Исследование и оценка циклических изменений климатических показателей по природным зонам агроландшафтов Нечерноземья и ЦЧО

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГНУ ВНИИ «Радуга», Московская обл., Коломенский район, пос. Радужный, Россия

УДК 631.67

Исследование и оценка циклических изменений климатических показателей по природным зонам агроландшафтов Нечерноземья и ЦЧО

Т.А. Капустина,

И.М. Аванесян,

Е.Ю. Спирина

Принципиальная установка концепции развития сельскохозяйственного производства с применением комплексной мелиорации предусматривает повышение биопродуктивности земель с гарантией охраны водных ресурсов, поддержания рационального уровня плодородия почв, экологической безопасности природной среды. Решение поставленных задач возможно на основе организации экологически устойчивой адаптивно-ландшафт-ной системы земледелия, приспособленной к различиям природных условий и закономерностям их изменения [1].

Одним из основных ландшафтообразующих факторов является климат, показатели которого характеризуются явно выраженной цикличностью в процессе их периодического изменения [2,3]. Как показывает практика, на основе синхронизации производственных циклов земледелия с биоклиматическими природными циклами достигается устойчивость производства в сельском хозяйстве [4]. Действенным фактором при этом признана мелиорация, экономическая и экологическая эффективность которой определяется ее адекватностью не только свойствам и плодородию почв, но и циклически изменяющимся природно-климатическим ситуациям.

Исследование и оценка тенденций и степени климатических изменений, их влияния на эколого-мелиоративное состояние агроландшафтов имеют немаловажное значение. Проблема обострилась за последнее время в связи с регистрацией во второй половине XX века фактов изменения общей климатической ситуации с увеличенной скоростью по сравнению с прежними временами, причина которых рядом ученых объясняется антропогенным воздействием на природную среду [5].

На основе математического анализа основных климатических показателей - температуры воздуха и атмосферных осадков, относящихся к фактору, который лимитирует земледелие, в том числе орошаемое, нами исследованы и выявлены тенденции и степень изменения этих показателей по данным наблюдений за 1945-2003 гг. на метеостанциях лесной зоны Нечерноземья (Кострома, Можайск, Москва, Коломна), лесостепной и степной зон ЦЧО (Курск, Липецк, Воронеж, Тамбов, Белгород, Жердевка, Калач).

За каждый год многолетнего ряда по метеостанциям определялись из среднемесячных температур воздуха и сумм осадков по месяцам средние их значения за период с апреля по октябрь, в который укладываются вегетации основных орошаемых культур. С использованием интегрального метода динамического моделирования [6] устанавливалась закономерность динамики каждого климатического показателя, отражающая тенденцию и степень его изменения за расчетный период. Количественные характеристики вычислялись по уравнению следующего вида [7]

Y (t) = Y0 + q•ф, (1)

где Y(t) - теоретическое значение исследуемого показателя в конкретный момент времени, определяющее тенденцию его изменения; Y₀ - начальное значение показателя;

q - ускорение в процессе изменения показателя за единицу времени; ф - текущее время.

Анализ результатов вычислений представлен ниже, их графическая иллюстрация приведена на рис. 1 и 2, на которых показаны динамика фактических значений исследуемых показателей, тенденция их изменения, соответствующая уравнению (1), и периодическая кривая цикличности многолетних колебаний по метеостанциям природных зон исследуемых регионов.

В лесной зоне Нечерноземья осредненная по территории среднемесячная температура воздуха в среднем за апрель - октябрь составила 11,2°C с колебаниями в многолетнем ряду от 9,2°C до 13,9°C; средняя многолетняя сумма осадков - 410 мм с колебаниями от 220 мм до 640 мм. В целом по зоне за многолетний период проявилась тенденция к повышению с небольшим ускорением (0,02°/период) температур воздуха в теплый период года и снижению осадков (2,1…4,5 мм/период). При этом с наибольшим ускорением (4,5 мм/период) снижение осадков происходило в наиболее увлажненных западных частях региона (метеостанция Можайск).

В лесостепной зоне ЦЧО в теплый период года по наблюдениям за 1945-2003 гг. в среднем по региону температура воздуха составила 13,7°C с колебаниями от 11,4°C до 16°C; сумма осадков в среднем равнялась 350 мм с колебаниями от 200 до 540 мм. Колебания температур и сумм осадков отражают изменения погодных условий в разные годы многолетнего ряда. Максимумы температур воздуха за теплый период в большинстве случаев наблюдались в 1972 г., минимумы - в разные годы по территории; четкого распределения осадков по годам не наблюдается.

По всем метеостанциям ЦЧО выявлена тенденция повышения температуры воздуха с ускорением 0,05…0,06°/период и уменьшения осадков с ускорением 2,5 мм/период до 6 мм/период.

