CC BY
15
УДК 551.579.5(470.1/.6) Л.Л. Тарасова
ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРА ПОЛЯ ЗАПАСОВ ПРОДУКТИВНОЙ ВЛАГИ В ПОЧВАХ ЧЕРНОЗЕМНОЙ ЗОНЫ ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ
Введение. В агрометеорологии — фундаметально-прикладной географической науке — решаются, как известно, две основные проблемы. Первая — изучение влияния многофакторных климатических условий на фитоценозы культурных растений и их конечную продуктивность [2, 17], другая — разработка и использование методов прогноза урожайности [19].
Для рационализации системы непосредственно измеряемых метеопараметров, имеющих, как правило, локальный характер, и для перехода к региональной оценке агрометеорологических условий, а также решения задач прогноза урожайности сельскохозяйственных культур необходимо использовать сведения о статистической структуре полей температуры воздуха и почвы, осадков, прихода радиации и т.д. Эти данные позволяют применять наиболее эффективные объективные методы контроля экстраполяции, интерполяции и осреднения по площади метеорологических данных.
Среди многих факторов, влияющих на продукционный процесс, изучению режима влажности почвы, от которой в первую очередь и зависят поглощение элементов минерального питания, фотосинтез, транспирация, тепловой режим растений и в конечном итоге урожайность, на уровне крупных зерно-производящих регионов, а не отдельных опытных полей, уделялось мало внимания. Для оценки увлажненности почвы рассчитывают запасы продуктивной влаги, т.е. часть влаги в почве (сверх влажности устойчивого завядания), за счет которой осуществляется накопление растительной массы и формирование урожая. Их принято выражать в миллиметрах толщины водяного слоя для сопоставления с данными по осадкам и испарению. Обычно при изучении пространственно-временной структуры полей запасов продуктивной влаги в почве данные наблюдений ос-реднялись по времени (среднемесячные) [10, 11] и по административному принципу [3, 9, 12, 19], что, безусловно, предпочтительнее для сопоставления с среднеобластной урожайностью и заполнения пропусков во временных рядах. Однако в этом случае пространственное поле запасов продуктивной влаги получается сильно сглаженным. Экспериментальные данные и теоретический анализ [16] показали, что вода, поданная на поверхность почвы, относительно равномерно распределяется в метровом слое почвы уже через сутки, поэтому даже декадное разрешение не дает полной картины изменчивости поля влажности почвы.
В статье описана попытка исследования характеристик пространственно-временной структуры мезо-масштабного поля запасов продуктивной влаги в поч-
вах черноземной зоны европейской части России и сопоставления их с предшествующим периодом. Для оценки связности поля запасов продуктивной влаги нужно построить корреляционные функции и проследить, на каком расстоянии эта связность прослеживается.
База данных. В работе использовалась агрометеорологическая база данных ГУ "Гидрометцентр России", содержащая декадную информацию о запасах продуктивной влаги в пахотном (0—20 см) и метровом слоях почвы под ранними яровыми зерновыми культурами (ячмень и пшеница) с мая по июль 1995— 2006 гг. на 70 станциях в черноземной зоне европейской части России. В метровом слое почвы коэффициенты вариации составляют 20—30%, статистические ошибки средних и дисперсий не превышают 10% с вероятностью 0,95 [4]. В то же время из-за высоких значений коэффициента вариации запасов продуктивной влаги в пахотном слое почвы (60—70%) длина имеющегося ряда наблюдений недостаточна для получения достоверных результатов и в дальнейшем не используется.
Параметры временных распределений запасов продуктивной влаги. Обычно с точки зрения условий вегетации для суглинистых почв запасы продуктивной влаги в метровом слое оцениваются по 5 градациям (мм): <80 (плохие), 80—120 (недостаточные), 120—160 (удовлетворительные), 160—200 (хорошие) и >200 (избыточные) [2, 17, 19]. Однако следует учитывать, что потребность ранних яровых зерновых культур во влаге до и после цветения различна: запасы продуктивной влаги 80—100 мм в фазах "колошение"— "полная спелость" будут оптимальны для формирования урожая яровых ячменя и пшеницы.
Были рассчитаны повторяемость по упомянутым градациям (табл. 1), средние (Ж, мм), средние квад-ратические отклонения (о, мм) и значения коэффициента вариации (у) запасов продуктивной влаги в метровом слое почвы (табл. 2). В табл. 1, 2 и далее для краткости приведены результаты расчетов лишь по 12 станциям для всех рассматриваемых областей. По типу режима влажности большая часть почв исследуемой территории относится к типу полного весеннего промачивания, на западе — капиллярно-подпертой почвенной влаги (за счет обильного питания атмосферными осадками), на юго-востоке — умеренного и слабого весеннего промачивания (с максимумом весной) [7].
