogo skotovodstva. 2015. 1(89): 117-121.
3. Neverov A.A. Vlijanie pogodnoklimaticheskih uslovij na formirovanie urozhaja jach-menja v central'noj zone Orenburgskoj oblvasti (cikl statej po teme «Issledovanija metodami nejrosetevogo analiza vlijanija regional'nyh izmenenij klimata na produktivnost' agrofitocenozov»). Vestnik mjasnogo skotovodstva. 2015. 2(90): 114-118.
4. Neverov A.A. Matematicheskoe modelirovanie svjazej urozhaja ozimoj rzhi s pogodno-klimaticheskimi uslovijami v central'noj zone Orenburgskoj oblasti (cikl statej po teme «Issledovanija metodami nejrosetevogo analiza vlijanija regional'nyh izmenenij klimata na produktivnost' agrofitocenozov»). Vestnik mjasnogo skotovodstva. 2015. 3(91): 125-131.
5. Tihonov V.E., Neverov A.A. Prognoz prediktorov mnogomernoj modeli urozhajnosti jarovoj pshenicy dlja ocenki neblagoprijatnyh uslovij vegetacii: vremeni ih nastuplenija, intensivnosti i prodolzhitel'nosti. Bjulleten' Orenburgskogo nauchnogo centra UrO RAN. 20015. 3: 1-13 [Jelektronnyj resurs] (URL: http:// elmag.uran.ru:9673/magazine/ Numbers/2015-3/Articles/VET-AAN-2015-3.pdf).
Образец ссылки на статью:
Неверов A.A. Компьютерное моделирование связи урожая подсолнечника с погодно-
климатическими условиями центральной зоны Оренбургской области. Бюллетень Оренбургского научного центра УрО PAR. 2016. 1: 1-8 [Электронный ресурс] (URL:
http://elmag.uran.ru:9673/magazine/ Numbers/2016-1/Articles/NAA-2016- 1.pdf).
