CC BY
171
ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
УДК 551.5:504.38:633
Л.Н. Ермакова, В.А. Шкляев, Л.С. Шкляева
СОВРЕМЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТИЧЕСКИХ И АГРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК В ПЕРМСКОМ КРАЕ И ВОЗМОЖНЫЕ ВАРИАЦИИ ПРОДУКТИВНОСТИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР*
Выявлены ритмические особенности изменений температуры воздуха и осадков за последние 70 лет и оцениваются их возможные изменения. Исследовались условия перезимовки озимых культур. Выполнен анализ временных изменений некоторых агроклиматических показателей на территории Пермского края. Исследуется биоклиматический потенциал территории края. Выполнено районирование территории края по агрометеорологическим условиям. Даются прогнозные оценки продуктивности зерновых культур.
Ключевые слова: климатические характеристики, вегетационный период, биоклиматический потенциал, активные температуры, агроклиматическое районирование, биологическая продуктивность.
Глобальное изменение климата с его региональными проявлениями является одной из главных проблем XXI в. Особое место в этом ряду занимает проблема соответствующих адаптационных изменений сельскохозяйственных ресурсов для обеспечения продовольственной безопасности крупных регионов. В связи с этим чрезвычайно важно заранее предвидеть тенденции изменения климата, исследовать и прогнозировать отклик агросферы на них, разработать эффективные пути ее адаптации к новым условиям, независимо от конкретных причин (природных или антропогенных), обуславливающих эти изменения.
В России агропромышленный комплекс более подвержен различного рода воздействиям в сравнении с аграрно развитыми странами, где высокая технологическая оснащенность обеспечивает устойчивость этой отрасли экономики в 3-4 раза больше нашей. В этих условиях необходимы инвентаризация и переоценка агроресурсов, особенно в связи с современными изменениями климата; пересмотр ассортимента сельхозкультур; формирование экологического каркаса природных зон за счет новых агротехнологий; агролесомелиоративного обустройства сельхозугодий; адаптивных систем ландшафтного землеустройства [1-4]. Как считает академик А.А. Жученко [5], в числе необходимых направлений адаптации сельского хозяйства в неблагоприятных почвенно-климатических и погодных условиях важную роль играет агроэкологическое районирование территории, обеспечивающее наиболее эффективное размещение сельскохозяйственных культур. Это позволит дифференцированно использовать благоприятные факторы природной среды для уменьшения действия абиотических и биотических стрессоров; подобрать культуры и сорта по принципу взаимострахования и биокомпенсации.
Материалы и методика исследований
Был проведен анализ и выполнена оценка изменений агрометеорологических условий Пермского края. Для этого исследовалась статистическая однородность временных рядов максимальных, минимальных и средних значений температуры воздуха, рядов характеристик влажности, а также рядов суточных, месячных и годовых сумм осадков. Анализ климатических характеристик температуры воздуха был выполнен по данным архива средних суточных, максимальных и минимальных температур воздуха, подготовленного ВНИИГМИ-МЦД и доступных на сайте этой организации [6]. Период наблюдений составил 124 года с 1883 г. по 2007 г. Ряды минимальных и максимальных температур воздуха были значительно короче. Обработка результатов наблюдений включала процедуру скользящего сглаживания с различным интервалом длительности (5, 7, 9, 11 лет и более). Рассматривались как линейные, так и полиномиальные аппроксимации полученных временных изменений температуры воздуха, затем выполнялся анализ сезонных особенностей изменений климата.
Были проанализированы условия вегетационных периодов и выявлены их долговременные изменения в связи с общей тенденцией изменения климата: характеристики вегетационных периодов, биоклиматический потенциал, гидротермический коэффициент (ГТК Селянинова) и др. Оценка условий вегетационных периодов в Пермском крае была выполнена за 40 лет (1970-2009 гг.). Анализ вре-
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант р_урал_а, № 10-05-96067.
менных изменений агрометеорологических показателей выполнялся совместно с характеристиками форм атмосферной циркуляции.
Исследовались условия перезимовки озимых культур: продолжительность холодного периода, даты переходов температуры через 0оС в сторону понижения, оттепели, наблюдаемые в зимний период и др., была оценена их экстремальность и выявлены наблюдаемые долговременные тенденции. Для этого использовались данные о среднесуточных температурах воздуха за период 1900-2008 гг. в Перми, а также результаты наблюдений за снежным покровом на метеорологических станциях Пермского края с 1950 по 1996 гг., кроме этого, привлекались данные, помещенные в «Научно-прикладном справочнике.» [7], и другая справочная информация [8; 9].
Некоторые из перечисленных показателей использовались для районирования территории Пермского края. Была выполнена оценка новых принципов экологически и экономически обусловленного природопользования в сельском хозяйстве с учетом современных тенденций изменения климата.
Результаты и их обсуждение
Временные изменения температуры и осадков. Особенности временных изменений температуры воздуха в XX в. позволяют выделить достаточно длительные периоды ее повышения и понижения. Длительность таких периодов может составлять 20-35 лет. На рассматриваемой территории наблюдался весенний и зимний тип потепления, который характеризовался устойчивой тенденцией повышения температуры воздуха в марте, а также в декабре. Временной ход индексов изменения климата, определенных по экстремальным температурам, также указывает на общее повышение температуры. Для территории Среднего Урала тенденции изменения индексов отрицательны: наблюдается уменьшение числа дней с отрицательной максимальной и минимальной температурой, что указывает на повышение температуры воздуха зимой. Период наблюдаемого повышения температуры в начале XXI в. заканчивается [8].
