CC BY
23
О.К.Рычко
УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА УЧЕТА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ФИТОГИДРОТЕРМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ В АРИДНЫХ АГРОЛАНДШАФТАХ
Предлагается система специальных методов оценки и алгоритмов расчета основных растительных, водных и тепловых факторов, формирующих фитогидротермические условия веге-тирования культурной растительности в аридных регионах.
Значительная в аридных регионах территориальная и внутрисезонная изменчивость фитогидротермических условий функционирования антропогенных ландшафтов - к которым в полной мере можно отнести сельскохозяйственные ландшафты - требует осуществления их учета и прогнозирования в виде определения растительных и водно-тепловых факторов, формирующих режимы вегетирования культурных фитогеоценозов - агроценозов.
Ведущими биогидметеорологическими факторами, влияющими на биофизическое состояние сельскохозяйственных ландшафтов (агроландшафтов), являются температура и влажность воздуха, атмосферные осадки, почвенные влаго-запасы, суммарное испарение, величина подпитывания слоя почвы от грунтовых вод, при их близком залегании, фазы развития и другие фитофенологические параметры агроценозов.
Несмотря на особую актуальность и большую практическую значимость вышеизложенного, до настоящего момента для засушливых территорий остается насущной задача разработки фитогидрометеорологических концепций и методов, позволяющих оперативно и заблаговременно, достоверно и комплексно учитывать региональные географические особенности процессов формирования и пространственно-временного распределения растительных и водно-тепловых компонентов таких природно-хозяйственных комплексов как агроландшафты.
Обозначенная проблема во многом решается с помощью предлагаемой автором комплексной структурно-функциональной схемы как совокупности специальных контрольно-диагностических и прогностических методов, способов и алгоритмов и действующей на основе использования репрезентативной информации о биогидрометеорологи-ческих факторах , формирующих фитогидротермические условия (ФГТУ) в аридных агроландшафтах.
Разработанная схема, структурно пока-
занная на рис.1, создана по результатам, проведенных на опытно-производственных орошаемык агроценозах типичного аридного среднеазиатского региона, комплексный экспериментальны» водно-теплобалансовых и фитофенологических исследований, а также на основе обобщения фондовых агрометеорологических даннык [5-7].
Рис. I Структурная схема определения фитогидротермических условий агроландшафта
При этом были решены следующие основные задачи:
- изучены процессы энерго- и массообме-на в аридных агроландшафтах и установлены закономерности внутрисезонной и территориальной изменчивости элементов растительных, тепловых и водных ресурсов местности в зависимости от их исходного состояния;
- определены главные биогидрометеоро-логические факторы, влияющие на фитофенологические и гидротермические условия вегетирования агроценозов;
- установлены, имеющие оценочно-прогностическое значение, предикторы и уравнения и разработаны методологические основы создания схемы учета и прогнозирования ФГТУ.
Схема базируется на выявленных зависимостях, полученных количественных и качественных показателях тепло- и влагопере-носа в системе почва-растительность-воздух и включает комплексные био-физико-математи-ческие модели и методики, предназначенные для определения сроков наступления фенофаз, тепловых ресурсов, оптимального (при достаточном
почвенном увлажнении) суммарного испарения, испаряемости, почвенных влагозапасов и других компонентов агроландшафтов за различные фактические и перспективные периоды вегетирова-ния основных агроценозов.
В данной работе, на примере агроценозов корнеплодов (сахарная и столовая свекла, репа, редька, и др. ) показаны структурно- функциональные особенности предлагаемой схемы и её элементов.
Из многочисленных, в т.ч. наших, публикаций следует, что возобновление вегетации сахарной свеклы происходят в сроки, близкие к дате устойчивого перехода температуры воздуха через 5°С весной (Д5), что позволяет использовать Д5 в качестве предиктора при расчетах дат посева данных агроценозов.
Связь Д5 с оптимальными сроками посева (С) для сахарной свеклы характеризуется следующим уравнением:
С = 0,85Д5 + 37,61 (I),
здесь С и Д5 отсчитываются в сутках от 1 января;
г = 0,84 ± 0,03, п = 35, Еу = 5,00 суток;
где г - коэффициент корреляции, п - число членов, Еу - ошибка уравнения.
Дата перехода через 5 °С может быть получена по данным наблюдений или пред-вычислена по уравнению:
Д5 = 0,53До + 45,16 (2)
г = 0,76 + 0,05; п = 50; Еу = 5,54 суток;
где До - дата перехода через 0°С весной, отсчитываемая от 1 января, сутки.
