Современные изменения климата и агроклиматических ресурсов на те

На правах рукописи

Шарипова Разиде Бариевна

СОВРЕМЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА И АГРОКЛИМАТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ НА ТЕРРИТОРИИ УЛЬЯНОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Специальность 25.00.30 – метеорология,

климатология, агрометеорология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата географических наук

Казань – 2012

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Ульяновский научно- исследовательский институт Россельхозакадемии и на кафедре метеорологии, климатологии и экологии атмосферы Казанского (Приволжского) Федерального университета

Научный руководитель:

доктор географических наук, профессор

Переведенцев Юрий Петрович

Официальные оппоненты:

Калинин Николай Александрович

доктор географических наук, профессор;

Пермский государственный национальный

исследовательский университет; заведующий кафедрой метеорологии и охраны атмосферы

Панфутова Юлия Анатольевна

кандидат географических наук;

ФГБУ «Управление по гидрометеорологии и

мониторингу окружающей среды РТ»; ведущий метеоролог

Ведущая организация:

Саратовский государственный национальный

исследовательский университет

им. Н.Г. Чернышевского.

Защита диссертации состоится 13 декабря 2012 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.081.20 в Казанском (Приволжском) федеральном университете по адресу: 420008, г. Казань, ул. Кремлевская, 18, корп. 2, ауд. 1211

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. Н.И. Лобачевского ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет»

Автореферат разослан «12» ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, кандидат географических наук, доцент Ю.Г. Хабутдинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Вопросы современного устойчивого развития регионов приобрели особую актуальность в последние десятилетия, когда климатические характеристики и агроклиматические ресурсы начали испытывать значительные изменения. Поэтому проблема анализа изменений температурного режима воздуха в приземном слое атмосферы, режима атмосферных осадков и других природно-климатических характеристик регионов, связанных с глобальным потеплением климата, а также исследования возможных последствий этих изменений с целью адаптации к ним природной и социально-экономической сферы, в последние годы приняли острый характер. Решение этой актуальной проблемы связано с разработкой эффективных методов детальной оценки и использования агроклиматических ресурсов.

До последнего времени такие комплексные исследования характеристик климата, особенно его изменчивости, экстремальности и взаимосвязи с биопродуктивностью растений, в Ульяновской области, не проводились, между тем накоплены новые данные наблюдений, включая засушливый 2010 год, существенно возросли информационные и технические возможности, что позволяет значительно расширить и углубить исследования. Содержащийся в справочниках и нормативных изданиях материал устарел, а оценки современных изменений агроклиматических ресурсов, особенно в условиях меняющегося климата, должны быть регулярно обновляемыми, основанными на новейшей доступной информации.

Цель работы

– выявление тенденций современных изменений климата и агроклиматических ресурсов Ульяновской области в условиях глобального потепления и оценка их влияния на биопродуктивность растений.

Для достижения цели решались следующие задачи:

– исследование динамики основных климатических характеристик и агро- климатических ресурсов влияющих на биопродуктивность растений;

– выявление тенденций изменения дат перехода температуры воздуха через пороговые значения осенью и весной, оценка сроков продолжительности вегетационного периода;

– определение и расчет биоклиматического потенциала, биологической эффективности климата, климатической составляющей и дискриминантной функции продуктивности в новых экологических и социально-экономических условиях;

– разработка рекомендаций к повышению биопродуктивности растений;

Объект исследования – Ульяновская область, входящая в Среднее Поволжье.

Предмет исследования – современные изменения климатических показателей и агрометеорологических ресурсов Ульяновской области.

Материалы и методика исследования; Для написания работы использованы материалы метеорологических ежемесячников по метеорологическим станциям Ульяновской области за 1961-2010 гг.: Инза, Сурское, Ульяновск, Димитровград, Сенгилей и Канадей, представленные ФГБУ «Приволжское УГМС».

