Агрокліматична оцінка умов вологозабезпечення території України у період вегетації сільськогосподарських культур

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

АГРОКЛІМАТИЧНА ОЦІНКА УМОВ ВОЛОГОЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТЕРИТОРІЇ УКРАЇНИ У ПЕРІОД ВЕГЕТАЦІЇ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКИХ КУЛЬТУР

11.00.09 - метеорологія, кліматологія, агрометеорологія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук

КРУКІВСЬКА АЛЛА ВОЛОДИМИРІВНА

УДК 631:551.58+551.57+556.3+633.1(477)

Київ 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у відділі агрометеорологічних досліджень Українського науково-дослідного гідрометеорологічного інституту МНС України та НАН України

Науковий керівник: доктор географічних наук, професор

Дмитренко Віталій Павлович,

Український науково-дослідний

гідрометеорологічний інститут,

завідувач відділом агрометеорологічних досліджень

Офіційні опоненти:

доктор географічних наук, професор

Польовий Анатолій Миколайович,

Одеський державний екологічний університет

Міністерства освіти і науки України,

завідувач кафедри агрометеорології

і агрометеорологічних прогнозів

кандидат географічних наук,

старший науковий співробітник

Філіпенко Лариса Антонівна

Інститут гідротехніки і меліорації

Української академії аграрних наук

провідний науковий співробітник

лабораторії водокористування

Захист відбудеться “ 12 ” червня 2008 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д 26.001.22 Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: м. Київ, МСП-680, проспект Глушкова, 2, географічний факультет.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 01033, м. Київ, вул. Володимирська, 64.

Автореферат розісланий “ 7” _05_ 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої Вченої ради Д 26.001.22

кандидат географічних наук В.В. Гребінь

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дослідження. Агрокліматичні ресурси України у сучасний період зазнають змін за своїм потенціалом і просторовим розподілом у зв'язку зі змінами просторово-часової структури кліматичних умов території. Для обґрунтування стратегій стійкого розвитку галузей сільськогосподарського виробництва країни важливе значення має системне вивчення властивостей і тенденцій зміни всіх складових агрокліматичних ресурсів. Проте, пріоритетним напрямком досліджень є всебічний аналіз умов і процесів, які обмежують отримання максимального урожаю сільськогосподарських культур за інтенсифікації землеробства.

З огляду на те, що на більшій частині України у вегетаційний період основним лімітуючим чинником урожайності культур є незадовільні умови вологозабезпечення, важливого науково-практичного значення набуває оцінка ступеню сприятливості природного потенціалу зволоження території для функціонування галузей рослинництва. На сучасному етапі для вирішення цієї актуальної проблеми необхідне створення нових комплексних методів аналізу закономірностей формування і динаміки ресурсів атмосферного і ґрунтового зволоження території у вегетаційний період та оцінки їх впливу на урожайність сільськогосподарських культур. За цими положеннями визначено мету і завдання дисертаційного дослідження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, що склали зміст дисертації, проведено згідно з тематичними планами виконання Національної кліматичної програми (1999 р.), підготовки Національного атласу України (2002 р.), а також науково-дослідних робіт УкрНДГМІ за темами:

1.4.1.(02) “Вивчити закономірності та механізми впливу провідних гідрометеорологічних факторів на вологість ґрунту за особливостей агрофітотехнологій в Україні” (1996-1998 рр., № ДР 0196U007433);

1.4.1.(01) “Розробити наукові основи і методи завчасної сезонної оцінки агрометеорологічної спрямованості типів весняної і літньої вегетації провідних польових культур у ґрунтово-кліматичних зонах України” (1998-2000 рр., № ДР 0198U003800);

IV.I. “Розробити наукові основи і методи агрометеорологічних стратегій адаптації землеробства до погоди і клімату у ґрунтово-кліматичних зонах України” (2001-2003 рр., № ДР 0101003783);

8/2003 “Науково-методичний супровід підготовки агрокліматичних довідників по областях України та АР Крим” (2003 р., № ДР 0103U006554);

22/04 “Розробити рекомендації з агрометеорологічних стратегій адаптації у вигляді: а) методів оцінки урожайності ярої пшениці і сої; б) матеріалів оцінки агрокліматичних ресурсів Київської області” (2004-2005 рр., № ДР 0104U007559);

9/06 “Розвиток наукових основ та методичних засобів із агрометеорологічного забезпечення сільськогосподарського виробництва в Україні” (2006-2008 рр., № 0106U007311).

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розвиток методів аналізу умов вологозабезпечення сільськогосподарських культур впродовж вегетації на території України.

Для досягнення цієї мети у дисертаційній роботі поставлено та вирішено наступні завдання:

розробити новий метод агрогідрологічного районування України, що дозволяє виявити просторові закономірності формування ресурсів ґрунтової вологи у вегетаційний період за особливостей впливу атмосферного зволоження, агрогідрологічних властивостей ґрунтів, рельєфу території;

дослідити сучасні властивості просторового розподілу, міжсезонної та міжрічної динаміки запасів продуктивної вологи ґрунту на прикладі одновидових агроекосистем;

розробити методику оцінки і прогнозу запасів продуктивної вологи ґрунту під посівами основних зернових культур в агрогідрологічних районах України;

дослідити просторово-часові закономірності впливу вологості ґрунту на формування урожаю озимої пшениці та ярого ячменю і оцінити умови вологозабезпечення цих культур впродовж вегетації на території України;

розробити програмне забезпечення оцінки ступеню сприятливості умов зволоження ґрунту для формування урожаю основних зернових культур за базовою моделлю “погода - урожай” (УкрНДГМІ);

розробити новий підхід до мезомасштабного агрокліматичного районування адміністративних областей України, що дозволяє врахувати вплив властивостей підстильної поверхні на просторовий розподіл умов вологозабезпечення у вегетаційний період.

