Агроклиматическая адаптация земледелия

Агроклиматическая адаптация земледелия

Климатические ресурсы

Изучение влияния климата на результаты деятельности человека в агросфере, особенно в континентальной России и Сибири, было актуально всегда. Академик Н.И. Вавилов, посетивший основные земледельческие регионы Мира, говорил: «Климат в СССР сильнее экономики, сильнее хозяйственных факторов». Интерес к данной теме особенно проявляется после крупных погодно-климатических аномалий - засушливых или переувлажненных летних сезонов, либо суровых зим. Так было в начале освоения целинных земель за Уралом, когда благоприятное по увлажнению лето 1954 г. сменилось жесткой засухой в 1955 году. Засуха 1963 г. привела к перебоям в производстве хлеба и способствовала кризису власти в стране. Наиболее неурожайными были 1972 г. в Мире, 1975 г. - в Советском Союзе, 1981 г. - в Сибири, 1999 г. - в Центральном районе России. В 1972 г. засуха коснулась Европейской территории страны, а за Уралом складывались благоприятные условия увлажнения, но и здесь ранний снег привел к потере части урожая.

Из данных табл. 1 видно, что площадь российской пашни особенно ограничена на огромной территории Сибири. Это вытекает из ограниченности агроклиматических ресурсов, отражаемых параметрами общего увлажнения - атмосферными осадками в сочетании с температурным режимом, определяющими гидротермический режим почв, тепло-влагообеспеченность сельскохозяйственных растений. Агрометеорологические показатели характеризуются межгодовой изменчивостью и определяют невысокий в целом уровень урожайности и значительные колебания ее по годам, что иллюстрируется ниже результатами сибирского земледелия.

Таблица 1 Состав земель в Сибири, занятых под сельскохозяйственное производство

В агрометеорологии наиболее актуальны вопросы рационального использования почвенно-климатических ресурсов и учета в растениеводстве и земледелии агрометеорологических условий, то есть ресурсов текущего регионального климата и увлажнения. Из анализа связей урожайности в разных районах с факторами общего увлажнения следует, что эти связи опосредованы особенностями почвенного покрова и имеют нелинейный характер. Они рассматриваются ниже в климатической «формуле урожая», с помощью которой можно рассчитать агроклиматические и агрометеорологические потенциалы почв и агроландшафтов - географических ландшафтов, рассматриваемых исходя из задач сельскохозяйственного производства.

Согласно сравнительной оценке агроклиматических ресурсов России и аграрно развитых регионов Мира, резервы повышения устойчивости производства продукции растениеводства в нашей стране могут составить около 30%. Реализация этих резервов связана в первую очередь со снижением «провалов» продуктивности севооборотов в климатически аномальные сезоны, с помощью долгосрочного прогнозирования погодных аномалий и адаптации к ним продукционного процесса культур, сортов и технологий возделывания.

Многие задаются вопросом: с чем связаны такие аномалии климата и экстремальные явления погоды, и не находя ответа готовы объяснять их «глобальными» изменениями климата. Поэтому коснемся этого вопроса подробнее.

Современное потепление

В течение XX в. глобальная температура воздуха у поверхности суши увеличилась в среднем на 0,6^оС, причем основное изменение температурного фона происходило за счет зимних сезонов. Вместе с тем Институт глобального климата и экологии Росгидромета и РАН [1] отмечает, что современное потепление сопровождается похолоданием в стратосфере, в результате чего средняя температура всей толщи воздуха на планете почти не изменяется. Изменчивость климата или совокупности погод, по выражению Е.Н. Блиновой, оценивается по трендам и интегральным кривым рядов температур воздуха, атмосферных осадков и других метеорологических характеристик. На рис. 1 показаны межгодовые изменения среднегодовой температуры по самому длинному ряду инструментальных наблюдений в Центральной Англии (с 1659 г.).

Рис. 1. Динамика среднегодовой температуры в Центральной Англии (1659-2002 гг.)

Более подробно колебания сумм температур вегетационных сезонов и климатические тренды в XX в. показаны для северной границы земледелия в Западной Сибири, по данным метеостанций Колпашево и Томск (рис. 2). Они отражают тенденцию общего потепления, особенно заметную в последние 20 лет. Повышение теплообеспеченности на этой территории, по сравнению с климатической нормой за 1950-1980 гг., произошло примерно на 3,5%, что означает незначительное смещение агроклиматических подзон к северу. Так подзона центральной лесостепи надвигается на северную лесостепь, северная лесостепь на подтайгу, а подтайга на южную тайгу. На этом фоне бывают годы похолоданий, когда теплообеспеченность падает почти на 20%.

В изменчивости атмосферных осадков вековая тенденция явно не прослеживается, здесь очевидны внутривековые колебания. Анализ колебаний увлажнения земледельческих зон Евразии показывает, что временной аспект выражен здесь в большей степени, чем пространственно-зональный. Осадки отдельных месяцев вегетационного сезона изменяются по годам в 5-10 раз. Особенно неблагоприятное распределение осадков отмечается в степи, на фоне общей засушливости. С продвижением к таежно-лесной зоне это распределение приближается к статистически нормальному. На основной земледельческой территории доля лет с климатически-средними осадками составляет 40-50%.