Результаты выполненных исследований позволяют при учете и прогнозировании оптимального суммарного испарения, испаряемости, тепловых ресурсов и сроков наступления фенофаз агроценозов, в качестве ведущих биогидрометеорологических предикторов и расчетно-прогнозных факторов использовать даты устойчивого перехода среднесуточной температуры воздуха через 5°С весной, суммы активных температур воздуха и оптимальные сроки посева агроценозов, близкие температурному пределу в 5 °С.
Определение оптимального суммарного испарения агроценозов осуществляется по расчетным зависимостям, аналогичным предложенным А.М.Алпатьевым [1], М.И.Будыко [3], и адаптированными нами применительно к использованию
в засушливой зоне:
Е = КЫ(2До (М^ЛЕу) (3)
где Е - значение оптимального суммарного испарения агроценоза за расчетный - декадный, межфазный, вегетационный - период (мм), определяемое по суммам: температуры воздуха 1, дефицита влажности воздуха ^ суммарной радиации Р, радиационного баланса Я, испаряемости Еу за соответствующий расчетный период; К4, Ка , Кд , К , Ко,
- фитоклиматические коэффициенты оптимального суммарного испарения агроценоза (учитывающие региональные гидроклиматические и фитофенологические особенности агроландшафта), соответственно, по температуре воздуха (мм/°С), дефициту влажности воздуха (мм/мб), суммарной радиации и радиационному балансу (мм/кал), испаряемости, полученные нами экспериментально для агроценозов корнеплодов аридных регионов
- табл.1,2.
При оценках оптимального суммарного испарения и влагообеспеченности агроландшафтов используется характеристика потенциально возможного испарения (испаряемости), которая для теплого периода года может определяться из уравнений:
Еу = 0,З01 (4)
Еу = 0,70р (5)
Еу = 1,00Я (6)
где Еу - испаряемость (в мм) за расчетный период; 1 - сумма среднесуточных температур воздуха (в °С),- Р, Я - суммы, соответственно, суммарной радиации и радиационного баланса (в кал) за тот же период. При этом исходные величины Еу определялись нами по зависимости А. И.Будаговского [2].
Значения показателя естественного увлажнения (К) и водных ресурсов (В) аридного агроландшафта за любой промежуток теплого периода года оцениваются по уравнениям водного баланса:
Х+(¥-¥')+П К~--------Е------- <7)'
В = Е -X +(Г-V') +П (8)
где X - атмосферные осадки; V, V’- начальные и конечные влагозапасы заданного корнеобитаемого слоя почвы; П - подпитывание корнеобитаемого слоя почвы от грунтовых вод; Е - испаряемость или оптимальное суммарное испарение агроценоза - все в мм.
Таблица I
Фитоклиматические коэффициенты оптимального
суммарного испарения сахарной свеклы по основным гидрометеорологическим факторам
Сумма активных температур воздуха от даты посева, °С Значения коэффициента
Ко К к Ко Кі Ка
0-200 0,35 0,52 0,67 0,17 0,32
200-400 0,39 0,57 0,76 0,79 0,36
400-600 0,43 0,62 0,82 0,21 0,38
600-800 0,47 0,70 0,89 0,23 0,42
800-1000 0,54 0,78 0,95 0,26 0,49
1000-1200 0,58 0,85 0,99 0,28 0,51
1200-1400 0,60 0,89 1,04 0,29 0,53
1400-1600 0,62 0,93 1,04 0,30 0,57
1600-1800 0,66 0,98 1,01 0,32 0,59
1800-2000 0,65 0,98 1,00 0,32 0,58
2000-2200 0,63 0,92 0,96 0,31 0,56
2200-2400 0,59 0,89 0,92 0,29 0,51
2400-2600 0,55 0,81 0,90 0,28 0,48
2600-2800 0,53 0,77 0,86 0,26 0,46
2800-3000 0,48 0,71 0,80 0,23 0,41
3000-3200 0,45 0,70 0,80 0,22 0,40
3200-3400 0,44 0,68 0,80 0,22 0,39
среднее 0,53 0,78 0,90 0,26 0,47
Таблица 2
Температурные фитоклиматические коэффициенты оптимального суммарного испарения К агроценозов ия
и б) за межфазные периоды - от даты посева
Фазы развития
Значение коэффи- циента вторая пара листьев начало роста корнеп лода смы- кание в рядках закры- тие между- рядий макси- маль- ное разви- тие пожел- тение НИЖ- НИХ листь- ев тех- ничес кая спе- лость
а) пофазно 0,20 0,23 0,26 0,30 0,32 0,26 0,23
б) от даты посева 0,19 0,20 0,21 0,23 0,26 0,26 0,26
Величина (П) рассчитывается по формуле С.И. Харченко [8], с адаптированием содержащихся в ней параметров:
Е'
77 “ (9),
здесь П - в мм за расчетный период; Еу - испаряемость по (6)-(9) за тот же период, мм; е
- основание натурального логарифма; О -глубина залегания грунтовых вод, м; т - эмпирический коэффициент зависящий от агрофизических свойств почво-грунтов, вида агроценоза, глубины корнеобитаемого слоя почвы и определяемый эксперементально в конкретных агроклиматических условиях.