Периодичность изменения количества осадков менее выражена, но во всех случаях выделяется интервал их уменьшения, приходящийся на 1930-1947гг. В результате выполненного анализа было выявлено, что на территории Среднего Урала возрастает не только годовое количество осадков, но и величина суточного максимума осадков. Выполненная фильтрация с шириной окна в 15 лет указывает на достаточно длительные периоды с относительно высокими и низкими максимумами, поэтому использование только линейной аппроксимации не всегда оправдано. Линейную аппроксимацию можно использовать лишь для ориентировочной оценки тенденций изменения осадков ввиду ее большой погрешности. Отмечен рост годового максимума суточного количества осадков на Среднем Урале. Период наблюдаемого повышения количества осадков в конце XX в. закончился [8].
Роль циркуляционных условий. Циркуляционные условия оказывают заметное влияние на региональные климатические изменения. Анализ форм циркуляции на основе типизации А.Л. Каца показал, что во все сезоны преимущественно преобладали типы С и Ц, а зимой преобладал тип С. Положительные тренды температуры зимой на Северном и Среднем Урале связаны с преобладанием типа С. Летом слабые положительные тренды на Северном Урале связаны с типом Ц. Наибольшая повторяемость формы Е (по типизации Вангенгейма-Гирса) в исследуемый 10-летний период сместилась с зимы на весну-лето относительно нормы, а формы С - с лета на зиму. В это же время происходит снижение повторяемости формы Е и увеличение повторяемости формы W (Вангенгейма-Гирса) и меридиональной южной (Дзердзеевского). Усиление переноса воздушных масс с Атлантического океана и районов Северной Атлантики может являться причиной современного потепления в Пермском крае.
Проведен анализ линейных трендов продолжительностей межфазового периода яровой пшеницы кущение-выход в трубку. Трендовые значения этой величины изменяются в северной части края от 4 до 10 дней, в центральной и южной зонах - от 5 до 8 (фактические - от 3 до 12 дней). Для большей части территории Пермского края характерно уменьшение продолжительности (северная часть - на 2 дня, центральная часть - на 1 день) периода, для южной части - небольшое увеличение - примерно на 1 день к концу исследуемого периода. На продолжительность межфазового периода кущение-выход в трубку существенное влияние оказывают циркуляционные условия. Устойчивая атмосферная циркуляция форм W и С в июне благоприятна для развития яровой пшеницы и способствует сокращению периода кущение-выход в трубку, а формы Е - способствует удлинению этого периода [2].
Запасы влаги. Проведен анализ весенних запасов почвенной влаги (ЗПВ) в пахотном слое почвы (0-20 см) за период 2000-2008 гг., который показал, что среднее содержание ЗПВ в дерновоподзолистых почвах составляет 38-40 мм, в серых лесных - 27-30 мм.
Определялись тенденции изменений ЗПВ. Аппроксимация наблюдаемых временных изменений линейным трендом показала, что за исследуемый период произошло уменьшение ЗПВ в дерновоподзолистых почвах на 10-12 мм, в серых лесных - на 5-7 мм.
Линейные тренды временной изменчивости весенних ЗПВ в метровом слое почвы на территории края характеризуются двумя типами тенденций за исследуемый период: выраженным уменьшением преимущественно на южных и западных станциях и незначительным увеличением на остальной территории. Весенние ЗПВ превышают осенние в среднем на 50-100 мм. Осенние запасы влаги имеют тенденцию к снижению к концу рассматриваемого периода. В зависимости от физико-географического положения гидрометеостанций, характера почвенного увлажнения значимыми предикторами явились либо суммы осенне-зимних осадков, либо дефициты почвенного увлажнения, либо оба фактора вместе [10].
Условия перезимовки. Установлено, что широтное расположение территории не является определяющим фактором в распределении глубины промерзания почвы. Существенное значение имеют высота снежного покрова, условия осеннего почвенного увлажнения, физико-географические особенности места. Разнообразные физико-географические условия Пермского края и его значительная протяженность в меридиональном направлении способствуют формированию своеобразных условий залегания снежного покрова. Здесь частично нарушается зональность распределения различных характеристик снежного покрова. Так, например, в Кудымкаре в 50 % случаев глубина промерзания почвы в январе-феврале не превышает 64-77 см, а в Чермозе - 39-53 см, в Чернушке - 18-30 см. Наибольшее приращение глубины промерзания происходит в период декабрь-январь и составляет от 20 см в Добрянке до 80 см в Чердыни. С января по март увеличение глубины промерзания почвы составляет 3-6 см. Как правило, наибольшая глубина промерзания отмечается в малоснежные и суровые зимы, а наименьшая - в многоснежные и малосуровые зимы.
Важными характеристиками температурного режима в холодную половину года являются: продолжительность холодного периода, даты переходов температуры через 0 °С в сторону понижения, оттепели, наблюдаемые в зимний период, вариации температуры воздуха в течение различных периодов, режим максимальных и минимальных температур и др. Многие из перечисленных характеристик влияют на условия перезимовки озимых культур, интенсивность перехода к отрицательным температурам сказывается на будущем урожае различных плодовых и ягодных культур.
Сложность подобных исследований связана с критериями оценки дат устойчивого перехода (УП) через 0 °С и с понятием «оттепель». В Перми довольно часто температура воздуха может колебаться около нулевых отметок длительное время. Это связано с особенностями циркуляционного режима и с тем, что сам переход к отрицательным или положительным значениям сопровождается выделением или поглощением скрытой теплоты замерзания или плавления. В этом случае подстилающая поверхность играет роль дополнительного инерционного фактора, влияющего на скорость изменения температуры воздуха. Даже когда накопленные отклонения температур от 0°С одного знака преобладают, можно лишь условно определить точную дату перехода. В отдельные годы переход температуры через 0°С осуществляется достаточно быстро, и применение обычных правил определения такой даты не вызывают сложности.