Сезонные аномалии осадков и температур отражаются наиболее ярко в колебаниях урожайности зерновых культур. Наряду с тем заметно общее повышение урожайности, особенно к 80-м гг. (см. рис. 2В), что объясняется ростом интенсификации земледелия.

А. Межгодовые колебания сумм положительных температур в Томске и Колпашево, ^оС

Б. Летние осадки в Томске, мм

В. Урожайность зерновых культур, ц/га

Рис. 2. Агрометеорологические факторы и урожайность зерновых культур в Томской области

Далее на рис. 3 и 4 сопоставлены интегральные кривые аномалий среднегодовых приземных температур на всем Северном полушарии и в Центральной Англии (с 1856 г.), и также аномалий сумм положительных температур в Колпашево (с 1901 г.). Очевидно, английский ряд отражает главные тенденции изменения глобальной температуры, и его можно принять в качестве «репера» для привязки к нему данных региональных метеостанций.

Рис. 3. Корреляция сумм аномалий среднегодовых температур приземного воздуха на Северном полушарии и в Центральной Англии (норма за 1856-2002 гг.)

Рис 4. Суммы аномалий положительных температур приземного воздуха в Западной Сибири (метеостанция Колпашево, норма за 1901-1987 гг.)

Климатические сценарии

Изменения текущего климата нами рассматриваются на фоне палеоклиматических индикаторов голоцена (около 12 тыс. лет) и верхнего плейстоцена (130 тыс. лет) [2], в связях с астрономическими факторами М. Миланковича [3]. В качестве глобальных индикаторов используются колонки льда в Гренландии и Антарктиде, уровень океана, связанный с динамикой ледников, в частности, убыванием льдов в валдайскую ледниковую эпоху (по Р. Фейрбриджу). Региональными индикаторами климата являются колебания водности внутренних бассейнов (Каспийское море, озеро Чаны и др.), почвы, дендрологические шкалы за последние века.

Действие астрономических факторов на климат - циклов прецессии и вращения большой полуоси земной орбиты, наклона земного экватора продолжительностью соответственно 26, 21 и 40 тыс. лет, - нами объясняется, в основном, механизмом каналовых приливов. На длительные климатические тенденции накладываются циклы увлажнения продолжительностью около 2 тыс. лет, вызванные дрейфом геомагнитного поля, 360 лет, и др. С помощью механизма Миланковича, увязываемого только с изменением угла наклона Земли к Солнцу, можно объяснить только четверть амплитуды колебаний глобальной температуры в многотысячелетних фазах потепления и похолодания.

Каналовые эффекты в атмосфере и океане от действия лунных и плането-солнечных приливов, на фоне изменения эксцентриситета земной орбиты и факторов Миланковича, позволяют полностью объяснить глобальные и локальные изменения климата на планете. Суть механизма каналовых приливов заключается в том, в меридианных каналах атмосферы, например, над территориями Западной Европы либо Якутии, возникают резонансы стоячих приливных волн от действия нескольких астрономических факторов. Гребни стоячих волн вызывают устойчивые антициклоны, а расположенные на 45° по обе стороны от них воронки волн - циклонические депрессии. С устойчивыми антициклонами связаны длительные похолодания, и даже оледенения на одних территориях, и благоприятные климатические условия на других. Через тысячелетия ситуация постепенно меняется, и в настоящее время можно отметить следы оледенения в Европе и погребенные черноземы в Якутии.

Погребенные почвы являются палеоклиматическими индикаторами, а современные почвы - интегральными показателями текущего регионального климата, отражаемого в соотношении прихода осадков к испаряемости (определяемой температурным режимом). Например, на протяжении голоцена влажные озерно-болотные фазы на юге Западной Сибири сменялись более сухими, что сопровождалось формированием солонцов, лугово-черноземных и черноземных почв. Согласно геологическому разрезу Суминского займища (тростникового болота) на восточной окраине Барабинской низменности [4], совмещенному с палеоботанической диаграммой [5], современная почва имеет слабо выраженный профиль мощностью 0,1 м. Далее идут: погребенная почва (1) на песках с горизонтами солонца гидроморфного (мощность слоя 0,92 м), имеющая возраст около 3,5 тыс. лет; погребенная почва (2) лугово-черноземного типа на песках (0,96 м), имеющая датировку около 4,6 тыс. лет назад; и погребенная почва (3) на суглинках федосовской свиты (0,35 м) с датировкой примерно 6,4 тыс. л. н. Формированию 1-й погребенной почвы соответствует распространение на востоке Барабы березово-сосновой лесостепи с вязом. Присутствие вяза позволяет предположить, что увлажнение 3,5 тысячи лет назад здесь было несколько ниже, чем в настоящее время, произошла регрессия Суминского палеоозера и образование почвы. Вторая погребенная почва (4,6 тыс. лет) формировалась в переходный период от атлантического климата к более прохладному суббореальному, о чем свидетельствует присутствие в сосново-березовых лесах пихты. Формирование почвы сопутствовало, вероятно, завершению этого похолодания. Образование третьей погребенной почвы (6,4 тыс. лет) приходится на природный оптимум голоцена, идентифицируемый со злаково-разнотравной степью, что указывает на потепление, аридизацию климата, регрессию Суминского палеоозера.