Оценка ожидаемых тепловых ресурсов агроландшафтов ведется по дате устойчивого перехода среднесуточной температуры воздуха через 5 °С весной (за различные от Д5 подекадно нарастающие или межфаз-ные периоды) на основе уравнений табл.3
Даты наступления фенофаз агроценозов рассчитываются по данным об оптимальном сроке их посева по уравнениям аналогичным табл.4.
Разработанные методы позволяют в период от посева и до окончания вегетации
Таблица3 Зависимость между Д5 и подекадно нарастающими суммами тепловых ресурсов (У, °С)
Статисти ческие параметры при п=50
Число и обо- козффи- средне <валратичное коэффи- уравнение ошибка уравнения
дскад от Д5 корреляции отклонение, „с вариации, % регрессии регрессии, „с
У, 0,60±0,07 20,10 24 У != 1,22Дз+2,08 15,48
У> 0,62±0,07 35,28 20 У>=2Д0Д5+ 13,20 27,17
Уз 0,68±0,07 65,21 19 Уз=4,14Д>+18,71 43,55
У 4 0,73±0,06 79,38 18 У 4= 6,02Дз+ 32,44 55,57
Уз 0,77±0,06 99,60 16 Уз=7,75Дз+ 12,72 62,75
Уб 0,79± 0,06 117,91 15 У 6= 9,32Дз+ 32,29 74,28
У7 0,82± 0,05 134,97 14 Ут= 11,47Дз+57,55 75,58
V, 0,83±0,05 146,25 12 Ух= 11,34Дз+219,58 81,90
У9 0,84±0,05 148,44 9 У9= 12,01Дз+422,68 83,13
У 10 0,84±0,05 160,00 9 У ю= 12,92Дз+563,74 89,60
Уп 0,83±0,05 169,98 8 У11 = 13,80Дз+723,60 95,19
У І2 0,81±0,05 169,74 7 У,2= 13,14Дз+ 1013,44 95,05
У в 0,80±0,06 179,57 7 Уіз= 13,80Дз+ 1202,85 113,13
Ум 0,79±0,06 169,28 Уі4= 13,41 Дз+ 1474,44 106,65
У.5 0,77±0,06 159,57 5 У,5= 12,39Дз+1769,40 100,30
У16 0,75±0,06 147,44 5 Уіб= 11,00Дз+2086,20 92,89
У Ї7 0,72±0,07 135,97 4 Уп=9,88Дз+2350,45 95,18
У« 0,69±0,07 127,50 4 У.к=8,87Дз+2587,56 89,25
У. 9 0,65±0,07 128,85 4 Уі9=8,45Дз+2762,73 99,21
У 20 0,65±0,07 130,07 4 У2о=7,93Дз+291 1,27 100,75
Таблица4
Зависимость между оптимальным сроком посева (С) и датами наступления фаз развития сахарной свеклы (У)
Фазы развития Статистические параметры при п=40
коэффи- циент корреляции средне квадратичное откло- коэффициент вариации, % уравнение регрессии ошибка уравнения регрессии,
посев -ВСХОДЫ (У]) -0,84± 0,03 4,76 34 У] = -0,53С + 70,01 2,57
посев -вторая пара листьев (Уг) -0,73±0,05 5,15 17 У2=-0,55С +83,32 3,63
посев -начало роста корнеплода (Уз) -0,68±0,06 6,38 14 Уз=-0,65С+ 112,86 4,78
посев -смыкание в рядках (У4) -0,68±0,06 7,32 12 У4=-0,78С+141,32 5,39
посев - закрытие междурядий (Уз) -0,69± 0,06 7,67 10 У5=-0,77С+158,74 5,74
посев -максимальн ое развитие (Уб) -0,70± 0,05 9,35 У 6= -0,92С+202,3 7 6,42
посев -пожелтение нижних листьев (У7) -0,72± 0,05 10,70 У7=-1Д7С+268,53 7,34
посев -техническая спелость (Уа) -0,74± 0,05 12,09 Уа=-1,27С+300,99 8,30
оперативно, или с заблаговременностью от одного до шести месяцев, прогнозировать значения дат наступления фенофаз и другие фитоце-нотические параметры ведущих агроценозов, их тепловые и водные ресурсы в пределах агроландшафтов за различные подекадные и меж-фазные периоды.