Понятие «оттепель» также трактуется неоднозначно. Согласно определению, используемому в России, оттепелью называется повышение температуры воздуха до положительных значений зимой на фоне отрицательных температур. В некоторых случаях устанавливается минимальная длительность оттепели (2-3 дня). Это может быть оправдано, так как зимующие под снегом растения не сразу реагируют на положительные температуры воздуха.
Средняя продолжительность морозного периода в Перми (между датами УП через 0 °С весной и осенью) составила 163 суток [11]. Стандартное отклонение дат перехода составляет 10 и 11 дней соответственно весной и осенью. Наиболее часто за 124-летний период начало морозного периода приходилось на конец третьей декады октября, окончание - на первую декаду апреля. Наиболее раннее наступление морозного периода наблюдалось 26 сентября 1903 г., а самое позднее - 26 ноября 1923 г., то есть разрыв в крайних сроках наступления морозного периода составляет 2 месяца. Наибольший разрыв в сроках окончания морозного периода составляет 45 суток.
Известно, что повышение средней годовой температуры воздуха в большей степени происходит за счет повышения зимних температур. В то же время осенняя дата устойчивого перехода температуры воздуха через 0 °С практически не изменилась, смещение даты на более поздние сроки соста-
вили 4 суток/100 лет. Однако следует отметить, что в этом случае линейный тренд статистически не значим; ввиду долговременных колебаний дат устойчивого перехода температуры воздуха через 0°С, лучшие результаты дает аппроксимация полиномом 5-й степени. Коэффициент детерминации В2 в этом случае составляет 0,12.
Исследования показали, что с 1990 г. наблюдается достаточно резкое смещение дат устойчивого перехода через 0 °С на более позднее время. Одной из причин, вызывающих подобные изменения, может быть изменение циркуляционных условий, которые накладываются на антропогенный фактор.
Иные временные изменения наблюдаются в весеннее время. Для этого периода характерно заметное смещение даты устойчивого перехода через 0 °С на более раннюю. Коэффициент тренда в этом случае отрицательный и составил -7,5 сут./100 лет. Так проявляется весеннее потепление, отмечаемое на широтах 50-65о с.ш. При этом происходит уменьшение длительности морозного периода.
В течение XX в. средняя температура воздуха, определенная за разные периоды, претерпевает разнообразные изменения. Для более детального анализа весь период наблюдений был разбит на циклы различной длительности, включая базовый, рекомендованный ВМО: 1961-1990 гг. Кроме этого, был выделен 17-ти летний период, приходящийся на последние годы.
Полученные данные свидетельствуют о значительном потеплении в октябре, марте, апреле в течение последних 17 лет. В ноябре, декабре январе и феврале однозначных изменений средней температуры воздуха не наблюдается. В отдельные декады этих месяцев температура может повышаться, а в другие - понижаться. Удобно выполнить анализ аномалий декадной температуры воздуха, когда в качестве нормы используется величина температуры воздуха за базовый период. Согласно проведенным исследованиям, в последнюю декаду ноября отмечается отрицательная аномалия, свидетельствующая о резком снижении температуры воздуха в этот период (рис. 1). Подобные температурные колебания отрицательно сказываются на условиях адаптации растений к зимнему периоду. В целом для периода с декабря по март характерны положительные аномалии, но в отдельные декады аномалии нулевые.
Рис. 1. Аномалии средней декадной температуры воздуха относительно базового периода (1961-1990 гг.). Первая декада соответствует первой декаде октября
Важной характеристикой зимнего периода является число дней с температурой, равной или ниже заданного предела. Эта информация является косвенной характеристикой продолжительности периодов с определенными температурами воздуха. Полученные данные также свидетельствуют, что для последнего периода в 17 лет характерно уменьшение продолжительности более низких температур и увеличение продолжительности более высоких (выше -5°С) температур (табл. 1).
Таблица 1
Число дней со средней суточной температурой, равной или ниже указанных пределов
Период, годы Предел Месяцы
10 11 12 1 2 3 4 Сумма
1961-1990 -5 2,9 14,1 24,0 27,7 24,9 14,0 2,0 109,6
-10 0,7 6,5 15,9 20,9 17,5 5,6 0,3 67,4
-15 0,1 2,4 9,5 14,4 8,8 2,0 0,0 37,2
-20 - 0,7 4,2 8,9 3,9 0,8 0,0 18,5
-25 - 0,2 1,8 4,1 1,3 0,2 - 7,5
1991-2007 -5 1,1 14,2 23,6 24,7 22,9 12,2 1,5 100,1
-10 0,0 7,8 15,6 16,9 16,6 3,5 0,4 60,9
-15 0,0 3,9 8,9 10,5 8,7 0,8 0,0 32,8
-20 - 1,2 3,7 5,6 3,8 0,1 0,0 14,4
-25 - 0,0 1,1 2,2 1,3 0,0 - 4,6
1883-2007 -5 2,7 15,3 25,2 27,6 24,8 16,9 2,0 114,5
-10 0,5 7,5 17,3 21,0 18,1 7,4 0,2 72,0
-15 0,0 3,2 10,3 13,7 9,9 2,5 0,0 39,7
-20 - 1,1 5,3 7,8 4,6 0,7 0,0 19,5
-25 - 0,3 2,3 3,6 1,7 0,1 - 8,1
1883-1960 -5 2,9 16,1 26,0 28,1 25,1 19,2 2,2 119,5
-10 0,5 7,8 18,1 21,9 18,7 9,1 0,2 76,3
-15 0,1 3,4 10,7 14,2 10,7 3,1 0,0 42,2
-20 - 1,3 6,0 7,8 5,2 0,8 0,0 21,1
-25 - 0,5 2,8 3,7 1,9 0,1 - 9,0
Характерное явление для зимы - оттепель. Их число за зиму и продолжительность влияет на условия перезимовки сельскохозяйственных культур. В настоящее время существуют различные методики определения оттепелей и нет единого толкования понятия «оттепель». По этой причине в данной работе определялось лишь число дней с оттепелью, под которыми понимались случаи, когда Тмакс>0оС в течение устойчивого морозного периода.