Подобная ситуация наблюдается и при современном выходе из «малого ледникового периода», особенно яркая в последнем столетии. На большей части суши Северного полушария с конца XVIII в. отмечается понижение общей увлажненности в нисходящей фазе 2-тысячелетнего цикла, исследованного наиболее полно А.В. Шнитниковым [6]. В колебаниях уровней Каспийского моря и замкнутых озер дополнительно отражаются фазы 360-летнего и более мелких циклов. Уровень Каспия с конца XVIII в. понизился на 5 м, а в 80-90-е гг. прошлого века поднялся на 2 м, несмотря на потери с поверхности Волжско-Камских водохранилищ. Последний всплеск уровня моря связан с фазой повышения увлажнения в его бассейне, то есть на большей части Европейской территории России. Все эти колебания укладываются, однако, в рамки естественных изменений климата.

На рис. 5 показан прогноз, представленный нами в 2003 г. на Всемирную конференцию по изменению климата [7]. Прогноз получен по аппроксимации интегрально-разностной кривой среднегодовых температур в Центральной Англии суммой циклических компонент, рассчитанных по методу геокосмических аналогий. Здесь смоделирована связь между характеристикой текущего климата и вычисляемой, согласно законам небесной механики, суммой синусоид, которые отражают действие на атмосферные процессы лунных, плането-солнечных приливов, межпланетных полей. Поиск геокосмических аналогов в прошлом дает нам возможность установить и локализовать время и место максимальных (резонансных) проявлений названных космических ритмов на земном пространстве. Достоверность и точность моделей данного ряда и других временных рядов - осадков, динамики продуктивности агроэкосистем, - построенных по изложенной схеме, оценивается с помощью прогноза-экзамена в ретроспективном и перспективном вариантах. Прогноз показывает постепенное уменьшение роста и переход к стабилизации температурного фона к 20 гг. XXI века.

Рис. 5. Суммы среднегодовых аномалий температуры воздуха в Центральной Англии и их модель (за норму взята средняя температура за 1659-2002 гг.)

Между тем некоторые климатологи связывают современный рост приземной температуры только с усилением парникового эффекта из-за накопления парниковых газов, поглощающих инфракрасное излучение у земной поверхности. Согласно палеогеографическим исследованиям, концентрация углекислого газа в атмосфере возрастает в течение 20 тыс. лет, и особенно интенсивно, почти на треть, она увеличилась за последние 2,5 столетия. Однако здесь следует иметь в виду весь спектр парниковых газов - водяного пара, озона, метана, при этом доля в них СО₂ не превышает десятой части. Вместе с тем из ряда населенных районов планеты (Северная Америка, Индия и др.) приходят сведения об уменьшении на их территориях притока солнечного света и тепла до 10%. Это можно объяснить, с одной стороны, отражением в космос света от водяных паров верхней атмосферы, и затемнением ее из-за увеличения в воздухе частиц сажи, с другой стороны.

С конца 80-х гг.XX в. в мире обсуждаются разные климатические сценарии [8]. Обычно говорится о возможном повышении глобальной температуры в текущем столетии из-за парникового эффекта на 1,5-5,5^оС и повышении уровня океана на 0,1-0,9 м, но имеются и сценарии возможного похолодания из-за выбросов вулканического пепла и эффекта «ядерной зимы». Однако интегральные оценки воздействий антропогенных и природных факторов на атмосферу отсутствуют, поскольку неясно, как будет развиваться цивилизация, и еще не вполне ясны прогнозы естественных компонент климата.

С этими абстрактными климатическими сценариями нам довелось познакомиться в 1988-1991 гг., в процессе проведения лабораторией агроклиматических ресурсов Сибирского НИИ земледелия и химизации (СибНИИЗХим) оценки возможных изменений климата и его влияния на сельское хозяйство СССР. Тема выполнялась по заказу Главной геофизической обсерватории (ГГО) им. А.И. Воейкова, головного института страны, где проводились комплексные исследования текущего климата и причин его изменчивости. В нашей работе ежегодная урожайность сельскохозяйственных культур в различных почвенно-климатических зонах страны увязывалась с соответствующими почвенными и агрометеорологическими характеристиками общего увлажнения - атмосферными осадками и температурными условиями. Мы видели, что амплитуды межгодовых колебаний увлажнения и урожайности часто превышали межзональные различия, особенно в континентальных районах Сибири. Поэтому на передний план выдвигались вопросы адекватной оценки связей урожайности с почвенно-климатическими факторами и долгосрочного прогнозирования (на сезон, 2-5 лет и более) экстремальных проявлений текущего климата.