Из данных табл. 1 видно, что весной практически на всех станциях повторяемость плохих условий увлажнения в целом невелика, за исключением станций в восточных и южных районах территории, прежде
Таблица 1
Повторяемость (%) запасов продуктивной влаги в метровом слое почвы
Станция Область Плохие (<80 мм) Недостаточные (81-120 мм) Удовлетворительные (121-160 мм) Хорошие (161-200 мм) Избыточные (>200 мм)
номер название май июнь июль май июнь июль май июнь июль май июнь июль май июнь июль
26997 Трубчевек Брянская 0 14 21 10 5 26 20 33 26 25 29 11 45 19 21
27915 Верховье Орловская 0 0 36 4 10 14 17 48 7 48 33 29 30 10 21
27928 Елец Липецкая 0 37 42 13 32 17 47 21 42 27 11 8 13 0 0
27935 Мичуринск Тамбовская 0 0 20 0 19 10 22 42 50 33 15 10 33 23 15
34005 Фатеж Курская 0 0 8 0 23 50 13 45 17 52 18 25 35 14 8
34110 Богоро-дицкое-Фенино Белгородская 0 4 29 0 35 29 32 31 19 59 31 24 9 0 5
34247 Калач Воронежская 8 42 47 23 31 33 42 19 20 23 8 7 4 0 0
28617 Азнакаево Татарстан 6 11 29 18 32 36 41 32 21 35 16 7 0 11 14
27891 Сенгилей Ульяновская 0 10 46 12 25 15 53 50 31 24 10 15 12 0 0
27857 Земетчино Пензенская 0 18 15 12 18 38 41 29 38 24 35 15 12 0 0
27995 Самара (Безенчук) Самарская 0 38 60 62 50 30 24 4 10 0 4 10 10 4 0
34186 Ершов Саратовская 0 48 82 40 33 18 15 19 9 20 0 0 15 0 0
всего из-за малой высоты снежного покрова и малого количества осадков в ранне весенний период [14]. Также мала и повторяемость избыточного увлажнения в июле. Отметим, что именно избыточное увлажнение во второй половине лета нередко приводит к значительной потере урожая зерновых культур из-за увеличения влажности стеблестоя, полегания хлебов, значительного повреждения растений сельскохозяйственными вредителями и болезнями, ухудшения условий накопления ассимилятов в колосе (в результате чего наблюдается "стекание" зерна, т.е. отток запасных питательных веществ из формирующейся зерновки), повышенной щуплости зерновок.
Из данных табл. 2 следует, что дисперсия запасов продуктивной влаги в июле почти в 2 раза выше, чем в мае, когда почва хорошо увлажнена предшествующим снеготаянием.
При сравнительном анализе прослеживаются две основные географические закономерности. Во-первых, на всей рассматриваемой территории в течение лета запасы продуктивной влаги убывают (растения расходуют влагу для роста), а их изменчивость из-за неравномерного выпадения осадков возрастает. В работе [8] на основе стохастической модели влажности почвы показано, что в июле на европейской части России дисперсия запасов продуктивной влаги в метровом слое почвы на 85—95% определяется "текущими" флуктуациями осадков на фоне стабилизирую-
щего воздействия испарения, транспирации и водообмена через нижнюю границу слоя, а остальные 5— 15% связаны с аномалиями исходного состояния. Во-вторых, увлажнение почвы в центральных черноземных областях лучше, чем в Поволжье, так как на западе черноземной зоны суммы летних осадков существенно (на 30%) выше, чем на востоке [5, 6, 14].
Таким образом, практически повсеместно (за исключением Самарской и Саратовской областей) в метровом слое почвы запасов продуктивной влаги изначально достаточно для прорастания зерна, роста, развития растений и формирования урожая. Для Самарской и Саратовской областей, особенно для заволжских районов, характерно неустойчивое увлажнение, со значительными колебаниями запасов влаги по годам [7]. С другой стороны, в восточных областях в годы с недостаточным увлажнением при характерном для этого региона высоком приходе фотосинте-тически активной радиации содержание белка в зерне более высокое [12, 18].
