Вплив агрометеорологічних умов формування продуктивності посівів кукурудзи в Україні

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ЕКОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АДАМЕНКО ТЕТЯНА ІВАНІВНА

УДК 551.5:633.15

ВПЛИВ АГРОМЕТЕОРОЛОГІЧНИХ УМОВ НА ФОРМУВАННЯ ПРОДУКТИВНОСТІ ПОСІВІВ КУКУРУДЗИ В УКРАЇНІ

11.00.09 - метеорологія, кліматологія, агрометеорологія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата географічних наук

Одеса 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Одеському державному екологічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор географічних наук, професор Польовий Анатолій Миколайович, Одеський державний екологічний університет, завідувач кафедри агрометеорології та агрометеорологічних прогнозів.

Офіційні опоненти: доктор географічних наук, професор, академік АН Молдови Константинова Тетяна Степанівна, Інститут географії АН Молдови, директор;

кандидат географічних наук Ільїна Валентина Григорівна, Одеський державний екологічний університет, доцент кафедри прикладної екології.

Провідна установа: Київський національний університет імені Тараса Шевченка, географічний факультет, кафедра метеорології та кліматології, м. Київ.

Захист відбудеться „ 10 ” листопада 2005 р. о 14 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.090.01 в Одеському державному екологічному університеті за адресою: 65016, м. Одеса, вул. Львівська 15, ОДЕКУ.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Одеського державного екологічного університету за адресою: 65016, м. Одеса, вул. Львівська 15, ОДЕКУ.

Автореферат розісланий „ ” жовтня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради А.В. Чугай

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. За ареалом розповсюдження кукурудза займає друге, за посівними площами - третє місце серед усіх культур земної кулі. У рослинництві України ця культура займає одне із провідних місць. Оцінка агрометеорологічних умов вирощування сільськогосподарських культур та прогнозування їх продуктивності і валових зборів, завчасна оцінка і прогнозування втрат урожаю за рахунок несприятливих погодних умов останніми роками визначаються у ряді найважливіших проблем. Надійне наукове передбачення розмірів, валового збору та можливих втрат майбутнього урожаю надає можливість для планування імпорту та експорту рослинної продукції, розподілу коштів у разі втрати урожаю у роки з катастрофічними збитками. Ряд провідних вчених світу відзначають збільшення погодної та кліматичної складової урожаю майже усіх культур, в окремі роки втрати урожаю можуть досягати 50-70%. У зв'язку з цим оцінка впливу агрометеорологічних умов на формування продуктивності та розвиток методів агрометеорологічних прогнозів урожаю різних сільськогосподарських культур, у тому числі і кукурудзи, набувають ще більшої актуальності.

Практичний досвід використання створених 20-30 років тому методів прогнозу середньообласного урожаю кукурудзи свідчить, що в умовах сучасного клімату і економічних умовах сучасного сільського господарства, особливо в останні десятиріччя, ці методи не забезпечують необхідної точності опису процесів формування урожаю, не диференціюють культуру кукурудзи за групами скоростиглості, не дозволяють проводити оцінку агрометеорологічних умов формування продуктивності і прогнозувати урожайність кукурудзи у режимі моніторингу. Важливим видається технологічність методу, можливість поєднання його із новими технологіями отримання і обробітку оперативної агрометеорологічної інформації. Актуальною є оцінка реакції провідних сільськогосподарських культур на зміну клімату та оцінка впливу цієї зміни на продуктивність та валові збори зерна кукурудзи, як однієї із провідних культур, а у разі загибелі озимих, як страхової зернової культури України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи відповідає основним напрямам наукової діяльності кафедри агрометеорології та агрометеорологічних прогнозів Одеського державного екологічного університету і виконувалась у рамках теми "Оцінка агрокліматичних ресурсів вирощування основних сільськогосподарських культур та розробка рекомендацій по оптимізації структури посівних площ в Україні" (державна реєстрація № 0819U009073). Розробки і результати дисертаційного дослідження використовувалися у науково-дослідних роботах УкрНДГМІ „Загальна характеристика СГЯ та НГЯ в останні десятиріччя ХХ століття на фоні зміни глобального клімату” (2002 рік), дослідження є складовою частиною науково-дослідницької тематики УкрНДГМІ КПКВ 2401050 „Прикладні наукові та науково-технічні розробки із пріоритетних напрямів у сфері гідрометеорології”, розділ „Динаміка просторово-часового розподілу посух в Україні у період глобального потепління”, співвиконавцем яких був здобувач.