Выполнив «обязательную» часть технического задания ГГО в виде разводки на карте страны изолиний возможных аномалий урожайности зерновых культур, в зависимости от различных климатических сценариев, мы разрабатывали методику долгосрочного прогнозирования климатических аномалий. Методика основывалась на концепции геокосмических аналогий и реализовывалась в моделях экстраполяции на будущее космически-земных связей. Данный подход нашел понимание у ведущих климатологов Е.П. Борисенкова, Б.И. Сазонова, В.В. Полозова.

Дополняя названные выше палеоклиматические данные летописью необычайных явлений природы в последнем тысячелетии, составленной в ГГО [9], мы можем отметить, что погодно-климатические изменения в прошлом бывали не менее значительными, чем за последние десятилетия. Современная тенденция общего потепления представляется аналогичной потеплению 40-50-х гг. XVII в. и другим фазам (см. рис. 1). Наш фоновый прогноз показывает прекращение резкого потепления с переходом к стабилизации температур к 20-м гг. XXI в. (см. рис. 5). Мы считаем, что первостепенную роль в изменении температурного фона играют космически-земные факторы, однако при этом не исключается незначительное антропогенное влияние, которое накладывается на фазу современного потепления.

На Всемирной конференции по климату в Москве А. Илларионов, опираясь на обзор Института экономического развития РАН [10], отметил, что колебания мировой температуры не объясняются колебаниями эмиссии СО₂, но они коррелируют с изменением геомагнитной активности, что по сути соответствует нашей концепции геокосмических связей [3]. Утверждения об уникальности современного «глобального потепления» не подтверждаются данными за длительные, в тысячи лет, отрезки времени. При этом замечено, что фазы климатических оптимумов сопровождались прогрессом и процветанием, а ледниковые периоды - катаклизмами, а последние 3-5 тысяч лет можно считать наиболее устойчивой климатической фазой межледниковья. Всемирная конференция в целом зафиксировала, что пока нет убедительных доказательств значимого антропогенного влияния на нынешнее глобальное потепление. Нет модели этого потепления и уверенности в том, что именно углекислый газ и прочие газы (которые регулируются Киотским протоколом), а не природная компонента в сочетании с увеличением водяных паров в атмосфере влияет на глобальное потепление.

Можно констатировать и ограниченность доказательств связи экстремальных проявлений климата с современным потеплением. Но это только усиливает актуальность климатологической тематики, и особенно ее агрометеорологических аспектов. Однако вопросы агрометеорологического обеспечения сельского хозяйства России излишне уводятся в рассуждения о глобальных изменениях климата. На основе абстрактных климатических сценариев продолжаются оценки влияния изменений климата на продуктивность сельского хозяйства [12]. С помощью таких оценок практически невозможно выработать конкретные меры по адаптации земледелия к реальному текущему климату. Встречается и полезная информация, например, экономическая оценка климатической составляющей в изменении сборов зерна в Белоруссии [13].

Земледельцам приходится иметь дело не с абстрактными параметрами климата, а ежегодно осваивать агрометеорологические ресурсы в условиях их межгодовой и внутригодовой изменчивости. Агроклиматические параметры определяют природную продуктивность почв, их агроклиматический потенциал. В процессе многовекового формирования почв на подстилающих породах погодные колебания в почвах как бы нивелируются. Почвы в естественных условиях адаптируются к текущему климату чередованием различных видов в растительных биоценозах. В земледелии, особенно с введением на поля монокультуры пшеницы, урожайность становится более зависимой от осадков первой половины вегетационных сезонов. Например, для яровой пшеницы в степной Кулунде эта зависимость превышает 80%. Наряду с тем избыточные осадки периода созревания и уборки урожая уменьшают его качество и объем. Поэтому, прежде всего, необходима универсальная оценка связей между характеристиками почв, текущего климата, увлажнения и урожаев.

При оценке биоклиматического потенциала в природно-сельскохозяйственном районировании территории СССР [14,15] зависимости климата, почвенного покрова и его продуктивности были установлены для отдельных земледельческих зон. Не были учтены пространственно-временные особенности этих связей. Бонитировочные характеристики почвенного покрова и поныне проводятся по методикам 70-х гг. XX в., а рассуждения об агроландшафтах фактически не увязываются с характеристиками текущего климата и увлажнения.

В традиционных подходах к рациональному освоению агрометеорологических ресурсов также мало что изменилось. В начале 80-х гг. много говорилось о программировании урожаев, но вскоре выяснилось, что собственно программирование, то есть «составление программы» урожая практически реализуемо на орошаемых полях, а применительно к богарным условиям более принято говорить о прогнозировании урожаев. Современные методы агромониторинга с помощью космических средств способны дополнить информацию наземных агрометеослужб, включая прогнозирование урожайности по фактическому состоянию посевов. Но даже самые совершенные схемы слежения не помогают принятию наиболее важных агротехнологических решений. Земледельцам необходимы надежные долгосрочные прогнозы, с помощью которых можно более обоснованно размещать культуры и сорта в севооборотах, применять удобрения, корректировать способы обработки почвы и сроки посева культур.