В степной зоне (метеостанция Калач), занимающей небольшую часть региона, наблюдалась тенденция повышения температуры воздуха (0,05°C за период) и увеличения осадков (2,08 мм/период).

Отмеченные тенденции изменения климатических показателей подтверждают факт потепления климата за период с температурой воздуха выше 5°C. При анализе среднегодовых температур воздуха и годовых сумм осадков, обработанных на одной и той же методической основе за 56 лет (1943-1998 гг.) по метеостанции Немчиновка, исследованиями НИИ сельского хозяйства центральных районов Нечерноземной зоны [7] прослежена тенденция к увеличению и температуры воздуха с ускорением около 0,03°C, и осадков - 2,8 мм/год. Те же результаты авторами упомянутой статьи получены по метеостанции Московской сельскохозяйственной академии им. К.А.Тимирязева за 100 лет наблюдений. Сделан вывод об ускорении потепления климата в последние десятилетия и об улучшении погодных условий в Нечерноземной зоне, благоприятном для роста и развития возделываемых культурных растений.

По всем исследуемым метеостанциям Нечерноземья и ЦЧО графики многолетних колебаний фактических (средних за теплый период года) температур воздуха и осадков иллюстрируют циклические явления в их динамике (в том числе показанные на рис. 1 и 2).

В результате применения методов математического анализа [8] получены периодические кривые динамики климатических показателей, которые можно описать уравнением следующего вида

f(x)=a0/2+a1cos(рx/l)+b1sin(рx/l)+a2cos(2рx/l)+b2sin(2рx/l), (2)

где а₀/2 - среднее значение температуры или осадков за период; l - равняется половине рассматриваемого периода ; x (из-за переноса начала координат) = текущий год - /2 - начальный год. Коэффициенты a₁, a₂, b₁, b₂ вычислены по формулам из работы [8], в которых интегралы заменены на конечные суммы, рассчитываемые на отрезке [a, b].

На графиках рис. 1 и 2 выделяются циклы потепления и похолодания в многолетнем ряду изменения температур воздуха, а также циклы увлажнения, сменяющиеся снижением сумм осадков.

В лесной зоне Нечерноземья (рис. 1) с 1945 г. до конца 1950-х годов отмечается полуцикл похолодания, сменившийся потеплением к 1970 г., затем, в 1980 г. - похолодание, после чего - потепление все 1990-е годы, особенно в конце (1988-1999 гг.). Более сглаженная картина при тех же циклах похолодания и потепления наблюдалась по метеостанции Коломна, при переходе к лесостепной зоне.

Изменение увлажнения на территории лесной зоны проявилось более выпукло, характеризовалось снижением осадков с 1945 по 1960 гг. и постепенным их увеличением к началу 1990-х годов, после чего началось их уменьшение (мст. Можайск). В переходной полосе, от лесной к лесостепной зоне (мст. Коломна) явно выраженное снижение осадков к 1960 г., затем столь же явный подъем их сумм к 1980 г., снижение к 1990 г. и подъем к 2002 г.

В лесостепной зоне ЦЧО (рис. 2) циклы периодической кривой изменения температур воздуха слабо выражены и характеризуются небольшим подъемом к 1960 г. (мст. Тамбов) и почти неизменностью по мст. Белгород до 1980 г. Затем по мст. Тамбов наблюдался спад температур к 1980 г., подъем к 1990 г. и спад к 2003 г. По мст. Белгород наблюдалось небольшое потепление к 2003 г.

Цикличность кривой увлажнения в рассматриваемой зоне выражена более отчетливо и характеризуется уменьшением к 1960 г., подъемом к 1980 г., вновь уменьшением к 1990г. и едва заметным увеличением к 2003 г.

По степной зоне ЦЧО (рис. 2, мст. Калач) цикличность динамики температуры воздуха и увлажнения идентичны таковым для лесостепной зон.

Общая тенденция изменения изучаемых в представленной работе показателей отражает только часть глобального цикла климатических ситуаций, прежде всего, из-за недостаточности динамического ряда.

І. Лесная зона (Нечерноземье)

1. Можайск

2. Коломна

Рис. 1. Динамика температур воздуха, t?C, и сумм осадков, Р мм, средних за период апрель-октябрь каждого года, по метеостанциям Нечерноземья

В Известиях РАН [5] приведены следующие данные: три периода аномальных изменений температуры - потепление 1910-1945 гг., небольшое относительное похолодание 1946-1975 гг. и наиболее интенсивное потепление, начавшееся в 1976 г. Дальнейшие исследования, дополняющие этот ряд фактическими данными, позволят сформировать прогноз погодных условий, неблагоприятных для сельского хозяйства, разработать необходимые меры по смягчению их отрицательных воздействий.