В то же время следует учитывать, что для ранних яровых зерновых культур основным корнеобитаемым слоем является верхний примерно 30-сантиметровый слой, а в период от всходов до образования третьего листа — верхний 10-сантиметровый слой. В этом слое величина запасов продуктивной влаги может составлять не более 30% от метровых и, следовательно, в ряде случаев быть фактором, лимитирующим продук-
Таблица 2
Средние значения (мм), средние квадратические отклонения о (мм) и значения коэффициента вариации
V запасов продуктивной влаги в метровом слое почвы
Станция Область Май Июнь Июль Весь период
номер название W с V W с V W с V W с V
26997 Трубчевск Брянская 185 42 22 155 55 36 138 61 44 160 56 35
27915 Верховье Орловская 184 41 23 156 33 21 141 66 47 164 48 30
27928 Елец Липецкая 153 32 21 102 39 39 102 42 42 118 44 38
27935 Мичуринск Тамбовская 189 61 32 161 43 27 139 50 36 159 62 39
34005 Фатеж Курская 194 29 15 149 39 26 142 39 27 166 42 25
34110 Богородицкое-Фенино Белгородская 173 28 16 134 36 27 122 49 40 142 44 30
34247 Калач Воронежская 137 33 24 97 38 40 92 41 45 110 43 39
28617 Азнакаево Татарстан 145 35 24 112 42 38 70 25 36 138 50 36
27891 Сенгилей Ульяновская 156 31 20 126 30 24 109 53 49 127 46 36
27857 Земетчино Пензенская 145 45 31 123 48 39 124 31 25 129 47 37
27995 Самара (Безенчук) Самарская 116 45 39 94 44 47 77 52 68 99 48 48
34186 Ершов Саратовская 134 47 35 86 37 43 75 30 40 88 55 62
Осредненные по черноземной зоне СССР (по A.B. Мещерской и др., 1982) 107 22 21 67 24 36
ционный процесс. Отсюда вытекает необходимость в более дифференцированном пространственно-временном анализе распределения продуктивной влаги в почве в связи с региональными особенностями термического и радиационного режимов воздуха и почвы.
В работе [11] рассчитаны нормы за 24 года, а также значения среднего квадратического отклонения и коэффициента вариации запасов продуктивной влаги в почве и осадков, осредненные по 22 черноземным областям (включая Украину) за май, июнь, сентябрь и октябрь. Можно утверждать, что средние запасы продуктивной влаги в метровом слое почвы, рассчитанные по 70 станциям за период с 1995 по 2006 г., и средние областные запасы влаги, рассчитанные за 1950—1977 гг., хорошо согласуются. В то же время они более изменчивы во времени, чем запасы влаги, осредненные по областям. В мае и июне дисперсии на станциях в 2 раза и более превышают дисперсии средних областных.
Структура корреляционных связей. Затем были построены пространственные корреляционные функции запасов продуктивной влаги в метровом слое почвы (рис. 1) [1, 4]. Эти функции позволяют судить о закономерностях связности запасов продуктивной влаги с расстоянием. Обычно пространственная корреляционная функция описывается экспоненциальной зависимостью вида
г(1) = гф)ехр(-1/10)
и характеризуется двумя параметрами: г(0) — значение корреляции, получаемое экстраполяцией в точку /=0, и радиус корреляции /0 — расстояние,
на котором г(0) убывает в е раз. По методу Z была оценена значимость полученных коэффициентов корреляции запасов продуктивной влаги на станциях. Если уровень вероятности составлял менее 0,95, полученный результат отбраковывался. Полученная пространственная корреляционная функция хорошо
аппроксимируется экспоненциальной функцией с ==
верность аппроксимации равна 0,7. На рис. 1 видно, что разброс точек достаточно велик, в первую очередь это объясняется "пестрым" характером распределения летних осадков и во вторую очередь — особенностями почв и агротехники, которые нарушают изотропность поля.
Из полученных параметров можно оценить ошибку исходных данных обусловленную наличием микроклиматических различий и погрешностями измерения запасов продуктивной влаги на станциях:
П = 1-^(0) 1 '(О) '
Для рассмотренного массива данных ц2 = 0,4, что соответствует невысокой точности наблюдений (хорошая точность при п2<0,1) [1]. Однако следует учитывать, что в соответствии с "Наставлением агрометеорологическим станциям и постам" ошибки величины запасов продуктивной влаги в метровом слое почвы в силу сложности метода наблюдений могут составлять до 10—15 мм, или 10%.
Следует подчеркнуть, что на расстоянии до 200 км полученная корреляционная функция запасов продуктивной влаги хорошо согласуется с корреляционной функцией декадных сумм летних осадков [6, 13, 15].
Рис. 1. Корреляционная функция запасов продуктивной влаги в метровом слое почвы в черноземной зоне России
Ю
На больших расстояниях связность осадков быстро убывает, в то время как связность запасов продуктивной влаги остается значимой в силу их пространственно-временной инертности.