Необходимо также правильно учитывать возможное влияние на урожаи фаз природного увлажнения. Например, предпринимаются меры по борьбе с засухой, а наступает переувлажнение, либо наоборот, что на практике бывает часто. И хотя практические возможности для погодной адаптации земледелия в аграрном секторе страны в настоящее время ограничены, повышение надежности прогнозов, на основании которых можно принимать адаптивные меры по уменьшению ущерба от засух или переувлажнений, остается актуальным.

Долгосрочное агрометеорологическое прогнозирование

Реальные урожаи зависят от межгодовых колебаний агрометеорологических условий, проявляющихся в разных типах увлажнения вегетационных сезонов, что эквивалентно временным вариациям агроклиматических подзон. Поэтому решение задач агроклиматической адаптации земледелия начинается с оценки изменчивости текущего климата (общего увлажнения) на пространстве во времени [16]. В табл. 2 приведен пример такой оценки для территории юга Западной Сибири. Типы увлажнения определяются как: умеренно-переувлажненный характерный для подтаежно-лесной подзоны, умеренно-увлажненный (лесостепной), умеренно дефицитный (южнолесостепной), дефицитный (степной) и острозасушливый (сухостепной). Эти типы проявляются на земледельческой территории во времени в виде «плавающих» ареалов с дефицитным, средним или избыточным увлажнением. В результате угодья в разные годы оказываются по условиям увлажнения как бы в разных агроклиматических подзонах.

Таблица 2. Пространственно-временная изменчивость общего увлажнения земледельческой территории юга Западной Сибири

Обозначения: Подзоны земледельческой территории юга Западной Сибири: I - южнотаежная, II - подтаежно-

северолесостепная, III - лесостепная, IV - южнолесостепная, V - степная;

>0°C - сумма температур выше 0°С; О_09-08, О_06, О_06-07, О_05-08 - сумма осадков за соответствующие

месяцы, мм; 0.5хО_09-04 - предшествующее увлажнение в мм, сумма осадков с коэффициентом потерь;

- коэффициент увлажнения с коэффициентом испаряемости 0.177.

Рассмотренная схема является, по сути, «статистическим прогнозом» агрометеорологических параметров в агроклиматических подзонах, и по ней, в принципе, можно проводить размещение сельскохозяйственных культур и планирование базовых агротехнологий. Далее необходимо долгосрочное прогнозирование аномалий увлажнения на предстоящие сезоны.

Авторские способы прогнозирования аномалий экосферы и экологического состояния на Земле или ее части защищены патентами на изобретения и являются частью системы экопрогноза [11,17]. Эти способы, в соответствии с традиционной классификацией метеорологических прогнозов, нацелены на: а) сезонные ориентировочные прогнозы - описание осредненных агрометеорологических параметров, выраженных в виде отклонений от климатических величин; б) прогнозы изменчивости климата - на срок свыше 2-х лет - описание ожидаемых параметров климата, связанных с изменением межгодовых, декадных и внутривековых климатических аномалий; в) прогнозирование климата - описание будущего климата с учетом влияния естественных и антропогенных факторов.

В 90-е гг. мы разрабатывали прогнозы ареалов экстремального увлажнения и связанных с ними очагов наводнений и засух на территории страны. Прогнозы для аграрной отрасли выдавались в виде справок и предложений, в 1990-1993 гг. они рассылались Минсельхозом России по регионам страны. На базе лаборатории агроклиматических ресурсов СибНИИЗХим с 1985 г. действовал Совет «Агроклиматические ресурсы Сибири», преобразованный к 1991 г. при поддержке академика А.А. Никонова в Совет «Агроклиматические ресурсы» при Президиуме ВАСХНИЛ, однако вскоре он прекратил свое существование. К настоящему времени импульсы от этих работ практически иссякли, за исключением отдельных исследований. Причин тому несколько, но главная из них - прекращение возможности бесплатного получения исходной агрометеорологической информации от Гидрометеослужбы. В последние годы с помощью системы экопрогноза удается рассчитывать лишь отдельные прогностические схемы.

Агрометеорологические прогнозы нами относятся к разделу агрометеомониторинга системы экопрогноза. Агрометеомониторинг включает: анализ архивной информации, текущее слежение за ходом агрометеорологической обстановки, и долгосрочное прогнозирование гидротермических условий. В результате анализа архивов дается характеристика пространственно-временной изменчивости общего увлажнения в агроклиматических зонах, подзонах и агроландшафтных районах. Слежение за ходом текущего климата проводится по данным метеостанций в разрезе декад, месяцев и 40-дневных фаз вегетационных сезонов.

Для сибирских условий обычно в январе уточняется прогноз увлажнения по 40-дневным фазам вегетационного сезона (апрель-октябрь) на предстоящие годы. На рис. 6 в качестве примера показаны прогноз на 2007 г. для Новосибирской области и оценка его оправдываемости. Оправдываемость подобных прогнозов, рассматриваемая с точки зрения их практической значимости для земледелия, составляет в целом не менее 85%. Заметим, что речь идет о прогнозах увлажнения на годы вперед, а их достоверность не ниже достоверности оперативных прогнозов погоды. Понятно, что такие прогнозы могут применяться на практике.