Среднее число дней с оттепелью в Перми составляет 34, при этом среднее квадратическое отклонение составляет 11,3 [12]. Максимальное число дней с оттепелью -65, минимальное -14. Например, в Республике Удмуртия число дней с оттепелью составляет 25-30, а в Татарстане 22-33 дня, что несколько меньше, чем в Перми. Одна из причин такого различия - более продолжительный период с отрицательными температурами воздуха в Перми. В Санкт-Петербурге число дней с оттепелью составляет 42-53 дня, что может быть объяснено близостью Балтийского моря. Число дней с оттепелью в Перми варьирует в широких пределах, минимальные и максимальные значения могут различаться 4-5 раз.
В результате проведенных исследований было получено, что наблюдаемое потепление климата сказывается на различных климатических характеристиках температуры холодного периода года. Даты устойчивого перехода воздуха через 0оС и общая продолжительность морозного периода варьируют в широких пределах, однако в последние годы наблюдается смещение осенних дат на более позднее время, а весенних - на более раннее.
Характеристики вегетационного периода. Проведен анализ временной изменчивости сумм активных температур за 30-летний период, аппроксимированной полиномиальной зависимостью третьей степени. По характеру тренда выделены 3 части территории Пермского края:
1. Северная часть (территория севернее 59° с.ш.) с положительной тенденцией тренда сумм активных и эффективных температур. Сумма активных температур к концу исследуемого периода повышается со скоростью 51 °С / 10 лет.
2. Юго-восточная часть (территория южнее 59° с.ш. и восточнее 56° в.д.) с периодами разнофазовых тенденций сумм температур. В последний период с положительной тенденцией (с 1992 г.) сумма активных температур возросла в среднем на 150 °С.
3. Юго-западная часть (территория южнее 59° с.ш. и западнее 56° в.д.) с минимальной положительной тенденцией тренда к концу исследуемого периода - 5 °С/10 лет. В целом в Пермском крае отмечается значительная пространственно-временная вариация сумм активных и эффективных температур и прослеживается увеличение сумм температур к концу исследуемого периода.
Продолжительность вегетационного периода (период времени с температурами воздуха выше 10 °С) колеблется от 130 до 165 дней, уменьшаясь на 3 дня на каждые 50 м высоты над уровнем моря на территории, расположенной западнее 56° в. д. и примерно на 10 дней на каждые 50 м высоты -восточнее этого меридиана. На территории, расположенной западнее 56° в.д., продолжительность активной вегетации на 10 дней больше по сравнению с восточной частью. Лишь для станций, высота которых менее 150 м над уровнем моря, длина вегетационных периодов на западе территории в среднем короче на 4 дня. В районах, расположенных южнее 59° с. ш., продолжительность активной вегетации на 14-17 дней больше, чем в северной части территории.
Оценка условий вегетационных периодов в Пермском крае за 40 лет (1970-2009 гг.) показала, что общая тенденция изменений сумм активных температур к концу исследуемого периода сохранилась в выделенных 3-х районах.
1. В северной части территории (севернее 59° с.ш.) повышение сумм активных температур с 2000 по 2009 гг. сохранилось, но уменьшилось до 13-20°С/10 лет.
2. В юго-восточной части территории края (южнее 59 ° с.ш. и восточнее 56 ° в.д.) наметилась очередная тенденция некоторого уменьшения сумм температур выше 10 °С в период с 2000 по 2009 гг.
3. В юго-западной части территории (южнее 59 ° с.ш. и западнее 56 ° в.д.) возросла положительная тенденция увеличения сумм активных температур с 5 °С/10 лет до 15 °С/10 лет.
Исследовались вариации продолжительности вегетационного периода, начиная с 1900 г. до начала XXI в. Исследования проводились в целях выявления долговременных тенденций периодов вегетации и оценки их возможных колебаний (рис. 2).
Рис. 2. Изменение продолжительности вегетационного периода в Перми (сглаженные 11-летние
средние) и характеристики линейного тренда
Было отмечено, что интервал увеличения продолжительности вегетационного периода составляет около 7-10 лет, затем происходит уменьшение его продолжительности. Увеличение продолжительности вегетационного периода составляет от 10 до 15 дней. Было выявлено 5 циклов, при которых наблюдалось увеличение продолжительности: с 1915 до 1924 гг.; с 1943 до 1953 гг.; с 1969 до 1978 гг.; с 1984 до 1991 гг.; с 2000 г. по 2007 г. Учитывая наблюдаемые тенденции, в ближайшие 8-10 лет следует ожидать уменьшения продолжительности вегетационного периода [13; 14].
Существенные изменения статистических характеристик вегетационных периодов также произошли, начиная с 1991 г. (табл. 2). Увеличилась средняя продолжительность вегетационного периода и при этом уменьшилась разность между максимальной и минимальной продолжительностью по сравнению с этими величинами, найденными за весь период исследования.