Об'єкт і предмет дослідження. Об'єктом дослідження є умови вологозабезпечення території України у період вегетації сільськогосподарських культур за ознаками атмосферного і ґрунтового зволоження. Предметом дослідження є закономірності формування і просторово-часового розподілу ресурсів ґрунтової вологи у поєднанні з агрокліматичними умовами та їх вплив на урожайність основних зернових культур в Україні.

Методи дослідження. Вирішення поставлених у роботі завдань здійснено з використанням методів математичної статистики (аналіз просторово-часового розподілу запасів продуктивної вологи у кореневмісному шарі різних типів ґрунтів України, розробка регресійної моделі динаміки вологозапасів ґрунту під посівами основних зернових культур протягом їх вегетації), кластерного аналізу (агрогідрологічне районування України), інформаційного аналізу (оцінка ентропії картографічних зображень для мезомасштабного агрокліматичного районування території адміністративної області), математичного моделювання впливу вологості ґрунту на формування урожаю сільськогосподарських культур (оцінка умов вологозабезпечення озимої пшениці та ярого ячменю в Україні на основі фізико-статистичної моделі “погода - урожай” (УкрНДГМІ)), галузевих методів агрокліматичних та агрогідрологічних досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів:

розроблено новий метод агрогідрологічного районування України на основі об'єктивної класифікації ознак атмосферного зволоження, агрогідрологічних властивостей ґрунтів, режиму ґрунтових вод і рельєфу території, що дозволяє виявити географічні закономірності формування ресурсів ґрунтової вологи у період вегетації сільськогосподарських культур;

проведено аналіз сучасних особливостей режиму агрогідрологічних ресурсів України у вегетаційний період за характеристиками просторового розподілу, міжсезонної та міжрічної динаміки запасів продуктивної вологи ґрунту в одновидових агроекосистемах;

розроблено нову методику щодекадної оцінки і прогнозу запасів продуктивної вологи ґрунту під посівами основних зернових культур у різних агрогідрологічних районах України;

вперше на основі базової моделі “погода - урожай” (УкрНДГМІ) досліджено географічні закономірності впливу вологості ґрунту на формування урожаю озимої пшениці та ярого ячменю в Україні;

запропоновано новий підхід до мезомасштабного агрокліматичного районування адміністративних областей України, який дозволяє врахувати вплив неоднорідності підстильної поверхні на просторовий розподіл умов вологозабезпечення у вегетаційний період.

Практичне значення одержаних результатів полягає у поглибленні методичних засад оцінки сумісного впливу властивостей атмосфери і ґрунтового покриву на вологозабезпечення сільськогосподарських культур в Україні.

Картосхему агрогідрологічного районування України, характеристики просторово-часового розподілу ресурсів ґрунтової вологи у вегетаційний період, показники умов вологозабезпечення основних зернових культур рекомендовано для використання при вирішенні науково-прикладних завдань землеробства, агроекології, управління водними ресурсами.

Результати дисертаційного дослідження впроваджено у виробничу практику Українського гідрометцентру (УкрГМЦ). Методика щодекадної оцінки і прогнозу запасів продуктивної вологи під основними зерновими культурами (2002 р.) використовується в оперативній прогностичній агрометеорологічній практиці. Методика мезомасштабного агрокліматичного районування території (2005 р.) застосовується для проведення агрокліматичного районування адміністративних областей України та АР Крим за програмою підготовки нового видання обласних агрокліматичних довідників. Спеціалізовану комп'ютерну програму оцінки і прогнозу умов вологозабезпечення основних зернових культур в Україні рекомендовано для залучення в автоматизовану систему агрометеорологічного прогнозування УкрГМЦ.

Матеріали дисертаційного дослідження використано у Національному атласі України (2007 р.), Комплексному атласі України (2005 р.), Комплексному атласі Київської області (у видавництві), атласі “Клімат і водні ресурси України” (у видавництві).

Обґрунтованість і достовірність одержаних результатів забезпечується коректною постановкою наукових завдань і адекватним застосуванням загальнонаукових і спеціальних методів для їх розв'язання; опрацюванням статистично однорідних вибірок даних по запасах продуктивної вологи ґрунту в одновидових агроекосистемах, показниках атмосферного зволоження і термічного режиму території, фенологічних характеристиках посівів сільськогосподарських культур, сформованих за матеріалами багаторічних спостережень на мережі гідрометеорологічних станцій України; перевіркою отриманих результатів за статистичними критеріями достовірності; логічним та змістовно обґрунтованим узагальненням аналітичних висновків, широкою апробацією результатів дослідження на всеукраїнських і міжнародних наукових конференціях; публікаціями у наукових фахових виданнях; впровадженням результатів дослідження у практику агрометеорологічного обслуговування сільськогосподарського виробництва України.

Особистий внесок здобувача. Автором особисто проведено комплексне агрогідрологічне районування України, досліджено властивості просторового розподілу, міжсезонної та міжрічної зміни ресурсів ґрунтової вологи у різних агрогідрологічних районах. Розроблено регресійну модель динаміки вологозапасів ґрунту під посівами основних зернових культур в Україні. За показником повної польової вологоємності різних типів ґрунтів деталізовано параметри рівняння, що описує вплив вологості ґрунту на формування урожайності сільськогосподарських культур у фізико-статистичній моделі “погода - урожай” (УкрНДГМІ); на основі чисельних експериментів із моделлю проведено оцінку умов вологозабезпечення озимої пшениці та ярого ячменю в Україні у багаторічному розрізі; розроблено алгоритм спеціалізованої програми розрахунку коефіцієнтів продуктивності основних зернових культур за запасами продуктивної вологи ґрунту протягом вегетаційного періоду. Запропоновано новий підхід до мезомасштабного агрокліматичного районування території і проведено його апробацію на прикладі районування Київської області.