На рис. 7 приведены модели климатически обеспеченной урожайности зерновых культур в Новосибирской, Томской областях и Красноярском крае, с прогнозом на 2007-2010 гг., при этом прогноз на 2007 г. показал удовлетворительное соответствие фактическим урожаям. Урожайность рассматривается здесь как интегральный показатель текущего климата, соответствующий современному уровню агротехники. Данные модели аппроксимированы наборами циклических компонент, которые отражают астрономически обусловленные волны в атмосфере, определяющие циклонально-антициклональные процессы и связанные с ними волны тепла, холода, фазы атмосферных осадков.

Рис. 6. Прогнозные и фактические значения атмосферных осадков в Новосибирской области, 2007 г.

Ранее в процессе анализа многолетних рядов урожайности зерновых культур нами была отмечена ограниченность связей линейного характера между урожайностью и факторами увлажнения. В результате была разработана модель почвенно-климатического зонирования и продуктивности агроландшафтов, в которой зональные типы почв функционально связаны с параметрами общего увлажнения [11,18]. В этой модели продуктивность почв, агроклиматические и агрометеорологические потенциалы земель рассчитываются по климатической формуле урожая.

Климатическая формула урожая

На основе цитированной модели возможны агроклиматическое зонирование территории и оценки продуктивности агроландшафтов для всего земледельческого пространства. В шкалах коэффициентов увлажнения и теплообеспеченности отражается пространственная изменчивость ресурсов увлажнения - природного и трансформированного земледелием. С помощью модели можно рассчитывать агроклиматические и агрометеорологические потенциалы земель. Агроклиматический потенциал - характеристика продуктивности земли, отражающая роль климатических (среднемноголетних) ресурсов тепло-, влагообеспеченности почв и растений, рассчитываемая по формуле:

,

где V, K_t, K_y - значения продуктивности (урожайности), коэффициенты теплообеспеченности и увлажнения агроландшафтов, соответственно. Агрометеорологический потенциал - характеристика продуктивности севооборотов и урожайности культур, отражающая вклад агрометеорологических ресурсов конкретных лет.

Теплообеспеченность определяется коэффициентом K_t - отношением суммы положительных температур (T>0-0^о) на заданном участке земли к максимальной сумме температур на Земном шаре. Экспоненциальная связь плодородия почв и продуктивности агроландшафтов выражается через коэффициенты увлажнения K_y и две константы - = 3,14… и K₀, соответствующую постоянной Планка 1,05459. При этом коэффициенты увлажнения рассчитываются относительно двух оптимумов - природного либо земледельческого. Тогда значения V с коэффициентом пропорциональности 10 соответствуют продуктивности агроландшафтов, севооборотов, урожайности культур, выраженной в центнерах зерновых единиц с гектара.

Коэффициент природного увлажнения (K_{y пр}) является отношением годовых осадков к сумме среднесуточных положительных температур с эмпирическим коэффициентом 0,177. Особенность данной редакции коэффициента состоит в том, что среднемноголетние значения его, равные 1.0, соответствуют максимуму продуктивности почв в естественных, не нарушенных земледелием условиях. Этот максимум идентифицируется с выщелоченными черноземами, севернее которых отмечается преимущественно промывной режим почв, а южнее - дефицитный по влаге. Но с превышением увлажнения над природным оптимумом, соответствующим значению 1.0, увеличивается и дефицит почвенного плодородия, который можно компенсировать с помощью удобрений. Для того, чтобы количественно отразить это явление, мы рассматриваем фактические значения коэффициентов увлажнения относительно единичного природного оптимума в шкалах K_y1 и K_y2 : K_y1 = K_y, если K_y<1, и K_y2 = 1/K_y, если K_y >1, то есть значения К_y1 показывают долю дефицита увлажнения, а K_y2 - меру его избытка.

Если в природных условиях практически все выпавшие осадки, жидкие и твердые, в той или иной мере могут влиять на формирование естественной продуктивности почв и растительности (через корневую систему растений и транспирацию), то в земледелии неизбежны потери. Это потери на испарение при обработках почв, сток, которые в типичных (плакорных) условиях соответствуют примерно половине предшествующих твердых осадков. В результате оптимум увлажнения в земледелии, например, для зерновых культур, увеличивается с 1.0 до значений коэффициента природного увлажнения 1.23 и более.

А. Новосибирская область

Б. Томская область

В. Красноярский край

Рис. 7. Фактическая и прогнозируемая (климатически обеспеченная) урожайность зерновых культур, ц/га

Последнее значение принято в качестве базового К_{узем.баз.} для зерновых культур. В целом эффективное увлажнение зерновых яровых культур складывается из запасов почвенной влаги и осадков вегетационного периода. Для озимых потери предшествующих осадков меньше, чем для яровых. Увлажнение трав эффективно в течение всего вегетационного сезона. Поэтому значения К_узем. могут корректироваться по видам возделываемых культур (зерновые яровые, озимые, ранние, поздние сорта, травы однолетние, многолетние), и по условиям микрорельефа полей, интразональности почвенного покрова, степени засоленности почв. Особенно заметен дефицит влаги на засоленных почвах, связанный с повышением осмотического давления в капиллярах растений в процессе водопотребления. При корректировке К_узем. могут учитываться также виды обработки почв.