Мета і задачі дослідження. Основною метою дослідження є розробка методів оцінки впливу агрометеорологічних умов на формування продуктивності та прогнозування урожайності кукурудзи, оцінка впливу зміни клімату на продуктивність сортів та гібридів кукурудзи різних груп стиглості в Україні.

Основні задачі дослідження: розробити динамічну модель впливу агрометеорологічних умов на фотосинтетичну продуктивність кукурудзи із урахуванням біологічних особливостей різних груп стиглості сортів та гібридів; виконати ідентифікацію параметрів моделі формування продуктивності кукурудзи стосовно різних ґрунтово-кліматичних умов України та перевірку її адекватності; у чисельних експериментах із моделлю встановити закономірності впливу агрометеорологічних умов на продуційний процес кукурудзи та оцінити ефективність різних строків сівби; на основі моделі розробити метод оцінки агрометеорологічних умов формування продуктивності та прогнозу середньообласного урожаю кукурудзи в Україні, оцінити справджуваність прогнозів; провести аналіз тенденції зміни агрокліматичних ресурсів в Україні; оцінити темпи розвитку сортів та гібридів кукурудзи різних груп стиглості, тепло- та вологозабезпечення посівів, можливість розширення ареалу вирощування кукурудзи на зерно пізніх гібридів у зв'язку із зміною клімату; дати оцінку показників процесів фотосинтезу сортів та гібридів кукурудзи різних груп стиглості та їх урожайності за різними сценаріями зміни клімату.

Об'єктом дослідження є посіви сортів та гібридів кукурудзи різних груп стиглості у зв'язку із агрометеорологічними умовами вирощування в Україні.

Предметом дослідження є вплив агрометеорологічних умов на продуційний процес кукурудзи та агрокліматичні умови вирощування сортів та гібридів кукурудзи різних груп стиглості у зв'язку із зміною клімату в Україні.

Методи дослідження включають методи аналізу часових рядів та математичного моделювання продуційного процесу рослин на основі матеріалів агрометеорологічних спостережень гідрометеорологічних станцій України за 1961-2000 рр.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у тому, що автором вперше для умов України: адаптовано та модифіковано базову модель продуктивності посівів сільськогосподарських культур А.М. Польового стосовно сортів та гібридів кукурудзи різних груп стиглості; ідентифіковано параметри моделі формування продуктивності кукурудзи стосовно різних грунтово-кліматичних умов України; у чисельних експериментах із моделлю встановлено закономірності впливу агрометеорологічних умов на інтенсивність фотосинтезу рослин, формування листкового апарату, приріст рослинної маси, формування урожаю зерна. На основі динамічної моделі продуктивності кукурудзи розроблено метод оцінки агрометеорологічних умов формування продуктивності та метод прогнозування середньообласної урожайності кукурудзи; оцінено темпи розвитку сортів та гібридів кукурудзи різних груп стиглості, тепло- та вологозабезпечення посівів, особливості процесів фотосинтезу цих сортів і гібридів та можливість розширення ареалу вирощування кукурудзи на зерно пізніх сортів та гібридів у зв'язку із зміною клімату.

Практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що вперше для території України розроблено метод комплексної оцінки впливу агрометеорологічних умов на формування фотосинтетичної продуктивності кукурудзи, який дозволяє оперативно виконувати щодекадну оцінку агрометеорологічних умов конкретного року. Вперше на основі моделі продуційного процесу рослин розроблено метод прогнозу середньообласної урожайності кукурудзи, який враховує біологічні особливості різних за стиглістю груп сортів та гібридів.

Метод оцінки агрометеорологічних умов формування продуктивності та прогнозування урожайності кукурудзи впроваджено у виробничу практику Українського гідрометцентру для оперативного агрометеорологічного забезпечення сільського господарства України. Він включений у систему "Автоматизоване робоче місце агрометеоролога" і використовується для оперативної кількісної оцінки агрометеорологічних умов вирощування кукурудзи та прогнозування її урожаю в Україні. Виконана оцінка зміни агрокліматичних умов вирощування сортів та гібридів кукурудзи різних груп стиглості дозволяє науково обґрунтовувати розширення ареалу вирощування кукурудзи на зерно пізніх гібридів у зв'язку із зміною клімату.