Использовались пакеты программ (Excel, Statistica, Armagro, AGROS 2.09) включающие в себя стандартные методы обработки рядов наблюдений на основе математической статистики, с использованием корреляционно-регрессионного, гармонического анализов, графических методов.

Научная новизна

Представленная диссертационная работа является комплексным научным исследованием изменений климата и агроклиматических ресурсов области в условиях современного глобального потепления и их влияния на биопотенциал растений. При этом:

– установлены особенности проявления современного потепления климата на территории Ульяновской области;

– проведено комплексное исследование агроклиматических ресурсов и биоклиматических характеристик;

– произведена сравнительная климатическая характеристика области по зонам;

– выявлены знак и величина трендов климатических показателей, отражающих региональные особенности глобальных изменений.

– на основе анализа трендов урожайности выполнена количественная оценка динамики урожаев зерновых культур и выявлены основные климатические факторы, влияющие на биопродуктивность растений.

Практическая значимость

Совокупность выполненных научных исследований по оценке влияния изменений климата на биопродуктивность растений позволяет оценить последствия глобального потепления применительно к динамичным компонентам сельскохозяйственных ландшафтов и их адаптации к изменяющемуся климату, а также обеспечивает наиболее рациональное использование климатического потенциала территории Ульяновской области.

Основные положения выносимые на защиту:

установлено, что в период 1961– 2010 гг. на территории Ульяновской области наблюдается положительная динамика средней годовой температуры воздуха, сумм осадков, увеличение продолжительности вегетационного периода и его теплообеспеченности;

– произведена оценка изменений комплекса агроклиматических ресурсов определяющих продуктивность зерновых культур в природно-экономических зонах области;

выявлена зависимость урожайности зерновых культур от погодных и климатических факторов: наибольшее влияние на урожайность зерновых культур оказывают метеорологические условия вегетационного периода, особенно осадки, выпавшие за период апрель – июнь. Важнейшим природным фактором влияющим на биопродуктивность растений является засуха, интенсивность которой в регионе начала увеличиваться

Апробация результатов. Основные положения работы и полученные результаты исследования были представлены на научных конференциях Ульяновской ГСХА (1998-2010 гг.); на международной научной конференции, посвященной 115-й годовщине со дня рождения Т.С.Мальцева (Курган, 2011 г.); на Всероссийской научно — практической конференции «Перспективные направления исследований в земледелии и растениеводстве» (Ульяновск, 2011); на региональной научной конференции посвященной 80-летию Ю.В. Бабанова (Казань, 2011); на Всероссийской научно-практической конференции «Биологизация адаптивно-ландшафтной системы земледелия – основа повышения плодородия почвы, роста продуктивности сельскохозяйственных культур и сохранение окружающей среды» (Белгород, 2012); Международной научной конференции по региональным проблемам гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды (Казань, 2012).

Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 29 научных работ, в том числе 6 статей в журналах рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, пяти глав, Заключения, списка использованных источников и Приложения. Объем диссертации составляет 160 страниц, включая 44 таблицы, 32 рисунка, 9 приложений. Список литературы включает 169 источников, в том числе 25 зарубежных авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит необходимые общие сведения о диссертации, ее актуальности, цели и задачах исследования, новизне, практической значимости, выносимых на защиту положениях и апробации.

В главе 1 отражены региональные проявления современного глобального потепления климата, представлены причины и последствия этих изменений, проведен обзор работ по оценке влияния современных изменений климата на биопродуктивность растений.

В главе 2 дана краткая физико-географическая характеристика региона исследования, проанализирован температурный режим, динамика атмосферных осадков Ульяновской области, рассматриваются изменения агроклиматических ресурсов и адаптация природной и социально-экономической сферы к изменяющимся условиям климата.

По характеру поведения среднегодовой температуры воздуха (СГТВ), являющейся основным показателем изменения климата, потепление в области, началось с 1980-х годов (рис.1).

Рис. 1. Динамика средней годовой температуры воздуха за 1961–2010 гг.