У спільних із співавторами публікаціях здобувачу належить постановка завдання, обґрунтування методів дослідження, збір і опрацювання вихідної інформації, аналіз отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались на Всеукраїнській науково-методичній конференції “Сталий розвиток агроекологічних систем в умовах обмеженого ресурсного забезпечення” (м. Київ, 1998 р.), Конференції молодих вчених національних гідрометслужб країн СНД (м. Москва, 1999 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Гідрометеорологія і охорона навколишнього середовища” (м. Одеса, 2002 р.), Другій міжнародній науково-практичній конференції “Географічна освіта і наука в Україні” (м. Київ, 2003 р.), Міжнародній науковій конференції “50 години Лесотехнически университет” (м. Софія, Болгарія, 2003 р.), Другій конференції молодих вчених національних гідрометслужб країн-учасниць СНД “Новые методы и технологии в гидрометеорологии” (м. Москва, Росія, 2006 р.), семінарі-тренінгу із підготовки обласних агрокліматичних довідників (м. Київ, 2006 р.), Другій міжнародній науково-технічній конференції “Навколишнє природне середовище - 2007: актуальні проблеми екології та гідрометеорології; інтеграція освіти і науки” (м. Одеса, 2007 р.).

Публікації. Результати дисертаційного дослідження опубліковано у 10 наукових працях, у тому числі, 3 публікації у фахових виданнях, рекомендованих ВАК України (2 розділи монографії “Клімат України”, 2 статті у збірниках наукових праць), 6 публікацій матеріалів і тез доповідей на всеукраїнських і міжнародних наукових конференціях.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел із 186 найменувань. Повний обсяг дисертації становить 209 сторінок. Робота вміщує 15 таблиць, 20 рисунків, 8 додатків на 54 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі за літературними джерелами проаналізовано особливості впливу фізико-географічних умов (геолого-геоморфологічної будови, рельєфу, клімату, ґрунтів) на режим зволоження території України у багаторічному циклі вологообміну між підстильною поверхнею і атмосферою.

Розглянуто теоретичні основи агрокліматичної оцінки забезпечення сільськогосподарських культур ресурсами вологи впродовж їх вегетації та проаналізовано стан досліджень за цим напрямком в Україні.

Сучасні агрокліматичні дослідження вологозабезпечення сільськогосподарських культур у процесі їх росту і розвитку засновані на сукупності методологічних принципів і підходів, обґрунтованих у численних наукових працях із фізіології рослин, агрометеорології, гідрології ґрунтів. Принципи і методи визначення вологопотреби рослин на основі метеорологічних величин і характеристик вологості ґрунту висвітлено у роботах Р.Е. Давида, А.М. Алпатьєва, М.І. Будико, О.Р. Константинова, А.І. Будаговського, О.В. Процерова, М.І. Гойси, О.М. Конторщикова, І.А. Шарова, Д.А. Штойко, Г.К. Льгова, Д.Б. Циприса, М.С. Кулика, H.L. Panman, C.H. Priestley, R.J. Taylor та багатьох інших вітчизняних і зарубіжних вчених. Запропоновано велику кількість методів оцінки вологозабезпечення рослин за співставленням їх вологопотреби і показників атмосферного зволоження (О.Р. Константинов, Ю.І. Чірков, Є.С. Уланова, Ю.С. Мельник, Л.І. Зубенок, О.П. Фєдосєєв, М.В. Бова, Д.А. Педь та ін.). Розроблено показники та визначено критерії оцінки вологозабезпечення рослин за вологістю ґрунту (О.А. Роде, С.І. Долгов, М.М. Абрамова, С.А. Вериго, Л.О. Разумова, М.Г. Йовенко, В.Ф. Гридасов, Л.С. Кельчевська, І.В. Свісюк та ін.). Створено методи комплексної оцінки вологозабезпечення агроценозів на основі рівнянь радіаційного, теплового і водного балансів (С.І. Харченко, Ю.С. Мельник, R.O. Slatyer, W.R. Gardner, H. van Keulen), імітаційних моделей вологообміну в агроценозі (О.Д. Сиротенко, I.R. Cowan, R. Hanks та ін.), фізико-статистичних моделей урожайності (В.П. Дмитренко) і динаміко-статистичних моделей продуктивності сільськогосподарських культур (А.М. Польовий, Р.О. Полуектов, О.Д. Сиротенко та ін.).

Огляд принципів і методів агрокліматичної оцінки умов вологозабезпечення території України у період вегетації сільськогосподарських культур свідчить про переважно відокремлене врахування ресурсів атмосферного зволоження (за кількістю опадів і комплексними агрокліматичними показниками) та вологості ґрунтів (за запасами продуктивної вологи). На сучасному етапі необхідним є поглиблення системи положень із комплексної оцінки потенціалу атмосферного і ґрунтового зволоження території у вегетаційний період, що зумовлює завдання розробки нового методу агрогідрологічного районування України. Методи агрокліматичної оцінки ресурсів зволоження території стосовно вирощування різних видів і сортів сільськогосподарських культур, які базуються на фізико-статистичних і динаміко-статистичних моделях урожайності рослин, потребують деталізації за напрямком врахування властивостей ґрунтів. Для визначення регіональних особливостей вологозабезпечення території у вегетаційний період необхідним є створення методів мезомасштабного агрокліматичного районування, які дозволяють враховувати вплив неоднорідності підстильної поверхні на просторовий розподіл ресурсів зволоження.

У другому розділі обґрунтовано новий метод агрогідрологічного районування України, проведено аналіз закономірностей просторового розподілу, міжсезонної та міжрічної динаміки запасів продуктивної вологи ґрунту у виділених агрогідрологічних районах, викладено зміст методики оцінки і прогнозу запасів продуктивної вологи під посівами основних зернових культур протягом їх вегетаційних циклів.