Особистий внесок здобувача. Автором особисто адаптовано і модифіковано базову модель продуктивності посівів сільськогосподарських культур А.М. Польового стосовно культури кукурудзи. У моделі формування урожайності кукурудзи автором враховано біологічні особливості сортів та гібридів кукурудзи різних груп стиглості. Параметри моделі формування продуктивності кукурудзи ідентифіковано стосовно різних ґрунтово-кліматичних зон України.

У чисельних експериментах із моделлю встановлено закономірності впливу агрометеорологічних умов на фотосинтетичну продуктивність кукурудзи.

На основі моделі формування продуктивності кукурудзи розроблено метод оцінки агрометеорологічних умов формування продуктивності та прогнозування урожаю кукурудзи. Метод впроваджено в оперативну практику Українського гідрометцентру для агрометеорологічного забезпечення сільського господарства України.

Для різних сценаріїв зміни клімату виконано оцінку можливої зміни агрокліматичних умов вирощування та продуктивності різних за скоростиглістю сортів та гібридів кукурудзи.

Основні результати досліджень, які представлені у роботі, належать особисто автору. Одна із публікацій, які входять до переліку публікацій у виданнях рекомендованих ВАК України, написана у співавторстві із науковим керівником, якому належать ідеї виконання розробок, а здобувачу - їх реалізація стосовно моделювання процесу формування продуктивності культури кукурудзи для різних грунтово-кліматичних умов України. У роботі у співавторстві із В.М. Пищолкою (параграф 3.5.2 „Температура ґрунту” монографії „Клімат України”) особисто автору належить підпараграф 3.5.2.1 „Температура поверхні ґрунту”. У публікації, у виданні рекомендованому ВАК України, у співавторстві із Л.Ю. Божко та О.А. Барсуковою здобувачу належить частина, яка пов'язана із типізацією та аналізом погодних умов формування урожаю кукурудзи.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дослідження доповідались на розширеному науковому семінарі кафедри агрометеорології ОДЕКУ (24 червня 2005 року), на міжгалузевих нарадах-семінарах „Обмін досвідом гідрометеорологічного забезпечення сільськогосподарського виробництва України у сучасних умовах” (Ялта, 2001), „З питань проведення агрометеорологічних спостережень та агрометеорологічного забезпечення споживачів” (Львів, 2003), „Погода і зернове господарство” (Дніпропетровськ, 2004), на міжнародній конференції „Гідрометеорологія і охорона навколишнього середовища - 2002” (Одеса, 2002), на другій та третій міжнародних конференціях „Зерновая индустрия 2003” (Київ, 2003) і „Зерновая индустрия 2004” (Київ, 2004).

Публікації. За темою дисертації опубліковані 6 наукових статей у джерелах, що входять до переліку, затвердженому ВАК України, та 5 доповідей на міжгалузевих нарадах та міжнародних конференціях.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних літературних джерел (170 найменувань). Повний обсяг дисертації становить 212 сторінок, у тому числі 32 рисунки, 24 таблиці, 1 додаток на 20 сторінках.

Автор висловлює глибоку вдячність науковому керівникові дисертації д.геогр.н., проф. А.М.Польовому за постійну увагу до виконуваної роботи і надані наукові і методичні консультації.

кукурудза урожайність агрокліматичний сорт

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертації, її зв'язок із науковими програмами і темами, формулюються мета, задачі, предмет і об'єкти досліджень, подається наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, наводяться відомості стосовно апробації та публікації результатів дослідження, викладаються основні положення, що виносяться на захист.

У першому розділі наводиться аналіз літературних джерел щодо впливу факторів зовнішнього середовища на формування продуктивності посівів, короткий огляд існуючих методів розрахунку та прогнозування урожайності кукурудзи, існуючих тенденцій і підходів до агрокліматичного районування, який дозволив всебічно розглянути сучасний стан проблеми. Розкриваються підходи до прогнозування, що розроблялися різними авторами по мірі розвитку і поглиблення рівня знань щодо формування урожаю кукурудзи. Розглянуто біологічні особливості культури кукурудзи, вплив агрометеорологічних умов на ріст, розвиток і формування її урожаю, загальні підходи та методи: оцінки впливу агрометеорологічних умов на продуктивність, прогнозу урожайності кукурудзи; оцінки агрокліматичних ресурсів стосовно вирощування кукурудзи за допомогою фізико-статистичних моделей та моделей продуктивності, наведено характеристику нових сортів і гібридів кукурудзи.

У другому розділі розглядається моделювання впливу агрометеорологічних умов на фотосинтетичну продуктивність посівів кукурудзи.