Для исследования связности поля запасов продуктивной влаги построены поля пространственной корреляции с полюсом. На рис. 2 показана зависимость корреляции запасов продуктивной влаги в метровом слое почвы от направления. Видно, что изо корреляты вытянуты с запада и юго-запада на восток и северо-восток, что объясняется преобладанием выноса воздушных масс в этом направлении. Аналогичная картина прослеживается и в распределении осадков на европейской территории России [6, 13]. В то же время среднеобластные и среднемесячные запасы продуктивной влаги анизотропны [11]. Вместе с тем, несмотря на различия применяемых методов обработки исходных данных и выборочных погрешностей, наши результаты и данные, опубликованные в работах [10, 11], хорошо согласуются между собой.
Заключение. Таким образом, впервые показано, что по сравнению с предшествующим периодом (1950—1977) существенного изменения запасов продуктивной влаги не наблюдается. Кроме того, впервые построены корреляционные функции точечных запасов продуктивной влаги в метровом слое почвы для черноземной зоны европейской части России и установлено, что пространственная связность запасов продуктивной влаги существует и прослеживается на значительном расстоянии (до 800 км).
Рис. 2. Зависимость пространственной корреляции от направления
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гандин Л. С., Каган Р.Л. Статистические методы интерпретации метеорологических данных. Л.: Гидрометеоиздат, 1976.
2. Грингоф И.Г., Попова В.В., Страшный В.И. Агрометеорология. Л.: Гидрометеоиздат, 1987.
3. Желтая H.H., Сшгукова В.А. Усовершенствование метода прогноза средней областной урожайности ярового ячменя в черноземной зоне европейской части РСФСР // Тр. Гидрометцентра СССР. 1987. Т. 289. С. 54-64.
4. Исаев A.A. Статистика в метеорологии и климатологии. М.: Изд-во МГУ, 1988.
5. Исаев A.A. Атмосферные осадки. Ч. I. Изменчивость характеристик осадков на территории России и сопредельных стран. М.: Изд-во МГУ, 2002.
6. Исаев A.A. Атмосферные осадки. Часть II. Мезо-структура полей жидких осадков. М .. 2001.
7. Кельчевская Л. С. Влажность почв европейской части СССР. Л.: Гидрометеоиздат 1983.
8. Кислое A.B. Учет изменчивости начального состояния в стохастической модели влажности почвы // Метеорология и гидрология. 1991. N° 8. С. 109—111.
9. Максименкова Т.А. Зависимость состояния озимых зерновых культур осенью от агрометеорологических усло-
вий в черноземной зоне. // Тр. Гидрометцентра СССР. 1977. Вып. 174. С. 46-52.
10. Мамонтова P.A., Розов H.H., Сухарева В.В. Пространственно-временная изменчивость запасов продуктивной влаги под ранними яровыми зерновыми культурами на основных типах почв земледельческой зоны страны // Климат почв. М.. 1985. С. 70-74
11. Мещерская A.B., Болдырева H.A., Шапаева Н.Д. Средние областные запасы продуктивной влаги в почве и высота снежного покрова. Статистический анализ и примеры использования. Л.: Гидрометеоиздат, 1982.
12. Пасов В.М., Перекагьская Л.М. Некоторые закономерности временной изменчивости урожаев зерновых культур на территории СССР // Анализ и прогноз многолетних временных рядов. Новосибирск, 1988. С. 107—112.
13. Сиротенко О.Д. Статистическая структура полей декадных сумм осадков на Европейской части СССР в теплую часть года // Тр. ИЭМ. 1970. Вып. 18. С. 3-8.
14. Справочник по климату СССР. Влажность воздуха, атмосферные осадки, снежный покров. Л.: Гидрометеоиздат, 1968.
15. Статистическая структура метеорологических полей. Будапешт, 1976.
16. Судницын И.И. Движение почвенной влаги и водо-потребление растений. М.: Изд-во МГУ, 1979.
17. Чирков Ю.Л. Агрометеорология. Л.: Гидрометеоиз-дат, 1986.
Кафедра метеорологии и климатологии
18. Шульгин И.А. Лучистая энергия и энергетический баланс растений. М.: Альтекс, 2004.
19. Уланова Е.С. Агрометеорологические условия и урожайность озимой пшеницы. Л.: Гидрометеоиздат, 1975.
Поступила в редакцию 05.04.2007
L.L. Tarasova
SPATIAL-TEMPORAL ANALYSIS OF PRODUCTIVE MOISTURE RESERVES
IN SOILS OF THE CHERNOZEM ZONE OF THE EUROPEAN PART OF RUSSIA
The frequency of particular ranges of productive moisture reserves within 1 meter deep soil layer in the Chernozem zone of the European part of Russia, mean values, mean deviations and coefficients of variations were calculated using the data of the Hydrometeocenter of Russia. For the first time it was shown that there was no significant changes of productive moisture reserves as compared with the preceding period. Correlation functions were used to evaluate the field of productive moisture within 1-meter deep soil layer. It was revealed that the correlation exists and could be traced for considerable distances.