Расчеты ведутся по оперативным данным гидрометеостанции или любого пункта наблюдений, репрезентативного для территории, по которой производятся учет и прогнозирование.
В соответствии со схемой рис.2 биогид-рометеорологические факторы и ФГТУ агроландшафта могут2 оцениваться по следующим равнозначным вариантам:
1) по (2) определяется дата перехода температуры воздуха через 5 °С весной (Д); на основе Д5 и с учетом срока посева агроценоза оценивается подекадно нарастающая величина ожидаемых тепловых ресурсов за расчетный период (Т); на основе (Т), за тот же период, вычисляется оптимальное суммарное испарение (Е); с учетом величины естественного увлажнения, по (7), (8) определяются влагообеспечен-ность (К) и водные ресурсы агроценоза (В);
2) на основе Д5 по (I) предвычисляется дата оптимального срока посева агроценоза (С); по (С) определяются ожидаемые даты наступления фенофаз агроценоза (Ф); сравнением подекадных ожидаемых (Т), полученных по варианту I, с ожидаемыми (Ф) определяются (Т) за межфазные и внутрифазные периоды; по (Т) и межфазным фитоклиматическим коэффициентам оптимального суммарного испарения оцениваются (Е) и (В) соответствующего межфаз-ного периода вегетирования агроценоза.
Значения тепловых ресурсов, суммарного испарения и других гидрометеорологических факторов за более короткие, чем от межфазные или подекадные периоды рассчитываются по уравнениям типа:
Р = Р - Р
2 I
(10)
Рис. 2. Функциональная схема учета и прогнозирования фитогидротермических условий агроландшафтов за внутривегетационные периоды.
где Р - значение заданного фактора за искомый период; Рр - значение фактора на последующий срок; Р1 - то же на предыдущий срок.
Порядок учета и прогнозирования ФГТУ агроценоза сахарной свеклы за межфазный период «посев - смыкание в рядках» по варианту 2, при Д5 = 10 марта, и величине естественного увлажнения за счет X + (V - V’) + П = 180 мм. следующий. Приводим Д5 к единому календарному ряду (отсчетом от 1 января), что дает Д5 = 69. По уравнению (1) вычисляется оптимальный срок посева (С) сахарной свеклы: С = 0,85 Ч 69 + 37,61 = 96, что дает дату посева = 6 апреля.
По уравнению 4 табл.4 определяется дата наступления фенофазы (Ф) «смыкание в рядках»: (Ф), У4 = - 0,78 Ч 96 + 141,32 = 66, т.е. заданная (Ф) наступит через 66 суток после оптимального срока посева - 11 июня. Далее, по Д5 , с помощью уравнения 9 табл.3, определяются ожидаемые тепловые ресурсы (Т) за 9 декад - с 10 марта по 11 июня: (Т), У9 = 2,20 Ч 69 + 13,20 = 165 (°С), тогда в соответствии с (10) тепловые ресурсы от срока посева до даты наступления фенофазы «смыкание в рядках» составят: 1251 - 165 = 1086 ( °С). Умножив оцененные тепловые ресурсы на соответствующий фитоклиматический коэффициент (К4) табл.2 , получим прогнозное оптимальное суммарное испарение сахарной свеклы за межфазный период «посев - смыкание в рядках»: 1086 Ч 0,21 = 228 (мм).
Из уравнения (8) баланс водных ресурсов агроценоза сахарной свеклы за тот же расчетный период составит: Е - [X + (У-У’) + П] = 228 - 180 = 48 (мм) = 480 (м3 /га).
Это показывает, что ожидается дефицит водных ресурсов и необходимо будет произвести орошение посевов сахарной свеклы в межфазный период «посев - смыкание в рядках» нормой в 48 мм, или 480 м3 /га.
В соответствии с уравнением (9) прогнозируемая степень естественного увлажнения или влагообеспеченность агроценоза (сахарной свеклы) за расчетный период составит :
Х+(У-У')+П 180 пп
---5---------=-----= 79 %
Е 228
от оптимальной, т. е. от величины водных ресурсов, необходимых для биоклиматически обоснованного вегетирования данного агроценоза.