Як теоретичну основу для запропонованої моделі використано базову динамічну модель формування урожаю сільськогосподарських культур
[А.М. Польовий, 1983, А.М. Польовий, 1988, А.М. Польовий, 2003]. В основу моделі покладено систему рівнянь радіаційного, теплового, водного балансів і балансу біомаси (вуглеводів і азоту) у рослинному покриві в системі "середовище - рослина". Система "середовище - рослина" розглядається як складна динамічна система, що розвивається під впливом внутрішніх і зовнішніх факторів. У цій системі виділяються процес росту, розвитку і формування продуктивності рослин у їхній складній взаємодії. Моделювання процесу росту і розвитку рослин містить кількісний опис процесів фотосинтезу, дихання, росту і розвитку рослин.

Розглядається, що рослина складається з чотирьох узагальнених органів: листка (l), стебла (s), кореня (r) і зростаючого качана (p).

При описі швидкості змін сухої біомаси окремих органів на підставі [А.М. Польовий, 1983] нами [А.М. Польовий, Т.І. Адаменко, 2002] прийнята наступна система рівнянь

 (1)

де mi/t - швидкість росту і-го окремого вегетативного органу; mp/t- швидкість росту качанів; і - ростова функція періоду вегетативного росту; СG - коефіцієнт дихання росту; R - онтогенетична крива дихання; Сm - коефіцієнт дихання підтримки; R - температурна крива дихання у; i - ростова функція періоду репродуктивного росту; - функціонуюча біомаса і-го вегетативного органу.

Інтенсивність фотосинтезу описується за допомогою формули [З.Н.Бихеле, Х.А.Молдау, Ю.К. Росс, 1968, Г.В. Менжулин, 1968] з урахуванням впливу на фотосинтез фази розвитку рослини, температурного режиму і вологозабезпеченості посіву, а також забезпеченості рослин елементами мінерального живлення [А.Н. Полевой, 1988]:

, (2)

де - інтенсивність фотосинтезу; Фpot - інтенсивність потенційного фотосинтезу; ас - нахил вуглекислотної кривої фотосинтезу; Со - концентрація СО2 у повітрі; аф - нахил світлової кривої фотосинтезу; П - поглинена i-м органом фотосинтетично активна радіація; ф - онтогенетична крива фотосинтезу; ф - температурна крива фотосинтезу; Е - сумарне випаровування; Ео - випаровуваність; j - часовий крок моделі; КNPK - коефіцієнт забезпеченості рослин елементами мінерального живлення.

Швидкість росту зерна є функцією асимілятів, що притікають у качан і максимально можливої в даних реальних умовах швидкості росту зерна, тобто визначається взаємодією "джерело-стік ". Її можна описати рівнянням типу Михаеліса-Ментен:

, (3)

де mg/t - швидкість приросту сухої біомаси зерна, гм2доба-1; - максимально можлива в реальних умовах середовища швидкість приросту сухої біомаси зерна, гм-2доба-1; kg - константа Михаеліса-Ментен, мм-2доба-1.

Оцінка максимально можливої швидкості росту зерна проводиться за допомогою рівняння:

, (4)

де ag - параметр, безрозмірний; bg - параметр, 0С-1; - максимально можлива маса зерна, гм-2.

В основу процедури ідентифікації були покладені матеріали спостережень гідрометеорологічної мережі України за агрометеорологічними умовами вирощування кукурудзи за період 1971-2000 рр., а також літературні джерела, в яких розглядається проблема впливу агрометеорологічних умов на продуційний процес рослин кукурудзи.

Параметри моделі визначено для основних грунтово-кліматичних зон України: Полісся, Лісостеп, північний і південний Степ, Прикарпаття і Закарпаття. Визначення параметрів моделі проведено стосовно ранньостиглих, середньоранніх, середньостиглих, середньопізніх та пізньостиглих груп сортів і гібридів кукурудзи. Як приклад можливості застосування адаптованої до конкретних груп сортів і гібридів за скоростиглістю моделі було виконано розрахунки для грунтово-кліматичних умов Дніпропетровської області, деякі результати яких представлені на рис. 1, 2. На представлених даних досить добре простежується сортова реакція у динаміці площі листкової поверхні і формуванні приросту біомаси рослин. Відмінності в абсолютних значеннях величин і ході їхньої зміни у період вегетації особливо помітні при порівнянні показників фотосинтетичної продуктивності ранньостиглих і пізньостиглих груп сортів і гібридів.