Таблица 2
Статистические характеристики продолжительности вегетационных периодов
за разные временные интервалы
Период Статистические характеристики
Средняя Минимальная Максимальная 2 О О
Весь период 123 100 159 213 14,6
1901-1930 121 101 147 180 13,4
1931-1960 122 100 148 220 14,8
1961-1990 123 101 159 215 14,7
1991-2007 129 102 155 245 15,7
Анализ вековых изменений сумм активных температур также позволил выявить некоторые особенности, которые лучше оценивать по аномалиям. За норму принималась величина суммы активных температур за период 1961-1990 гг. Было установлено, что за прошедшие 100 лет средняя сумма активных температур практически не увеличилась, это хорошо видно по линии тренда (рис. 3), что существенно отличает рассмотренный показатель от продолжительности вегетационного периода. Наблюдались периоды увеличения и уменьшения рассмотренной характеристики. Можно выделить 3 периода положительных аномалий: с 1919 по 1940 гг., с 1947 по 1964 гг., с 1985 по 2007 гг. Кроме этого, прослеживаются незначительные положительные аномалии в начале XX в. и в период с 1975 по 1980 гг.
Рис. 3. Изменение аномалий сумм активных температур в Перми (годовые значения, сглаженные 11-летние средние и характеристики линейного тренда)
Логично было бы предположить, что с увеличением продолжительности вегетационного периода произойдет и увеличение суммы активных температур, однако такая закономерность прослеживается не всегда. На это указывает некоторая асинхронность наблюдаемых изменений рассматриваемых показателей и различие в вековых трендах.
Средние суточные температуры воздуха за вегетационный период, вычисленные за разные временные интервалы, снижаются в последние 50 лет (табл. 3). Это происходит на фоне увеличения длительности вегетационных периодов, что подтверждает вывод о том, что наблюдаемое глобальное повышение температуры лучше прослеживается в зимние месяцы [8]. В летние месяцы, например, в августе выявлен отрицательный тренд, - это одна из причин уменьшения средней суточной температуры вегетационных периодов.
В целом более низкие температуры начала и конца вегетационных периодов приводят к общему уменьшению средних температур. Более резкие колебания температуры в летние месяцы также могут повлиять на среднюю суточную температуру воздуха за вегетационный период.
Таблица 3
Средняя суточная температура воздуха за вегетационный период при различных
вариантах осреднения
Период осреднения Средняя суточная температура, °С
1901-2007 гг. 15,8
1901-1930 гг. 15,9
1931-1960 гг. 16,2
1961-1990 гг. 15,4
1991-2007 гг. 15,5
Районирование территории по климатической составляющей и урожайности. Расчет климатической составляющей изменчивости урожаев яровой пшеницы Ст показал, что зона умеренно устойчивых урожаев (Ст = 0,21-0,29) охватывает северо-запад Пермского края. Уровень урожая составляет 5-14 ц/га. Причем отклонения от тренда обычно не превышают ±20 %. Зона неустойчивых урожаев (Ст = 0,30-0,39) охватывает большую часть территории края. Крайний юг относится к зоне наиболее неустойчивых урожаев яровой пшеницы. В зоне умеренно устойчивых урожаев отклонения их от динамических средних, вызванные изменчивостью погодных условий, достигают 83 %, в зонах неустойчивых урожаев - превышают 85%.
Таким образом, пространственно-временная изменчивость характеристик вегетационных периодов указывает на некоторое ухудшение условий произрастания яровой пшеницы на юге Пермского края, так как происходит некоторое уменьшение запасов продуктивной влаги в метровом слое почвы и одновременный рост сумм активных температур воздуха увеличивает непродуктивное испарение с поверхности почвы. Это обстоятельство приводит и к незначительному увеличению продолжительности межфазового периода кущение-выход в трубку в этой части территории.
Величины ГТК Селянинова за вегетационные периоды 2000-2009 гг. характеризуют условия северной и юго-восточной частей Пермского края как избыточно-влажные (ГТК>1,6) и влажные (ГТК=1,3-1,6), а юго-западной части - как влажные (ГТК=1,3-1,6) и слабо засушливые (ГТК=1,0-1,2), а в 2004 г. - засушливые (ГТК=0,9).
Таким образом, тенденции изменения термических условий северной и юго-западной частей Пермского края несколько сближаются, характеризуясь повышением сумм активных температур. В юго-западной части слабо засушливые и засушливые условия наблюдались в 30% рассматриваемого периода (2000-2009 гг.), что в сочетании с уменьшением весенних запасов продуктивной влаги в метровом слое почвы ухудшает условия произрастания яровых зерновых культур. Это подтверждается и тем, что климатический индекс биологической продуктивности в южной части территории Пермского края имеет отрицательную тенденцию к концу исследуемого периода.
Продолжительность беззаморозкового периода в воздухе (на почве) составляет: в северной части территории 100-117 дней (55-109 дней), в центральной части - 102-136 (86-119) дней, в югозападной части - 117-157 (102-128) дней, в юго-восточной - 89-123 (87-119) дней. Таким образом, закономерно увеличиваясь с севера на юго-запад и несколько уменьшаясь в юго-восточном направлении. В 2009 г. беззаморозковый период на почве не превысил 100 дней на всей территории Пермского края, кроме юго-запада. Весенние заморозки интенсивностью -2.-3 °С отмечались в северной части территории до 4 июня, на юго-западе - до 6 мая, на юго-востоке - до 25 мая. Учитывая, что всходы яровой пшеницы в период 2000-2009 гг. появлялись 16-26 мая, в северной и юго-восточной
частях территории Пермского края возможно повреждение посевов заморозками. Таким образом, необходима корректировка сроков сева с учетом прогноза дат окончания весенних заморозков.