С помощью предлагаемой методической системы прогнозировались значения биогидроме-теорологических факторов в оперативных погодных условиях аридной зоны со средней точностью (оправдываемостью) свыше 75 %, что с уче-
том требований [4], вполне приемлемо для использования разработанной схемы и содержащихся в ней методов для прикладных целей.
Для повышения оперативности, точности и достоверности результатов прогнозирования разработана система методов уточнения (корректировки) прогнозных данных. Сущность предлагаемой методики заключается в более комплексном и детальном учете природно-техногенных факторов, влияющих на точностные параметры заданных показателей, а ее применение повышает точность прогнозирования в среднем на 10%.
Таким образом, в процессе формирования агрометеорологических концептуально-методических основ определения ФГТУ функционирования агроландшафтов в засушливых регионах, автором созданы комплексные методики контроля и оценки, прогнозирования и корректировки необходимых растительных и водно-тепловых факторов. Разработаны в качестве новых специальные методы расчета тепловых ресурсов, сроков наступления фитофенофаз агроценозов, площади их листовой поверхности и глубины корнеобитаемого слоя почвы. Усовершенствованы или адаптированы (применительно к аридным гидроклиматическим условиям) существующие способы оценки испаряемости, оптимального суммарного испарения агроценозов, величины подпитывания почвы от грунтовых вод, водных ресурсов и влагообеспеченности агроландшафтов. Получены расчетные схемы и алгоритмы,
упрощающие контроль суточных, декадных, сезонных значений оптимального суммарного испарения агроценозов, температуры, дефицита и относительной влажности воздуха, а также -учет влагозапасов заданного слоя почвы по наблюдениям за влагосодержанием лишь на одном выявленном репрезентативном уровне.
Разработанные методологические основы определения ФГТУ могут применяться для разработки концепций формирования географических информационных систем, а также при создании новых и унификации существующих методов контроля, оценки и прогнозирования величин ресурсоформирующих био-гидрометеорологических компонентов окружающей среды, для планирования и реализации необходимых природоохранных мероприятий и ресурсосберегающих технологий в засушливых регионах России и стран СНГ с аналогичными экспериментальными природно-хозяйственными условиями.
Список использованной литературы
l. Aлпaтьeв A.M. Bлaгooбopoт кyльтypныx pacтeний.- Гицpoмeтeoиздaт, l9S4.-P48 с.
P. Будаговский A^. Иcпapeниe мчвентой влаги.-M.: Шука, 1964. -P43 с.
3. Будым M.И. Teплoвoй баланс зeмнoй пoвepxнocти.-Л.: Гидpoмeтeoиздaт, 19S6.-PS6 с.
4. Пeнмaн Х.Л. PaCTem^ и влага.-Л.: Гицpoмeтeoиздaт. 19б8.-1б4 с.
5. Pyкoвoдящий дoкyмeнт (PД SPP7P84-91). Meтoдичecкиe указания пo пpoвeдeнию пpoизвoдcтвeнныx (oпepaтив-ныx) испытаний нoвыx и ycoвepшeнcтвoвaнныx мeтoдoв гидpoмeтeopoлoгичecкиx и гeoфизичecкиx ^orao-зoв.-M.: Гocкoмгицpoмeт CCCP, I99l. -ISO с.
6. Pычкo O.K. ^инципы coздaния гeoгpaфичecкиx инфopмaциoнныx систєм гopныx тeppитopий. - Инфopмaциoн-ный лиcтoк KиpгHИИHTИ, Бишкєк, I99l. - 4 с., И 170 (484S)
7. PbnM O. K. Aгpoмeтeopoлoгичecкиe ocнoвы вoдocбepeгaющиx тexнoлoгий на ceльcкoxoзяйcтвeнныx yгoдьяx Cpeднeй Aзии.-M., 1991.-P6 с. - Дєп. в BИHИTИ ll.lP.l99l, M 4S81.
8. Pычкo O.K. Meтoдoлoгичecкиe ocнoвы пpoгнoзиpoвaния тeплoвлaгooбecпeчeннocти и фeнoлoгичecкиx ycлoвий вeгeтиpoвaния пpиpoдныx и aгpocиcтeм в ap^^ix peгиoнax Cpeднeй Aзии.- Бишкєк, 199P.-S6 с.- Дєп. в KMpnHH-ИHTИ P3.06.l99P, И S66.
9. Xapчeнкo C.И. Гидpoлoгия opoшaeмыx земель. -Л.: Гидpoмeтeoиздaт, 197S.-373 с.
Статья поступила в редакцию 20.07.99.