Если в шестидесятые годы количество лет со среднегодовой температурой выше 5°С было всего – 1, то в семидесятые – 2, восьмидесятые – и девяностые – 4, а в первом десятилетии XXI века их стало – 7.

Наиболее существенное повышение температуры воздуха произошло в зимне-весенний период: январь (4,7°С/50 лет), февраль (2,8°С/50 лет), март (2,8°С/50 лет), осенью в октябре (2,0°С/50 лет) и ноябре (0,4°С/50 лет) (рис.2).

Рис. 2. Внутригодовое распределение изменения температуры на территории Ульяновской области.

Резкое потепление зимнего периода способствует сохранению посевов от вымерзания, создает хорошие предпосылки для использования в посевах, наряду с рожью и озимой пшеницей, озимого ячменя, озимой тритикале и озимого рапса.

Существенное повышение температуры воздуха отмечается не только в холодное время года, но и летом, в июне (1,6°С), июле (1,4°С) и августе (1,2°С), а также весной в апреле (1,0°С/50 лет). Заметное потепление в летний период позволяет расширять спектр возделываемых теплолюбивых культур в регионе: сорго, суданка и др.

Повышение температуры воздуха в октябре (2,0°С/50 лет), сентябре (0,9°С/50 лет) и ноябре (0,4°С/50 лет), увеличивает продолжительность вегетационного периода и в заметно изменившихся погодно-климатических условиях позволяет отдавать предпочтение в структуре выращиваемых сельскохозяйственных культур более позднеспелым сортам и гибридам: кукурузе, подсолнечнику и сахарной свекле.

В то же время, на фоне интенсивного регионального потепления, наблюдается некоторое похолодание (-0,2°С/50 лет) в мае: в отдельные годы (1999, 2000 гг.) майская температура оказывалась почти на 4 – 5°С ниже среднемноголетних значений, тем самым наносились значительные повреждения посевам, а иногда и полевым культурам, поэтому селекция должна быть направлена на повышение их морозостойкости.

Проанализирована временная изменчивость количества атмосферных осадков за период с 1961 по 2010 гг. (рис. 3).

Рис. 3. Межгодовая изменчивость сумм осадков за период 1961–2010 гг.

Отмечается их большая межгодовая изменчивость и заметный рост, особенно, в восьмидесятые и девяностые годы.

Исследования по месяцам показали, что достаточно устойчиво суммы осадков повысились в январе, феврале, марте, мае, июне, сентябре, октябре и декабре. В июле отмечено устойчивое снижение количества осадков за исследуемый период на 7,5 мм, августе на 6,7 мм, апреле на 3,3 мм и ноябре на 2,0 мм (рис. 4).

Рис. 4. Внутригодовое изменение сумм осадков по территории Ульяновской области за 1961–2010 гг.

Увеличение толщины снежного покрова в зимние месяцы с одной стороны повышает защиту полей от ветровой эрозии, а с другой, приводит к вымоканию и выпреванию озимых посевов. Из-за продолжительных дождей и сильных ветров летом наблюдается полегание посевов, происходит изменение региональной интенсивности процесса подкисления почв.

Устойчивое уменьшение количества осадков и повышение температуры воздуха в июле и августе, помогает спокойно и без потерь убирать выращенный урожай, но с другой стороны является фактором уязвимости, увеличивая продолжительность засух и учащение суховеев, перед посевными работами осенью. Поэтому в комплекс мер необходимо включать влагосберегающие технологии: внедрение более засухоустойчивых культур и сортов, сдвиг сроков сева яровых на более ранние, а озимых – на более поздние сроки для лучшего использования ресурсов влаги.

Приводится описание ветрового режима.

Рис. 5. Повторяемость (%) направлений ветра за год (1961–2010 гг.).

Рис. 6. Повторяемость (%) направлений ветра в январе (1961–2010 гг.).

В среднем за год преобладающим направлением ветра на территории Ульяновской области является западное, преобладание ветров юго-западной четверти горизонта более ярко выражено в зимний период, летом перестройка структуры барического поля обеспечивает северо-западные преобладающее направление ветра (рис. 5 – 7).