Из неблагоприятных явлений вегетационных периодов в 2000-2009 гг. наиболее часто наблюдалось полегание посевов, вызванное сильными ливнями и переувлажнением почвы. В северной части территории Пермского края полегание охватывало до 10 % площади посевов яровой пшеницы, в юго-восточной части - до 20 %. Площади погибших растений от вымерзания изменяются от 3 % в юго-западной части территории до 20-30% в северной и центральной частях. До 20 % посевов выпревает в центральных и южных районах края. Выпревание происходит на фоне температур почвы на глубине узла кущения 0.-4 °С. Вымокание посевов в южной части территории приводило к гибели 10-15 % площадей посевов. В южных районах в результате оттепелей и обильных осадков в конце зимы происходило формирование притертой ледяной корки, под которой погибало до 25% посевов озимых зерновых культур.
Тенденции линейных трендов климатической составляющей изменчивости урожаев яровой пшеницы позволяют разделить территорию Пермского края на 2 части: крайняя южная с положительными тенденциями и вся остальная территория - с отрицательными коэффициентами линейных трендов. Таким образом, происходит постепенное расширение зоны наиболее неустойчивых урожаев. Коэффициенты линейных трендов в зоне умеренно устойчивых урожаев положительные, но очень малы (например, 0,3* 10_3). Это свидетельствует о том, что размеры и локализация зоны в ближайшее время практически не изменится.
Д.И. Шашко был предложен биоклиматический потенциал, который рассчитывается по формуле [15]
БКП = Кр(ку) \£> 10°С / Вафа.)], (1)
где Кр(ку) - коэффициент роста по годовому показателю атмосферного увлажнения; ^/> 10°С - сумма значений температуры воздуха выше 10°С, выражающая теплообеспеченность растений в данном месте, °С; ^ак(баз) - базисная сумма средних суточных значений температуры воздуха за период активной вегетации, то есть сумма, относительно которой проводится сравнительная оценка, °С.
В качестве базисных могут быть взяты разные суммы значений температуры: 1000°С - для сравнения с продуктивностью на границе возможного массового полевого земледелия; 1900°С - для сравнения со средней по стране продуктивностью, свойственной южно-таежно-лесной зоне; 3100°С -для сравнения с продуктивностью в оптимальных условиях роста, характерных для предгорных лесостепных районов Краснодарского края. Использование БКП нашло достаточно широкое применение [16; 17].
В приведенной формуле коэффициент роста (коэффициент биологической продуктивности) Кр(ку) представляет собой отношение урожайности в данных условиях влагообеспеченности к максимальной урожайности в условиях оптимального увлажнения и рассчитывается по формуле
Кр(ку) = lg (20 Кут), (2)
где Кувл = Р/Xd - коэффициент годового атмосферного увлажнения, равный отношению количества осадков к сумме средних суточных значений дефицита влажности воздуха. При значении Кувл = 0,5 создаются оптимальные условия для влагообеспеченности растений. В этих условиях Кр(ку) = 1.
С БКП связаны урожайность отдельных культур, валовой выход продукции, доходность и пр. В России средняя продуктивность культур широкого ареала зерновых соответствует значению БКП =
1,9, которое принято за эталон (100 баллов). Переход от БКП к баллам осуществляется по формуле
Бк = Кр(кУ) [(Xt>10oC)■ 100/ 1900] = 55 БКП, (3)
где Бк - климатический индекс биологической продуктивности (относительно средней продуктивности для страны), балл; 55 - коэффициент пропорциональности, определенный по связи средних значений БКП и продуктивности зерновых при уровне агротехники госсортоучастков [18; 19].
Физический смысл биоклиматического потенциала заключается в следующем: продуктивность экологических типов сельскохозяйственных культур при достигнутом уровне культуры земледелия определяется доступностью для растений питательных веществ, находящихся в почве. Доступность зависит от наличия влаги в почве, с одной стороны, а с другой - от теплового режима, определяющего скорость биохимических реакций в процессе фотосинтеза и подготовку питательных веществ для
растений в результате деятельности микроорганизмов. От складывающихся условий тепло- и влагообеспеченности в равной мере зависит продуктивность культур.
Таким образом, под БКП следует подразумевать балловую оценку степени доступности для растений питательных веществ, находящихся в почвенном растворе на конкретной территории. Однако следует отметить, что с помощью БКП дается общая оценка ресурсов тепла и влаги безотносительно к запросам отдельных культур и их сортов [20].
Для оценки агрометеорологических условий произрастания озимой ржи в Нечерноземной зоне РСФСР А.Д. Пасечнюком были получены дискриминантные функции [21]. Дискриминантные функции определялись раздельно по межфазным периодам: для периода «выход в трубку - колошение» общий вид функции был следующий:
D = а - Ьх + cz, (4)
где х - средняя суточная температура воздуха за период, °С; z - сумма осадков, мм, а, Ь, с - коэффи-
циенты функции, которые могут различаться для различных районов.
Для периода «цветение - восковая спелость» функция имела следующий вид:
D = а - ЬН + cz, (5)
где Н - высота стеблестоя в день массового наступления фазы цветения, см.
При D > 0 агрометеорологические условия классифицировались как неблагоприятные для произрастания сельскохозяйственной культуры, а при D < 0 - благоприятные. Чем больше значение D, тем менее благоприятные условия [15].
Сельскохозяйственная оценка бонитета климата Пермского края произведена по значениям БКП (методика Д.И. Шашко). Большая часть территории Пермского края относится к району удовлетворительных агрометеорологических условий. По тенденциям изменения БКП, ухудшение условий произрастания зерновых культур происходит в центральных и северных районах западной части территории, некоторое улучшение условий на юго-востоке края, условия произрастания зерновых культур в центральных районах восточной территории Пермского края практически неизменны.