Метод агрогідрологічного районування базується на врахуванні комплексу чинників, які визначають закономірності атмосферного і ґрунтового зволоження території у період вегетації сільськогосподарських культур. Для диференціації території України на райони, однорідні за потенціалом вологозабезпечення, використано кластерний аналіз. До основних класифікаційних ознак режиму зволоження території у вегетаційний період віднесено:

співвідношення між кількістю опадів та сумою активних температур повітря, що описується гідротермічним коефіцієнтом Г.Т. Селянінова: кількість опадів (мм) за період із середньою добовою температурою повітря вище 10 сума середніх добових температур повітря (за цей період;

агрогідрологічні властивості ґрунтів, які характеризуються константними величинами (вологість в'янення, найменша вологоємність, повна польова вологоємність) для метрового шару;

вплив ґрунтових вод на процеси вологообміну у ґрунті у вегетаційний період, який враховано за глибиною їх залягання;

вплив рельєфу території на просторовий розподіл вологозапасів ґрунту, який сукупно відображено показником висоти місцевості над рівнем моря.

Кількісні характеристики розглянутих класифікаційних ознак визначено для 115 гідрометеорологічних станцій України, розташованих у різних фізико-географічних умовах. За результатами кореляційного аналізу встановлено, що тіснота зв'язку між покладеними в основу класифікації параметрами є слабкою і помірною, що обґрунтовує можливість їх використання у кластерному аналізі. Групування об'єктів виконано на основі агломеративного методу послідовної кластеризації з використанням евклідової метрики. Розрахунки проведено за спеціалізованою програмою CLASTER (автор - Б.В. Христюк, УкрНДГМІ), яка об'єднує 13 відомих методів кластер-аналізу, що ґрунтуються на мінімізації внутрішньогрупових сум квадратів відхилень. За аналізом результатів кластеризації, представлених у вигляді матриці відстаней і дендрограм, визначено просторовий розподіл кластерів та побудовано результуючу картосхему агрогідрологічного районування України (рис. 1).

Дослідження режиму ресурсів ґрунтової вологи у вегетаційний період в Україні проведено на основі оцінки просторово-часової мінливості запасів продуктивної вологи метрового шару ґрунту під посівами озимої пшениці по непарових попередниках. Оскільки динаміка вологовмісту ґрунтів на сільськогосподарських полях залежить від особливостей водоспоживання різних культур, то на прикладі одновидової агроекосистеми визначено загальні властивості режиму зволоження ґрунтів у кожному із агрогідрологічних районів. Для цього розраховано основні параметри розподілу запасів продуктивної вологи ґрунту на третю декаду кожного місяця від березня до червня: середнє багаторічне значення, дисперсію, коефіцієнти варіації, асиметрії, ексцесу. Розрахунки проведено за стандартним пакетом програм STATISTICA. Перевірку нормальності розподілу вологозапасів ґрунту здійснено за відхиленням коефіцієнту асиметрії від нуля. Встановлено, що розподіл запасів продуктивної вологи у досліджувані періоди в основному близький до нормального, але в окремі декади виявлено асиметричність різного знаку і величини, що пов'язано із сезонними особливостями перебігу процесів вологообміну у ґрунтах промивного та непромивного типів водного режиму.

Оцінку просторової мінливості запасів продуктивної вологи метрового шару ґрунту в різні декади вегетаційного періоду проведено за коефіцієнтом варіації. Встановлено, що його значення мало змінюються у межах кожного району і відрізняються між різними агрогідрологічними районами.

Для кількісної характеристики ресурсів ґрунтової вологи у вегетаційний період використано відносний показник вологозапасів середні багаторічні запаси продуктивної вологи метрового шару ґрунту (мм), найменша польова вологоємність цього шару (мм). Такий підхід дозволив провести порівняльний аналіз вологозабезпечення території у вегетаційний період за вологовмістом ґрунтів різного генетичного типу та механічного складу.

Як свідчать дані, наведені у табл. 1, ступінь забезпечення території ресурсами вологи у період весняно-літньої вегетації розрізняється між агрогідрологічними районами України, що визначає особливості агрофітотехнологій в кожному з них.

Інтервали коливань відносного показника запасів продуктивної вологи метрового шару ґрунту під озимою пшеницею на третю декаду місяця в агрогідрологічних районах України

Одержані результати дозволяють стверджувати, що запропонована схема агрогідрологічного районування України адекватно відображає просторові закономірності формування ресурсів ґрунтової вологи у вегетаційний період і може бути рекомендована для використання при вирішенні завдань розробки агроландшафтних схем землеробства і обґрунтування адаптивних технологій вирощування сільськогосподарських культур.

За результатами досліджень міжсезонної зміни ресурсів ґрунтової вологи в агрогідрологічних районах України виділено три типи динаміки вологозапасів кореневмісного шару ґрунту:

помірно вираженого зниження у межах 120-79 % від найменшої вологоємності (НВ) (I-й і II-й агрогідрологічні райони);

стійкого зниження від початку відновлення вегетації до періоду максимальної вологопотреби культур у межах 95-40 % від НВ з подальшим збільшенням (III-й, IV-й та X-й агрогідрологічні райони);

інтенсивного зниження у межах 87-25% від НВ (V-й, VI-й, VII-й, VIII-й, IX-й агрогідрологічні райони).

Переважно зональний характер розподілу типів динаміки ресурсів ґрунтової вологи у вегетаційний період свідчить про домінуючий вплив на їх формування співвідношення між теплом і вологою.

Дослідження особливостей багаторічної динаміки запасів продуктивної вологи метрового шару ґрунту здійснено на основі оцінки трендів. Для побудови тренду використано поліноміальний базис:

, (1)

запаси продуктивної вологи шару ґрунту 0-100 см (мм - номер року; вільний член- коефіцієнти апроксимуючого поліному, які розраховуються методом найменших квадратів; р - ступінь апроксимуючого поліному.

Для розрахунку ступеня апроксимуючого поліному розроблено спеціалізоване програмне забезпечення в середовищі Object Pascal. Обґрунтування ступеня поліному здійснено на основі критерію регулярності. Адекватність запропонованої квадратично-поліноміальної апроксимації часових рядів запасів продуктивної вологи різних типів ґрунтів підтверджено на основі перевірки за критерієм Уілкоксона для рівня значущості 0,05.