Рис. 7. Повторяемость (%) направлений ветра в июле (1961–2010 гг.).

В главе 3 рассматривается совокупность метеорологических факторов, формирующих агроклиматические ресурсы территории и определяющих условия производства и биопродуктивность растений.

Агроклиматические ресурсы теплообеспеченности, характеризуются суммой активных температур. В целом по Ульяновской области среднее значение суммы активных температур составляет 2457°С. Если по данным справочника (Агроклиматические ресурсы…, 1968) изолиния сумм активных температур 2300°С проходила между Западной и Южной зонами, затем через Ульяновск, Чердаклы и Старую Майну, то рассчитанная по более поздним данным (1961-2010 гг.) на этом месте проходит уже изолиния сумм в 2500°С. Рис. 8 и 9 наглядно показывают трансформацию поля сумм активных температур. Повышение значений сумм активных температур происходит с севера на юг.

Рис. 8. Карта-схема сумм активных температур (Агроклиматические ресурсы..,1968)

Рис. 9. Карта-схема сумм активных температур (1961–2010 гг.)

Увеличение сумм активных температур примерно на 200°С создает условия для повышения урожайности дополнительно на 3,4 – 7,0 ц/га за счет внедрения позднеспелых зерновых культур.

В условиях неполивного земледелия продуктивность растений при наличии других факторов роста определяется влагой, условным показателем которой является гидротермический коэффициент Селянинова (ГТК), выражающий баланс влаги или обеспеченность территории осадками:

ГТК= 10 ∑Р / ∑t>10, (1)

где ∑Р – сумма осадков за период с температурой выше 10°С; ∑t>10 – сумма среднесуточных температур выше 10°С.

При ГТК≤0,8 возникает засуха, при ГТК<0,4– очень сильная засуха.

0,5≤ ГТК< 0,7 – средне засушливо; 0,7≤ ГТК≤ 1,0 – недостаточно влажно;

1,0< ГТК≤ 2,0 – достаточно влажно; ГТК>2,0 – переувлажненно.

Средний показатель величины ГТК для Ульяновской области равен 0,90. Как видно из рисунков 10,11, наблюдается слабое понижение значений ГТК со временем, что в свою очередь объясняется тем, что прирост температуры происходит более интенсивно, чем увеличение осадков, что ведет к увеличению расходной части водного баланса почвы – росту испарения.

Рис. 10. Карта-схема оценки степени увлажненности Ульяновской области (Агроклиматические ресурсы.., 1968)

Рис. 11. Карта-схема оценки степени увлажненности Ульяновской области (1961 – 2010 гг.)

Особенности проявления сельскохозяйственных сезонов и тенденции изменения дат перехода температур через пороговые значения: -10°, -5°, 0°,5°,10°С позволяют исследовать нестационарность климатических изменений в годовом ходе. Анализ показывает, что на территории Ульяновской области преобладает тенденция смещения дат весеннего перехода среднесуточной температуры через 0, 5 и 10 °С на более ранние сроки. Осенью, в период падения температуры, наблюдается смещение на более поздние сроки (до 9 дней) дат перехода температуры через 0, 5, 10°С, что наглядно свидетельствует об увеличении продолжительности холодного, теплого, а также вегетационного периодов, который ведет к сокращению переходных сезонов весны и осени (табл. 1). Эффекты увеличения продолжительности вегетационного периода могут быть экономически реализованы посредством внедрения в сельскохозяйственное производство культур с более длительным периодом вегетации. В работе произведена оценка длительности вегетационного периода с учетом изменений дат наступления поздних весенних и ранних осенних заморозков.