Произведена оценка биологической продуктивности климата Пермского края. Территория края районирована с учетом трех показателей: значений БКП, характера временной изменчивости БКП, дискриминантной функции для оценки агрометеорологических условий произрастания зерновых культур. Пространственное распределение дискриминантной функции по территории Пермского края в целом согласуется с распределением БКП [22].
Яровые зерновые культуры: умеренные температуры воздуха мая-июня (пониженный температурный фон), достаточное количество осадков мая-июня - благоприятны для урожая.
Рассчитанные с применением методики Д.И. Шашко значения БКП позволили районировать территорию Пермского края с выделением трех районов (рис. 4):
• район А (БКП = 1,7-2,0; Бк = 96-110 баллов) - хорошие условия;
• район Б (БКП = 1,6-1,7; Бк = 86-95 баллов) - удовлетворительные условия;
• район В (БКП = 1,3-1,6; Бк = 70-85 баллов) - неудовлетворительные условия.
Дополнительно проведено районирование территории Пермского края по пространственной
изменчивости средних многолетних значений БКП. Часть территории края, ограниченная с севера 59° с.ш., с востока 56,2° в.д. характеризуется зональным уменьшением БКП с юга на север (зона 1).
Часть территории края севернее зоны 1 характеризуется меридиональным уменьшением БКП с востока на запад вследствие ухудшения условий влагообеспеченности (зона 2). Для территории, ограниченной с запада 56,2° в.д., с севера 59° с.ш., характерно меридиональное увеличение БКП с востока на запад (зона 3). Часть территории, ограниченная с севера 59° с.ш., с юга 57,7° с.ш. и с запада 56,2° в.д., характеризуется малой изменчивостью БКП (зона 4).
Наилучшие агроклиматические условия на территории края наблюдаются на юге (Чернушка, Барда), показатель Бк имеет максимальные значения - 108 баллов [БКП = 2,0] и 104 балла [БКП = 1,9] соответственно (район А, зона 1). Несколько ниже этот показатель на юго-западе, - здесь значения Бк составляют 102 балла [БКП = 1,8] (Оса, Ножовка). Данные агроклиматические ресурсы обеспечивают средний уровень продуктивности (86-120 баллов), свойственный южно-таежно-лесной зоне.
Большая часть территории Пермского края относится к району Б, для которого отмечаются удовлетворительные агрометеорологические условия. К ней относятся центральные и западные (Ве-рещагино, Большая Соснова) области территории.
75-70
Бк = 96-110
Агроклиматические
районы
Бк = 86-95
Бк = 70-85
Рис. 4. Агроклиматическое районирование территории Пермского края
Наименьшие значения климатического индекса биологической продуктивности отмечаются в северо-западной и северной частях Пермского края, где значения Бк составляют 71 балл [БКП = 1,3] (Кочево) и 77 баллов [БКП = 1,4] (Кудымкар), что соответствует пониженной биологической продуктивности (район В).
При прочих благоприятных условиях вегетационных периодов на формирование продуктивности яровых зерновых культур положительно сказывается близкий к средним многолетним нормам температурный фон и достаточное количество осадков (100-120 % от средней многолетней нормы) мая-июня. Линейные тренды температуры воздуха мая и июня за период 1975-2007 гг. имеют незначительную положительную тенденцию, а суммы осадков имеют тенденцию увеличения к концу исследуемого периода на величину 4-8 мм/10 лет. Таким образом, тенденции временных изменений ГТК в мае и июне имеют положительный тренд, соответственно равный 0,24 и 0,04 ед./10лет. Это свидетельствует об изменении условий возделывания в Пермском крае яровых зерновых культур в сторону более благоприятных.
Выводы
Таким образом, на фоне общего роста температуры воздуха выявлен положительный тренд увеличения продолжительности вегетационных периодов в XX в. в Пермском крае. Выявлены 4 периода ее уменьшения. В последние десятилетия увеличение продолжительности периода вегетации происходит наиболее интенсивно.
Существенное увеличение дисперсии продолжительности вегетационного периода в последние 17 лет указывает на активизацию атмосферных процессов вследствие климатических изменений последних десятилетий.
Суммы активных температур в XX в. изменялись незначительно, что подтверждается небольшим положительным трендом. Средняя суточная температура за вегетационный период в последние 50 лет снизилась. Однако в последние десятилетия отмечен положительный тренд суммы активных температур.
В целом территория Пермского края характеризуется удовлетворительными агрометеорологическими условиями. По агроклиматическим показателям можно выделить 3 района: северный, центральный и южный.
Положительные тренды изменения температуры воздуха и осадков мая-июня свидетельствуют об улучшении условий возделывания в Пермском крае яровых зерновых культур.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дронин Н.М., Кириленко А.П. Зависимость урожаев зерновых от погодных условий в России в XX веке (1958-1990 годы) // Региональные эффекты глобальных изменений климата (причины, последствия, прогнозы): материалы Междунар. науч. конф. (г. Воронеж, 26-27 июня 2012 г.). Воронеж: Науч. книга. 2012. С. 389-391.
2. Жуков В.А. К вопросу оптимизации размещения сельскохозяйственных культур с учетом влияния неблагоприятных погодных условий // Метеорология и гидрология. 1982. № 11. С. 99-107.
3. Пасов В.М. Изменчивость урожаев и оценка ожидаемой продуктивности зерновых культур. Л.: Гидрометео-издат, 1986. 107 с.