ІI. Лесостепная зона (ЦЧО)

3. Тамбов

4. Белгород

5. Калач

Рис. 2. Динамика температур воздуха, t^оС и сумм осадков, Р мм, средних за период апрель-октябрь каждого года по метеостанциям ЦЧО

Самым теплым десятилетием были 1990-е годы, а самым теплым годом - 1998-й. Не лишним будет подчеркнуть, что потепление идет только в тропосфере, то есть в пределах нескольких километров от поверхности земли, а в верхних слоях атмосферы температура снижается.

Рис. 3. Совмещенный график цикличности изменения урожайности зерновых культур, т/га (без орошения), температур воздуха, ^оС, осадков, мм по метеостанциям Чишмы и Мелеуз (Башкортостан)

Ранее было отмечено, что сельское хозяйство в большей степени, чем какая-либо другая отрасль экономики, зависит от внешних факторов, прежде всего, - природно-климатических условий. Воздействие природных циклов изменчивости климатических показателей обусловливает неравномерность развития сельскохозяйственного производства.

Присоединяясь к выводам ряда научных и практических работ [4,5,7], мы считаем, что для решения проблемы устойчивости адаптивно-ландшафтной системы земледелия с применением мелиораций необходимо разработать управляющие воздействия, максимально нейтрализующие отклонения от норм в циклах динамики природных условий, для чего следует оценить объективные изменения природных факторов и разработать методику их надежного прогнозирования.

Используя представленные в упомянутой статье [4] данные М.Ш. Минасова (Министерства экономики Республики Башкортостан) по цикличности в динамике урожайности зерновых культур, полученной без орошения за 1963-1999 гг. (рис. 1 и 2 из статьи М.Ш. Минасова), нами были построены графики динамики климатических показателей - температуры воздуха и осадков за апрель - октябрь в те же годы, совмещенные с графиком динамики урожайности (рис. 3).

Мы предположили, что выводы автора [4] относятся к условиям лесостепной зоны Западной Башкирии (левобережье р. Белой), для которой характерны климатические показатели, полученные на метеостанциях Чишмы и Мелеуз. Предварительно была установлена динамика температуры воздуха и осадков по названным метеостанциям за 1951-1995 гг. и определена тенденция понижения температуры воздуха и повышения осадков за этот период. Представленные на рис. 3 совмещенные графики иллюстрируют синхронизацию циклов изменения продуктивности земледелия (без орошения) с климатическими циклами рассматриваемого региона по наблюдениям на выбранных метеостанциях. Как указано в [4], экстремально неблагоприятные сочетания природно-климатических факторов наблюдались в 1963, 1975, 1987 и 1998 гг. В эти же годы урожайность зерновых падала до самого низкого значения. Одновременно в те же годы температуры воздуха за период апрель-октябрь достигали максимума, а осадки - минимума (рис. 3), что требовало дополнительного увлажнения посредством орошения для стабилизации оптимальной урожайности возделываемой культуры.

Устойчивое развитие агроландшафта возможно на основе дифференциации производственных циклов земледелия в соответствии с биоклиматическими природными циклами и применением комплекса мелиоративных мероприятий.

мелиорация адаптивный биоклиматический цикл

Библиографический список

1. Концепция развития комплексных мелиораций и повышения продуктивности мелиорированных земель в России. //РАСХН. ВНИИ Орошаемого земледелия. Волгоград, 2003.

2. Циклические процессы в природе и обществе. Под редакцией Чурсина В.Д. Ставрополь, 1993.

3. Проведение исследований по оценке параметров орошения для обеспечения экологической безопасности и повышения плодородия почв при поливе. Отчет о НИР (заключительный за 2003-2004 гг.). Федеральное агентство по сельскому хозяйству РФ Упрмелиотехобеспечения. ФГНУ ВНИИ «Радуга». Научный руководитель д.с.-х.н., профессор Г.В. Ольгаренко.

4. Минасов М.Ш. Стабилизация сельскохозяйственного производства с учетом циклических изменений климатических условий. // Мелиорация и водное хозяйство, 2004. № 4.

5. Колебания и изменения климата на территории России. Изв. РАН. Физика атмосферы и океана, 2003. № 2.

6. Горячкин В.П. Собрание сочинений. М.: Колос, 1968. Т. 1.

7. Войтович Н.В., Полев Н.А., Покидова Л.В. Анализ изменения основных показателей погодных условий по данным Немчиновской метеостанции. НИИ сельского хозяйства Центральных районов Нечерноземной зоны. Сб. Теоретические разработки.2002.

8. Письменный Д. Конспект лекций по высшей математике. Полный курс. - 2-е изд. -М.: Айрис-пресс, 2004.

Размещено на Allbest.ru