Перевірка адекватності моделі полягала у співставленні розрахованих за моделлю та експериментальних даних за роки, що не були використані при визначенні параметрів моделі. Для перевірки були використані дані агрометеорологічних спостережень за 2001-2004 рр. та дані про середньообласний урожай кукурудзи в Україні по 24 областях та АР Крим за ці роки. Вибірка склала 100 випадків/рік.

Програма спостережень гідрометеорологічної мережі України включає визначення зеленої маси рослин кукурудзи, числа продуктивних качанів і маси зерна із одиниці площі. Порівняння розрахункових значень із фактичними даними показало цілком задовільні результати - середня за чотири роки відносна похибка розрахунку загальної біомаси рослин не становить 16 % , похибка розрахунку біомаси зерна - 18 %, що дозволяє застосування моделі для вирішення прикладних задач - оперативної оцінки агрометеорологічних умов формування продуктивності кукурудзи і прогнозування урожайності цієї культури.

Третій розділ присвячений оцінці агрометеорологічних умов формування урожаю кукурудзи у різних грунтово-кліматичних зонах України. За допомогою кластерного аналізу та на основі даних про тривалість міжфазних періодів, кількість опадів, суми середніх добових температур, дефіцит вологості повітря та гідротермічний коефіцієнт за період з 1961 по 2000 рр. проведено осереднення типів погоди впродовж вегетаційного періоду кукурудзи. Виконано типізацію погодних умов формування урожаю кукурудзи та виділено 7 типів погодних умов формування урожаю кукурудзи. Наприклад: І тип - вологий. Волога, дощова холодна погода затримує розвиток культури. Тривалість усіх міжфазних періодів збільшена у порівнянні із середньою тривалістю. Сума температур за вегетаційний період не перевищує 1400 - 1500 ?С. Урожай зерна низький; VІІ тип - помірно суха, тепла погода навесні. Суха і жарка погода влітку та на початку вересня. Урожай зерна нижчий середнього. Через пошкодження рослин посухою посіви збирають на зелений корм. Наведено оцінку ймовірності типів погоди для різних грунтово-кліматичних зон. У крайніх північних та північно-західних регіонах вища ймовірність першого та другого типів погоди, у центральній частині України - третього і четвертого, у південно-східному і південному Степу найвища ймовірність п'ятого та шостого типів погоди. Наведено результати чисельних експериментів із моделлю продуктивності кукурудзи, за якими встановлено, що із збільшенням щільності світлового потоку продуктивність рослин збільшується за будь-яких умов зволоження ґрунту. Найбільший приріст біомаси при оптимальній температурі спостерігається лише на фоні достатнього зволоження ґрунту (при запасах вологи у метровому шарі ґрунту 75-80 % найменшої вологоємкості). Виявлено закономірності впливу факторів навколишнього середовища на продуктивність фотосинтезу кукурудзи та показано відмінності у динаміці показників процесу фотосинтезу посівів залежно від умов вологозабезпечення посівів. Встановлено по грунтово-кліматичних зонах, що строки сівби і сходів визначають значні відмінності у розмірах чистої продуктивності фотосинтезу посіву і площі асимілюючої поверхні. За аналізом результатів, отриманих у ході експерименту із різними строками сходів і можливим урожаєм, виявлено, що за ранніх строків сходів формується урожай вищий на 0.6-1.1 т/га.

Показано ефективність використання прикладної моделі формування урожаю кукурудзи для оцінки агрометеорологічних умов вирощування кукурудзи та складання прогнозу урожаю. На рис. 3, 4 наведено розраховані комплексні оцінки впливу погодних умов на формування урожаю станом на 31 липня 2002 та 2003 рр. у процентах від оцінок за кліматичними даними для 24 областей України та АР Крим. Вони дають можливість виявити та порівняти вклад агрометеорологічних умов конкретного року у формування урожаю.

Запропоновано метод оцінки умов формування і прогнозу середньообласного урожаю кукурудзи в Україні. Виконано порівняння розрахованої за допомогою моделі середньообласної урожайності кукурудзи із фактичною урожайністю по 24 областях та АР Крим. Перевірка справджуваності прогнозів урожаю за 2001-2004 роки показала, що похибка становить 7-17%. Середня за 4 роки похибка прогнозу урожаю становить 10%. Всі складені прогнози правильно орієнтували на очікуваний рівень урожайності, що є важливою інформацією для агрометеорологічного забезпечення сільського господарства України. Для прикладу в табл.1 наведено дані про справджуваність прогнозів в окремій області для кожної грунтово-кліматичної зони.