Используя данные метеостанций, по этим формулам можно оценивать базовую продуктивность и степень хозяйственного освоения агроклиматического (среднемноголетнего) или агрометеорологического (в конкретном году) потенциалов земель. Агроклиматический потенциал, «записанный» в продуктивности зональных типов почв, рассчитывается по формуле урожая, исходя из реальной тепло-влагообеспеченности сельскохозяйственных растений. Ежегодно осваиваемые средствами агротехники агрометеорологические потенциалы также рассчитываются по приведенным формулам и сопоставляются с реальной продуктивностью севооборотов и культур, в зависимости от интенсификации земледелия.

Степень использования агрометеорологического потенциала в экстенсивном и интенсивном вариантах земледелия обычно значительно отличается. Это связано с тем, что в коэффициенте природного увлажнения отражается фактор почвенного плодородия, зависящий от водно-воздушного микроклимата почв. В результате значения К_узем. должны определяться относительно оптимумов увлажнения для сельскохозяйственных культур, с одной стороны, и относительно зональных гидротермических оптимумов почв, исчисляемых по среднемноголетним коэффициентам природного увлажнения, с другой стороны. В экстенсивном варианте земледелия, очевидно, действуют оба названные ограничения. В процессе интенсификации земледелия дефициты почвенного питания и метеорологического комфорта сельскохозяйственных растений могут компенсироваться за счет применения удобрений и средств защиты растений, но при этом остается лимитирующий фактор влаги.

Следует заметить, что сокращение потерь влаги в степном земледелии способно дать незначительные прибавки урожаев. Поэтому агроклиматический потенциал степи может быть реализован в полной мере с помощью орошения. Естественное переувлажнение лесостепи в отдельные годы становится для земледелия благом, если оно реализуется с помощью удобрений и средств защиты растений. С помощью климатической формулы можно оценить в единицах урожая и роль осушительной мелиорации.

Обычно технологии возделывания сельскохозяйственных культур рассчитываются на среднемноголетние гидротермические условия, что в 50-60% лет не соответствует реальному внутрисезонному увлажнению, то есть традиционные технологии слабо адаптированы к природным условиям и по технологическим блокам, и по уровню интенсификации земледелия. Это иллюстрируется результатами многолетних исследований на Новосибирском стационаре СибНИИЗХим, расположенном в лесостепи Приобья на выщелоченном черноземе со среднемноголетним значением K_{y пр} = 1,04 (табл. 3).

Таблица 3. Изменчивость агрометеорологических ресурсов на Новосибирском стационаре (1996-2007 гг.)

Опыты на Новосибирском стационаре

Основные результаты первой фазы стационарных опытов (1986-1995 гг.) были опубликованы в [18]. Во второй фазе опытов (1997-2007 гг.) совместно с заслуженным агрономом РФ Ю.П. Филимоновым проведен анализ зависимости продуктивности освоенных севооборотов от уровня интенсификации агротехнологий. Типы годового увлажнения дополнительно детализированы характеристикой летних сезонов (табл. 3). Среднемноголетние показатели продуктивности севооборотов рассматриваются на фонах: экстенсивном без средств защиты и удобрений, и интенсивном с применением удобрений и химических средств защиты.

Агрометеорологические потенциалы рассчитаны по данным близлежащей метеостанции Огурцово и сопоставлены с данными полевых опытов лаборатории севооборотов СибНИИЗХим (Г.М. Захаров). На рис. 8 показан сравнительный анализ потенциалов отдельных лет в разрезе месяцев вегетационных сезонов, и урожайности зернового севооборота на интенсивном фоне, с выделением культуры ячменя. Потенциалы рассчитаны по приведенной выше формуле урожая скользящим итогом: в V(7-6) учтены ресурсы увлажнения с июля предшествующего года по июнь текущего, в V(8-7) - с августа по июль, и в V(9-8) - с сентября по август.

Рис.8. Агрометеорологический потенциал и продуктивность зернового севооборота на интенсивном фоне, ц з. ед./га

На рис. 9 приведен результат опытов 2007 года. Примечательно, что максимальная урожайность была у адаптивно-мобильного, то есть скорректированного по долгосрочному прогнозу увлажнения, зернотравяного севооборота. На полях клевера достигнут агрометеорологический потенциал 2007 г. (55,7-60,2 ц зерновых единиц с гектара). К этим значениям приблизилась урожайность пшеницы в опытах С.А. Кима (55-57 ц/га). Дальнейший рост продуктивности в благоприятные годы в принципе возможен, но он связан с повышением использования растениями фотосинтетически активной радиации. Между тем урожайность зерновых культур в хозяйствах Новосибирского района в 2007 г. составила 30 ц/га, а среднемноголетняя районная урожайность не превышает 22 ц/га и среднеобластная (см. табл. 1) - 13,5 ц/га. Отсюда мы видим, какие значительные резервы таит возможность рационального освоения ресурсов текущего климата на основе агрометеорологической адаптации земледелия.