Виявлено позитивну тенденцію зміни запасів продуктивної вологи у метровому шарі дерново-підзолистих ґрунтів зони мішаних лісів, сірих лісових, чорноземів опідзолених і чорноземів типових Лісостепу, чорноземів звичайних і південних Степу за період 1961-2001 рр. Відзначено погіршення умов зволоження каштанових і темно-каштанових ґрунтів півдня України у травні та червні.

На наступному етапі дослідження розроблено методику щодекадної оцінки і прогнозу запасів продуктивної вологи під основними зерновими культурами (озима пшениця, ярий ячмінь, кукурудза) в агрогідрологічних районах України.

Теоретичні засади проведеного дослідження полягають в аналізі закономірностей комплексного впливу природних чинників, біологічних властивостей рослин і особливостей агрофітотехнологій на динаміку запасів продуктивної вологи ґрунту впродовж вегетації сільськогосподарських культур. Основу методики становить рівняння водного балансу, в якому складові надходження вологи у ґрунт та її витрати замінено зв'язками з температурою повітря та кількістю опадів за декаду. Формальним засобом відображення впливу метеорологічних чинників на динаміку вологості ґрунту є регресійна модель:

запаси продуктивної вологи певного шару ґрунту h наприкінці декади- запаси продуктивної вологи шару ґрунту h на початку декади- чисельні параметри.

Параметри регресійної моделі (2) визначено для різних типів ґрунтів України з диференціацією за глибиною горизонтів (0-20 см, 0-50 см, 0-100 см) та періодами вегетаційного циклу озимої пшениці, ярого ячменю і кукурудзи, з урахуванням попередників цих культур. Оцінку точності регресійної моделі проведено за коефіцієнтом детермінації, значення якого змінюється у межах 0,72-0,85. За результатами виробничих випробувань розробленої методики встановлено, що справджуваність оцінок і прогнозів вологовмісту ґрунтів під посівами зернових культур в Україні у середньому становить для шару ґрунту 0-20 см 75 %, для шарів 0-50 см і 0-100 см - 85-89 %.

Третій розділ присвячено дослідженню географічних закономірностей впливу вологості ґрунту на формування урожаю основних зернових культур на основі базової моделі “погода - урожай”, УкрНДГМІ (В.П. Дмитренко, 1976).

За цим підходом зв'язок урожайності із запасами продуктивної вологи ґрунту за будь-який період вегетаційного циклу сільськогосподарських культур описується рівнянням:, (3)

- урожайність за фактичного вмісту продуктивної вологи у ґрунті , мм;- максимальна урожайність за оптимального рівня зволоження ґрунту , мм; повна польова вологоємність ґрунту; додаткові параметри, які визначаються за відповідними співвідношеннями:

Кількісним критерієм оцінки сприятливості зволоження ґрунту для росту і розвитку рослин є коефіцієнт продуктивності, який відображає відносний рівень їх урожайності за відповідних умов ґрунтового зволоження.

Значення коефіцієнту продуктивності змінюється від 0 до 1,0; наближається до нуля, якщо вологозапаси ґрунту є значно меншими (дефіцит ґрунтової вологи), або більшими (перезволоження), ніж оптимальні, якщо фактичні вологозапаси дорівнюють оптимальним, то коефіцієнт продуктивності дорівнює 1,00.

Визначення параметрів рівняння (3) здійснено стосовно різних за генетичним типом та механічним складом ґрунтів України на основі диференційованого врахування показника повної польової вологоємності Wп. Це дозволило уточнити і деталізувати просторову оцінку умов вологозабезпечення сільськогосподарських культур.

За розглянутими принципами проведено агрокліматичну оцінку умов вологозабезпечення озимої пшениці та ярого ячменю в Україні у періоди розвитку, які є відносно однорідними за ступенем вологопотреби рослин. Для озимої пшениці це періоди: передпосівний, сівба укорінення, відновлення вегетації, формування вегетативних органів, утворення генеративних органів, достигання; для ярого ячменю - сівба укорінення, формування вегетативних органів, утворення генеративних органів, достигання (В.П. Дмитренко, 1976).

У дослідженні використано дані спостережень за вологістю метрового шару ґрунту під озимою пшеницею та ярим ячменем на мережі гідрометеорологічних станцій України за період 1961-2001 рр. Обчислення проведено за розробленою у середовищі Microsoft Access спеціалізованою програмою VLAGA (співавтор І.П. Криворучко, УкрНДГМІ). Ця програма дозволяє здійснювати розрахунок коефіцієнтів продуктивності зернових культур для поточної оцінки ступеню сприятливості умов зволоження ґрунту із визначенням потенціалу майбутнього урожаю, а також для агрокліматичної оцінки ресурсів вологозабезпечення рослин у багаторічному розрізі.

За результатами агрокліматичної оцінки умов вологозабезпечення озимої пшениці в Україні встановлено, що у період від сівби до укорінення (вересень - жовтень) сприятливі умови зволоження щорічно відзначаються у центральному Лісостепу і прилеглій до нього частині північного Степу. Несприятливі умови, які визначають урожайність культури на рівні середньої багаторічної, формуються у північно-західній частині зони мішаних лісів, західному Лісостепу, південному Степу і північно-східній частині Степу. На решті території України переважають задовільні умови зволоження ґрунту, які забезпечують рівень урожайності між господарським максимумом і економічним мінімумом (рис. 2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

У період утворення вегетативних органів (березень - травень) майже на всій території України спостерігаються задовільні умови забезпечення озимої пшениці ґрунтовою вологою. Значення коефіцієнтів продуктивностіоження у цей період найчастіше спостерігаються у південному Степу - в середньому 5-6 разів на 10 років.