4. Пряхина С.И., Васильева М.Ю., Фридман Ю.Н., Гришина О.А., Мытарев Д.А. Зависимость урожайности яровой пшеницы от продолжительности межфазовых периодов // Проблемы современной гидрометеорологии и геоэкологии: материалы Всерос. науч.-практ. конф. Ростов н/Д, 2007. С. 38-42.
5. Жученко А.А. Ресурсный потенциал производства зерна в России (Теория и практика). М.: Агрорус, 2004. 1110 с.
6. Специализированные массивы для климатических исследований: сайт ВНИИГМИ-МЦД 1998.
URL: http ://meteo. ru/data_temperat_precipitation
7. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3. Ч. 1-6, вып. 9. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. 560 с.
8. Шкляев В.А., Шкляева Л.С. Оценка изменений температуры воздуха и осадков среднего и южного Урала в XX веке // Вестн. Челяб. гос. ун-та. Сер. Экология. Природопользование. 2011. Вып. 5. С. 61-69.
9. Шкляев В.А., Шкляева Л.С. Статистические характеристики устойчивого снежного покрова в Пермском крае // Географический вестник. Перм. ун-т. 2010. № 4 (15). С. 68-74.
10. Курдюков Ю.Ф., Васильева М.Ю., Пряхина С.И. Влияние весенних запасов продуктивной влаги в почве и осадков на продуктивность зерновых культур в зоне засушливой черноземной степи // Изв. Саратов. ун-та. Новая серия. Сер. Науки о Земле. 2007. Т. 7, вып. 1. С.16-20.
11. Шкляев В.А., Ермакова Л.Н., Шкляева Л.С. Статистические характеристики температуры воздуха холодного периода в г. Перми и их временные изменения // Г еографический вестник. Перм. ун-т. 2011. № 2 (17). С. 44-48.
12. Шкляев В.А., Шкляева Л.С. Климатические характеристики некоторых опасных явлений погоды на территории Пермского края // Географический вестник. Перм. ун-т. 2010. № 2(13). С. 38-52.
13. Шкляев В.А., Ермакова Л.Н., Шкляева Л.С. Особенности долговременных изменений характеристик 15 вегетационных периодов в Пермском крае // Географический вестник. Перм. ун-т. 2012. № 2 (21). С. 68-73.
14. Шкляев В.А., Ермакова Л.Н., Шкляева Л.С. Вариации продолжительности вегетационного периода в Пермском крае в связи с изменениями климата // Региональные эффекты глобальных изменений климата (причины, последствия, прогнозы): материалы Междунар. науч. конф. (г. Воронеж, 26-27 июня 2012 г.) Воронеж: Науч. книга, 2012. С. 562-564.
15. Шашко Д.И. Агроклиматические ресурсы СССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 247 с.
16. Мищенко З.А., Кирнасовская Н.В. Метод региональной оценки и районирования биоклиматического потенциала территории Украины // Метеорология и гидрология. 2005. №5. С. 72-80.
17. Мухин Г.Д., Леонова Н.Б. Влияние климатических изменений на продуктивность сельскохозяйственных культур территории Кировской области // Региональные эффекты глобальных изменений климата (причины, последствия, прогнозы): материалы Междунар. науч. конф. (г. Воронеж, 26-27 июня 2012 г.). Воронеж: Науч. книга, 2012. С. 422-426.
18. Жуков В.А., Зоидзе Е.К. Вопросы агроклиматологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 152 с.
19. Хомякова Т.В., Зоидзе Е.К. Агроклиматическая оценка почвенных засух на Европейской территории РФ (по наземным данным) // Метеорология и гидрология. 2002. №5. С. 75-85.
20. Зоидзе Е.К. Об одном подходе к исследованию неблагоприятных агроклиматических явлений в условиях изменения климата в РФ // Метеорология и гидрология. 2004. №1. С. 96-104.
21. Пасечнюк Л.Е., Пасов В.М. Агроклиматические ресурсы и условия произрастания зерновых и зернобобовых культур в США. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 271 с.
22. Ермакова Л.Н., Толмачева Н.И., Безматерных Е.А. Оценка агроклиматических ресурсов территории Пермского края // Географический вестник. Перм. ун-т. 2010. № 2 (13). С. 52-58.
Поступила в редакцию 07.02.13
L.N. Ermakova, V.A. Shklyayev, L.S. Shklayeva
Modern changes of climate and agrometeorological characteristics of the Perm region and the possible variation of productivity of agricultural crops
We revealed rhythmical peculiarities of changes in air temperature and precipitation for the past 70 years and assessed their possible changes. The conditions of wintering of winter crops were studied. The analysis for temporal variations of some of agroclimatic indicators on the territory of Perm region was carried out. We investigated the bioclimate potential of the regional territory, carried out the area zoning by agrometeorological conditions. The predictive estimate of the productivity for grain crops is also given.
Keywords: climatic characteristics, vegetation period, bioclimatic potential, active temperature, agroclimatic zoning, biological productivity.
Ермакова Людмила Николаевна, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент E-mail: [email protected]
Шкляев Владимир Александрович, кандидат географических наук, доцент E-mail: [email protected]
Шкляева Людмила Сергеевна, доцент E-mail: [email protected]
ФГБОУ ВПО «Пермский государственный исследовательский университет»
614990, Россия, г. Пермь, ул. Букирева, 15
Ermakova L. N.,
candidate of agriculture, associate professor E-mail: [email protected]
Shklyayev V.A.,
candidate of geography, associate professor E-mail: [email protected]
Shklayeva L.S., associate professor E-mail: [email protected]
Perm State National Research University 614990, Russia, Perm, Bukireva st., 15