Наряду с тем мы видим яркую межгодовую изменчивость агрометеорологических ресурсов в благополучной «с точки зрения климата» подзоне сибирской лесостепи, с природно-климатическим оптимумом увлажнения. Вопросы адаптации земледелия к текущему климату тем более актуальны в зонах рискованного земледелия в Сибири и европейской территории России. Разрешение этих вопросов представляется необходимым условием ведения рентабельного земледелия.

Рис. 9. Продуктивность севооборотов в 2007 г. в зависимости от уровня интенсификации агротехнологий, ц з. ед./га севооборотной площади

В заключение необходимо обратить внимание на то, что современные рыночные отношения предусматривают получение ежегодной прибыли, или, по меньшей мере, окупаемость затрат. Однако основные агротехнологии, включая западные, рассчитанные на агроклиматические ресурсы, практически не соответствуют аномальным условиям в отдельные годы. Поэтому для эффективного использования хозяйственных ресурсов необходима адаптация агротехнологий к пространственной и временной изменчивости агрометеорологических (гидротермических) условий по следующим блокам (звеньям):

- адаптивная интенсификация;

- мобильная структура посевных площадей по видам (сортам) культур и севооборотам;

- адаптивно-комбинированная система обработки почвы в севооборотах;

- интегрированная защита растений от сорняков, болезней и вредителей по фитосанитарному прогнозу и состоянию.

В связи с временной изменчивостью гидротермических условий по годам хозяйствующие субъекты должны иметь переходящие фонды семенного, продовольственного и фуражного зерна (внутрихозяйственный, кооперативно-межхозяйственный, региональный, федеральный) и мобильно перестраивающуюся систему машин.

Это может стать реальностью в том случае, если мы перейдем от абстрактных рассуждений о глобальном климате и агроландшафтах к практической реализации схем экопрогноза и агроклиматической адаптации земледелия в регионах Сибири и России. Необходимо развивать этот опыт с особым вниманием к схемам адаптивно-мобильных севооборотов в системах земледелия, адаптированных к текущему региональному климату.

Литература

1. Груза Г.В. Климат меняется по вечным законам / Институт глобального климата и экологии РАН, 2006. _ 4 с.

2. Понько В.А. Система долгосрочного прогнозирования аномалий экосферы // Использование и охрана природных ресурсов в России, 2006, № 4. С. 94-104.

3. Миланкович М. Математическая климатология и астрономическая теория колебаний климата. - М.-Л.: ГОНТИ, 1939. - 208 с.

4. Волков И.А., Зыкина В.С. Ископаемые почвы в опорном разрезе покровных отложений Новосибирского Приобья // Геология и геофизика, 1977. С. 83-94.

5. Орлова Л.А. Голоцен Барабы: стратиграфия и радиоуглеродная хронология. - Новосибирск: Наука, 1990. - 126 с.

6. Шнитников А.В. Изменчивость общей увлажненности материков Северного полушария // Записки Географического общества СССР. - М.-Л.: Изд. АН СССР, 1957. Т.16. - 337 с.

7. Завалишин Н., Зиненко В., Понько В., Хизаметдинов С. Метод геокосмических аналогий и модель изменчивости климата // Тезисы докладов на Всемирной конференции по изменению климата. - М., 2003. С. 508.

8. Предстоящие изменения климата. Советско-американский отчет о климате и его изменениях / Под ред. М.И. Будыко, Ю.А. Израэля, М.С. Шакракена, А.Д. Хукта. - Л.: Гидрометеоиздат, 1991. - 227 с.

9. Борисенков Е.П., Пасецкий В.М. Тысячелетняя летопись необычайных явлений природы. - М.: «Мысль», 1988. - 524 с.

10. Илларионов А. Россия и Киотский протокол: ратифицировать или не ратифицировать? - М.: Институт экономического анализа РАН, 2004 - 38 с.

11. Понько В.А. Введение в систему «Экопрогноз». - М.: «Новый век», 2000. - 136 с.

12. Клещенко А.Д., Сиротенко О.Д. Влияние наблюдаемых изменений климата на продуктивность сельского хозяйства России и меры по адаптации // Материалы Международной конф. проблемам гидрометеорологической безопасности (Москва, сентябрь 2006 г.). - М., 2006.

13. Логинов В.Ф. Изменение климата Беларуси и их последствия в различных отраслях экономики // Там же.

14. Природно-сельскохозяйственное районирование и использование земельного фонда СССР / Под ред. А.Н. Каштанова. - М.: Колос, 1983. - 338 с.

15. Шашко Д.И. Агроклиматическое районирование СССР. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 320 с.

16. Адаптивно-ландшафтные системы земледелия Новосибирской области. - Новосибирск: СО РАСХН, 2002. - 387 с.

17. Понько В.А. Методология космогеопрогноза // Использование и охрана природных ресурсов в России, 2005, № 4. С. 88-95.

18. Понько В.А. Агроклиматическая адаптация земледелия // Использование и охрана природных ресурсов в России, 2006. № 2. С. 107-114.