Для ярого ячменю сприятливі та задовільні умови зволоження метрового шару ґрунту у періоди укорінення (березень - квітень) та формування вегетативних органів (травень) у зоні мішаних лісів, Лісостепу та північному Степу складаються майже щорічно, у південному Степу несприятливі та дуже несприятливі умови повторюються 6-7 разів за 10 років. У період утворення генеративних органів (червень) значну повторюваність мають несприятливі умови зволоження ґрунту на всій території України, тому для отримання високих урожаїв ярого ячменю важливе значення мають ранні терміни сівби.

Наведені положення і показники дозволяють адаптувати технологічні засоби вирощування зернових культур у будь-який період їх вегетації до умов зволоження території.

У четвертому розділі представлено новий підхід до визначення регіональних особливостей волого- і теплозабезпечення території у період вегетації сільськогосподарських культур на засадах мезомасштабного агрокліматичного районування.

За співставленням горизонтальних розмірів мікрокліматичних та макрокліматичних географічних районів, встановлено, що лінійні масштаби мезокліматичних територіальних одиниць становлять від 10 км до 300-500 км. За цим положенням, будь-яка адміністративна область України становить об'єкт мезомасштабного агрокліматичного районування.

У запропонованому підході поєднано методичні засади агрокліматичного районування адміністративної області, визначені В.В.Синельщиковим (1967), та метод картографічного аналізу взаємної відповідності контурів на тематично споріднених картах на основі функції ентропії (К.О. Саліщев, 1982; О.М. Берлянт, 1988; А.С. Горб, Н.М. Дук, 1998).

Для фонової характеристики умов волого- і теплозабезпечення території у період вегетації сільськогосподарських культур використовуються показники кількості опадів за період активної вегетації, суми активних температур повітря та гідротермічний коефіцієнт Г.Т. Селянінова (ГТК). За особливостями просторового розподілу зазначених характеристик на території адміністративної області виділяються однорідні агрокліматичні райони. Уточнення конфігурації просторових меж районів здійснюється на основі допоміжної карти, яка вибирається з переліку тематичних карт області відповідного масштабу, на яких відображено характеристики підстильної поверхні, що найсуттєвіше впливають на розподіл агрокліматичних ресурсів.

За проведеним аналізом встановлено, що у межах території адміністративної області закономірності формування фітоклімату посівів польових культур, особливості агрофітотехнологій та систем землеробства найбільш пов'язані з такими ознаками підстильної поверхні, як висота місцевості над рівнем моря, ступінь розчленування рельєфу, крутизна і експозиція схилів, ґрунтовий покрив. Ці характеристики генералізовано відображено на картах гіпсометрії, водозбірних басейнів і ґрунтового покриву території. Вибір допоміжної карти із зазначеного переліку здійснюється на основі оцінки подібності контурів, що окреслюють площі з однорідними умовами на картосхемі агрокліматичного районування і тематичних картах. Кількісним критерієм оцінки ступеню узгодження картографічних зображень є коефіцієнт взаємної відповідності, який для карт А і В (позначення використано умовно) обчислюється за формуло,

де- показник зменшення сумарної неоднорідності просторового розподілу показників на картах А і В за їх суміщення; ентропія суміщеного зображення.

Значення коефіцієнта взаємної відповідності змінюються від 0 до 100 %. За = 100 %, явища, зображені на картах А і В, повністю відповідають одне одному за властивостями їх просторового розподілу, за = 0 %, явища не пов'язані між собою.

Результати застосування запропонованого підходу для мезомасштабного агрокліматичного районування Київської області дозволили виявити найбільшу взаємну відповідність між картосхемою агрокліматичного районування області та картою водозбірних басейнів (масштаб карт - 1:1500000). Коефіцієнт їхньої відповідності становить 59 %. Значно меншими є показники взаємної відповідності між картосхемою агрокліматичного районування і гіпсометричною (28 %) та ґрунтовою (27 %) картами.

Проведені дослідження свідчать про те, що просторовий розподіл умов волого- і теплозабезпечення у полого-хвилястій місцевості визначається, насамперед, ступенем розчленування рельєфу, експозицією схилів і кутом їх нахилу.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі розвинуто підходи до аналізу умов вологозабезпечення сільськогосподарських культур впродовж вегетації на території України. За проведеними дослідженнями сформульовано і обґрунтовано такі наукові висновки і практичні результати:

1). Розроблено новий метод агрогідрологічного районування України на основі об'єктивної класифікації ознак атмосферного зволоження, агрогідрологічних властивостей ґрунтів, режиму ґрунтових вод і рельєфу території, що дозволяє виявити географічні закономірності формування ресурсів ґрунтової вологи у період вегетації сільськогосподарських культур.

2). Здійснено аналіз сучасних особливостей режиму агрогідрологічних ресурсів України у вегетаційний період за характеристиками просторового розподілу, міжсезонної та міжрічної динаміки запасів продуктивної вологи шару ґрунту 0-100 см в одновидових агроекосистемах.

3). Визначено типи міжсезонної динаміки ресурсів ґрунтової вологи в агрогідрологічних районах України. Встановлено, що зміна запасів продуктивної вологи метрового шару ґрунтів у період весняно-літньої вегетації має зональний характер і підпорядкована закономірностям зміни співвідношення між теплом і вологою. Визначено діапазон мінливості ресурсів ґрунтової вологи у відсотках від найменшої вологоємності за кожного типу міжсезонної динаміки.

4). Встановлено, що багаторічна динаміка запасів продуктивної вологи метрового шару ґрунту описується параболічними трендами. Виявлено позитивну тенденцію зміни продуктивних вологозапасів у метровому шарі дерново-підзолистих ґрунтів зони мішаних лісів, сірих лісових, чорноземів опідзолених і чорноземів типових Лісостепу, чорноземів звичайних і південних Степу. Відзначено погіршення умов зволоження каштанових і темно-каштанових ґрунтів півдня України у травні та червні.