Таблица 1

Значения КНЛТ (дни/50 лет) и среднее квадратическое отклонение

дат перехода

Переход через

предел

Весна

Осень

КНЛТ

СКО

КНЛТ

СКО

-10°

3

12

-9

16

-5°

2

10

-7

15

-7

10

9

11

-4

7

9

10

10°

-1

10

2

13

По результатам тренд-анализа в среднем по области последние заморозки весной смещаются на более поздние сроки на станциях Инза, Сенгилей и Канадей, и, наоборот, первые заморозки осенью, смещаются на более поздние сроки – на станциях Сурское, Сенгилей и Канадей. Это в свою очередь приводит к уменьшению продолжительности безморозного периода на станциях Сенгилей и Канадей на 6 –7 дней, и к увеличению его на станциях Инза в среднем на два дня, Сурское на девять дней, Димитровград на один день. На станции Ульяновск – продолжительность безморозного периода остается неизменной (табл.2).

Таблица 2

Даты смещения заморозков и изменения продолжительности

безморозного периода

Станции

Смещение дат заморозков (±дни)

Изменение

продолжительности

безморозного периода

(± дни)

весной

осенью

Инза

+8

-7

+2

Сурское

-4

+5

+9

Ульяновск

-4

-4

0

Димитровград

-3

-2

+1

Сенгилей

+6

0

-6

Канадей

+13

+6

-7

Наряду с увеличением количества осадков и повышением температуры воздуха, в регионе возросла повторяемость ряда экстремальных явлений: интенсивных дождей, засух и резких похолоданий. В работе приведена оценка аномалий во временных рядах для холодного и вегетационного периодов.

Глава 4 посвящена оценке агроклиматических факторов биологической продуктивности Ульяновской области. Для оптимального размещения сельскохозяйственных культур и ориентировочной оценки производственных возможностей используется показатель биологической эффективности климата Иванова (БЭК), представляющий собой произведение сумм активных температур SYMBOL 62 \f «Symbol» \s 12>10°С в сотнях градусов (0,01SYMBOL 97 \f «Symbol» \s 12aТSYMBOL 62 \f «Symbol» \s 12>10) на коэффициент увлажнения (КУ):

БЭК= 0,01SYMBOL 97 \f «Symbol» \s 12aТSYMBOL 62 \f «Symbol» \s 12>10 КУ, (2)

КУ находится как отношение годового количества осадков (Р, мм) к годовой испаряемости (Е, мм), которую получают суммированием значений испаряемости за каждый месяц года (Е мес.), рассчитываемых по формуле (3):

Е мес=0,018(25+t)2 (100–a), (3)

где t – среднемесячная температура воздуха, °С; а – среднемесячная относительная влажность воздуха, %.

Физический смысл БЭК отражает условия максимально возможного развития растительного покрова при сочетании оптимального количества тепла и влаги. Максимально приближенной к оптимуму является значение БЭК станции Димитровград, которое составляет 22,75, далее следуют станции Инза, Сурское – 21,95 и 20,54 соответственно, чуть меньше двадцати – Сенгилей 19,12. Наименьшие значения БЭК наблюдаются на станциях Ульяновск – 17,44 и Канадей – 16,16. Среднее областное значение БЭК – 19,66.

Рассчитан также биоклиматический потенциал Ульяновской области. При реально поступающей ФАР, на территории области, можно получить 73,0 ц/га зерновых культур. По ресурсам влаги потенциальная урожайность абсолютно сухого вещества составляет от 62,0 до 76,5 ц/га, зерна соответственно от 30,1 до 37,1 ц/га. Диапазон изменения урожайности в регионе по ресурсам тепла колеблется от 47,0 до 50,9 ц/га. Лимитирующим фактором, являются ресурсы влаги, уровень использования климатических ресурсов составляет от 24 до 42% в зависимости от природной зоны (табл. 3).

Таблица 3

Биоклиматический потенциал Ульяновской области

и уровень его использования

Станции

Потенциальная урожайность, ц/га

Действительно возможная урожайность, ц/га

По терми-ческим условиям,

ц/га

Фактическая урожайность,



Страницы: Первая | 1 | 2 | 3 | ... | Вперед → | Последняя | Весь текст