5). Розроблено нову методику щодекадної оцінки і прогнозу запасів продуктивної вологи у ґрунті під зерновими культурами (озимою пшеницею, ярим ячменем і кукурудзою) протягом їх вегетаційних циклів на основі рівняння водного балансу з використанням методу множинної лінійної регресії. За результатами виробничих випробувань методики встановлено, що справджуваність оцінок і прогнозів вологовмісту ґрунтів під посівами зернових культур в Україні в середньому становить для шару ґрунту 0

6). За показником повної польової вологоємності ґрунтів України деталізовано параметри рівняння, що описує вплив вологості ґрунту на формування урожайності сільськогосподарських культур у фізико-статистичній моделі “погода - урожай” (УкрНДГМІ). Це дозволяє використовувати модель для просторової оцінки продуктивності сільськогосподарських культур за умовами їх вологозабезпечення на ґрунтах різного генетичного типу і механічного складу.

7). Розроблено програмне забезпечення оцінки ступеню сприятливості умов зволоження ґрунту для формування урожаю основних зернових культур за базовою моделлю “погода - урожай”.

8). Вперше на основі моделі “погода - урожай” досліджено географічні закономірності розподілу умов вологозабезпечення за їх впливом на урожайність озимої пшениці та ярого ячменю в Україні. Надано оцінку повторюваності умов вологозабезпечення різного ступеню сприятливості в основні періоди розвитку культур.

9). Запропоновано новий підхід до мезомасштабного агрокліматичного районування адміністративної області, який базується на визначенні зв'язків між властивостями підстильної поверхні та характеристиками агрокліматичних ресурсів на основі методу картографічного аналізу. Апробацію підходу проведено на прикладі мезомасштабного агрокліматичного районування Київської області.

10). Розроблені методичні засоби оцінки умов вологозабезпечення сільськогосподарських культур в Україні, а також отримані положення і показники поглиблюють наукові засади адаптації агрофітотехнологій до сучасних властивостей режиму атмосферного і ґрунтового зволоження території у вегетаційний період.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Монографії:

Дмитренко В.П., Круківська А.В., Строкач Н.К. Агрокліматичні і агрогідрологічні ресурси. Агрокліматичне і агрогідрологічне районування // В кн.: Клімат України. - К.: Вид-во Раєвського, 2003. - С. 279-292 (здобувачем проведено аналіз принципів агрогідрологічного районування території, здійснено збір та опрацювання вихідної інформації для оцінки просторово-часового розподілу показників агрокліматичних та агрогідрологічних ресурсів України).

Статті:

Круківська А.В. Типізація стаціонарних ділянок спостережень за вологістю ґрунту в Україні // Наукові праці УкрНДГМІ. - 2000. - Вип. 248. - С. 199-208.

Дмитренко В.П., Круківська А.В. Основи мезомасштабного агрокліматичного районування території на засадах математико-картографічного методу // Наукові праці УкрНДГМІ. - 2005. - Вип. 254. - С. 134-151 (здобувачем обґрунтовано новий підхід до мезомасштабного агрокліматичного районування території, проведено його апробацію на прикладі районування Київської області).

Єрмакова Л.М., Круківська А.В. До методики подекадної оцінки запасів продуктивної вологи у ґрунті під зерновими культурами в Україні // Науковий вісник НАУ. - 1999. - Вип. 13. - С. 98-106 (здобувачем проведено систематизацію і статистичне опрацювання вихідних даних, розроблено регресійну модель динаміки запасів продуктивної вологи у ґрунті під основними зерновими культурами в агрогідрологічних районах України).

Тези і матеріали конференцій:

Дмитренко В.П., Круківська А.В. Географічні принципи агрогідрологічних стратегій адаптації землеробства до коливань погоди і змін клімату // Географічна наука і освіта в Україні: Тези доповідей ІІ Міжнародної науково-практичної конференції (Київ, 27 - 28 березня 2003 р.). К.: ВГЛ Обрії, 2003. - С. 234-235 (здобувачем узагальнено принципи і методи агрогідрологічних досліджень у контексті розвитку стратегій адаптації землеробства до змін погоди і коливань клімату).

Круківська А.В. Проблеми агрогідрологічного районування та вологозабезпечення польових культур в Україні // Гідрометеорологія і охорона навколишнього середовища 2002 (Одеса, 25 - 27 вересня 2002 р.): Матеріали міжнародної конференції. - Ч. 1. Одеса: ОДЕКУ, 2003. - С. 244-249.

Круківська А.В. Умови вологозабезпечення зернових культур в Україні та їх модельна оцінка // Навколишнє природне середовище 2007: актуальні проблеми екології та гідрометеорології; інтеграція освіти і науки: Тези доповідей другої міжнародної науково-технічної конференції (Одеса, 26 - 28 вересня 2007 р.). Одеса: ОДЕКУ, 2007. - C. 199.

Круковская А.В. Классификация агроэкосистем по признакам влажности почвы под зерновыми культурами на Украине // 165-летие Гидрометслужбы России: Тезисы докладов конференции молодых ученых национальных гидрометслужб стран СНГ (Москва, 6 - 8 декабря 1999 г.). Обнинск: ВНИИГМИ-МЦД, 1999.- С. 67-68.

Круковская А.В. Мезомасштабное агроклиматическое районирование территории с использованием картографического подхода // Новые методы и технологии в гидрометеорологии: Тезисы докладов второй конференции молодых ученых национальных гидрометслужб государств-участников СНГ (Москва, 2 - 3 октября 2006 г.). - М.: Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, 2006. - С. 26-27.

Круковская А. Современные агрогидрологические исследования в Украине: направления, принципы и методы // 50 години Лесотехнически университет: Научни доклади международна научна конференция (София, Болгария, 1-2 апреля, 2003 г.). - София: СД Лотус, 2003. - С. 180-182.

АНОТАЦІЯ

Круківська А.В. Агрокліматична оцінка умов вологозабезпечення території України у період вегетації сільськогосподарських культур. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук за спеціальністю 11.00.09 метеорологія, кліматологія, агрометеорологія. - Географічний факультет Київського національного університету імені Тараса Шевченка, Київ, 2008.

Дисертація присвячена розвитку методів аналізу умов вологозабезпечення сільськогосподарських культур впродовж вегетації на території України.

Розроблено новий метод агрогідрологічного районування України, що дозволяє виявити географічні закономірності формування ресурсів ґрунтової вологи у вегетаційний період. Проведено аналіз сучасних особливостей режиму агрогідрологічних ресурсів території за характеристиками просторового розподілу, міжсезонної та міжрічної динаміки запасів продуктивної вологи ґрунту в одновидових агроекосистемах. Розроблено нову методику щодекадної оцінки і прогнозу запасів продуктивної вологи ґрунту під посівами основних зернових культур у різних агрогідрологічних районах. Вперше на основі базової моделі “погода - урожай” (УкрНДГМІ) досліджено географічні закономірності впливу вологості ґрунту на формування урожаю озимої пшениці та ярого ячменю в Україні. Обґрунтовано новий підхід до мезомасштабного агрокліматичного районування території адміністративної області з урахуванням впливу неоднорідності підстильної поверхні на просторовий розподіл умов вологозабезпечення за ознаками атмосферного зволоження у вегетаційний період.

Ключові слова: агрокліматична оцінка, вологозабезпечення, агрогідрологічне районування, запаси продуктивної вологи ґрунту, озима пшениця, ярий ячмінь, коефіцієнти продуктивності, мезомасштабне агрокліматичне районування.

агрогідрологічний ресурс волога ґрунт

АННОТАЦИЯ

Круковская А.В. Агроклиматическая оценка условий влагообеспеченности территории Украины в период вегетации сельскохозяйственных культур. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук по специальности 11.00.09 - метеорология, климатология, агрометеорология. - Географический факультет Киевского национального университета имени Тараса Шевченко, Киев, 2008.

Диссертация посвящена развитию методов анализа условий влагообеспеченности сельскохозяйственных культур на протяжении вегетации на территории Украины.

Разработан новый метод агрогидрологического районирования Украины на основе объективной классификации условий атмосферного увлажнения, агрогидрологических свойств почв, режима грунтовых вод и рельефа местности, который позволяет обобщить пространственные закономерности формирования ресурсов почвенной влаги в период вегетации сельскохозяйственный культур. Исследованы особенности режима агрогидрологических ресурсов в пределах выделенных районов по признакам пространственного распределения, межсезонной и межгодовой изменчивости запасов продуктивной влаги в метровом слое почвы под озимой пшеницей.

Разработана методика ежедекадной оценки и прогноза запасов продуктивной влаги в почве под основными зерновыми культурами в агрогидрологических районах Украины на основе метода множественной линейной регрессии. Параметры регрессионной модели, отражающей связь между запасами продуктивной влаги в почве, средней декадной температурой воздуха и количеством осадков за декаду, получены для разных типов почв с дифференциацией по глубине почвенных горизонтов (0-20 см, 0-50 см, 0-100 см) и периодам вегетационных циклов зерновых культур. Средняя оправдываемость оценок и прогнозов влагосодержания почв под зерновыми культурами на протяжении их вегетации составляет 75 % для слоя почвы 0-20 см и 85-89 % для слоев почвы 0-50 см и 0-100 см.

На основе базовой модели “погода - урожай” (УкрНИГМИ), параметры которой детализированы применительно к различным типам почв, проведен анализ условий влагообеспеченности озимой пшеницы и ярового ячменя на территории Украины в многолетнем разрезе. Исследована повторяемость условий почвенного увлажнения различной степени благоприятности для формирования максимальной урожайности культур по периодам их развития.

Предложен новый подход к мезомасштабному агроклиматическому районированию территории административной области с использованием картографического анализа, который позволяет определить особенности пространственного распределения условий влагообеспеченности в связи неоднородностью подстилающей поверхности. Апробация подхода осуществлена на примере районирования Киевской области.

Ключевые слова: агроклиматическая оценка, влагообеспеченность, агрогидрологическое районирование, запасы продуктивной влаги в почве, озимая пшеница, яровой ячмень, коэффициенты продуктивности, мезомасштабное агроклиматическое районирование.

SUMMARY

Кrukovskaya A.V. The agroclimatic estimation of water-providing conditions of the territory of Ukraine during the period of agricultural crops' vegetation. - The Manuscript.

Thesis on obtaining of the scientific candidate's degree of geographical sciences on speciality 11.00.09 - meteorology, climatology, agrometeorology. - Geographical faculty of Taras Shevchenko Kyiv National University, Kyiv, 2008.

The dissertation is devoted to the development of the methods of analysis of water-providing conditions during the period of agricultural crops' vegetation on the territory of Ukraine.

The new method of agrohydrological zoning of Ukraine is developed, that makes it possible to determine the geographical laws of the soil moisture resources formation during the period of agricultural crops' vegetation. The analysis of the nowadays special futures of the regime of agrohydrological resources during the vegetative period is carried out by the characteristics of spatial distribution, interseasonal and interannual variability of productive soil moisture in one-kind agroecosystems. The new methods of every-ten-days estimation and forecast of productive soil moisture's supplies in the area under the main grain crops in different agrohydrological regions of Ukraine is developed. For the first time the geographical laws of the soil moisture influence on the formation of winter wheat and spring barley capacity in Ukraine are investigated on the basis of the “weather - crop yield” model (V.P. Dmitrenko, UHMI). The new approach to the mezo-scale agroclimatic zoning of administrative region is substantiated with considering the influence of spreading surface heterogeneity on spatial distribution of water-providing condition during the vegetative period.

Keywords: agroclimatic estimation, water-providing conditions, agrohydrological zoning, productive soil moisture's supplies, winter wheat, spring barley, coefficients of productivity, agroclimatic mezo-scale zoning.

Размещено на Allbest.ru