Таблиця 1

Справджуваність прогнозу урожаю зерна кукурудзи за 2001-2004 рр.

У четвертому розділі проаналізовано тенденцію зміни агрокліматичних умов вирощування сільськогосподарських культур в Україні в останні десятиріччя 20-го століття на основі даних багаторічних спостережень гідрометеорологічної мережі України. Наведено головні аспекти зміни агрокліматичних умов за глобального потепління: швидке зростання температури із середини 1970-х років; значні коливання температури від десятиліття до десятиліття; регіональна неоднорідність потепління; тенденції розвитку несприятливих для сільського господарства агрометеорологічних умов та характеристики вологозабезпечення.

Приведено результати дослідження розподілу температури поверхні ґрунту, як одного із важливих факторів для вирощування сільськогосподарських культур. Наведено екстремальні величини температури ґрунту, які значною мірою впливають на строки сівби кукурудзи.У березні на півночі і сході України абсолютний максимум температури ґрунту досягає 25 - 34 °С, на більшій частині території 35 - 40 °С, у Криму понад 45 °С. У квітні він повсюди перевищує 45 °С, у травні місцями досягає 65 - 67 °С. В аномально холодні роки температура поверхні ґрунту у березні може знижуватися до -44 ?С, у квітні до -15 ?С, у травні до -10 ?С. Відмічено, що влітку під час вторгнення арктичних повітряних мас, температура ґрунту характеризується низькими значеннями. У червні абсолютний мінімум залежно від мікрокліматичних умов місцями досягає -3 ?С, тільки у липні на рівнині температура ґрунту не буває нижче 0 ?С.

Показано результати аналізу зміни температури повітря та кількості опадів в останнє десятиріччя 20-го століття, які вказують на інтенсивне зростання температури повітря у зимові місяці та потепління літніх місяців. За останнє десятиріччя 20-го століття середня річна температура повітря перевищувала стандартну норму (1961-1990 роки) на 0.3-0.6 ?С. Середня річна кількість опадів за 1991-2000 рр. становила 95-98% норми.

В останнє десятиріччя 20-го століття найвищі відхилення середньої місячної температури повітря відмічалися в усіх грунтово-кліматичних зонах у січні (1.5-2.5 ?С) та лютому (1.1-1.7 ?С). Середня місячна температура повітря решти місяців, за винятком травня, вересня, листопада та грудня, була вищою за норму.

Потепління не тільки в холодний, а і в теплий період року, призводило до зміни у розвитку природних процесів - більш ранніх строків настання м'якопластичного стану ґрунту, переходу середньодобових температур через 0, 5, 10, 15 °С та тривалості вегетаційного періоду. Збільшилася тривалість теплого періоду року - на 10 днів у зоні Полісся та Лісостепу та на 5-7 днів у зоні Степу. Відмічено скорочення беззаморозкового періоду у південній частині країни. Перехід температури повітря навесні через 0 °С відбувався у середньому на 15-20 днів раніше, ніж звичайно. Стійкий перехід температури повітря через 5 С та 10 °С відмічався раніше у середньому на 2-7 днів. У літній період помітно збільшилися повторюваність та тривалість періодів із високими температурами повітря (вище 25 °С та 30 °С). Починаючи з 1981 року в Україні відмічено стійку тенденцію до підвищення теплозабезпечення вегетаційного періоду.

Виконано аналіз місячної кількості опадів за останнє десятиріччя 20-го століття по ґрунтово-кліматичних зонах. Відмічено зменшення кількості опадів у зимові місяці та збільшення у вересні і жовтні. У січні в середньому за 10 років місячна сума опадів була меншою за норму на 25-30 %, у лютому у зоні Степу та Лісостепу - на 15-16 %. У зоні Степу та Лісостепу місячна кількість опадів у липні була меншою за норму на 10-20 %.

У п'ятому розділі розглянуто вплив можливої зміни клімату та підвищення концентрації CО2 в атмосфері на активність фотосинтетичного апарату, ріст і продуктивність рослин та фітоценозів. Відомо, що найбільш однозначною реакцією рослин на тривале вирощування в атмосфері із підвищеним вмістом CО2 є збільшення площі листкової поверхні, зростання відносної швидкості росту сухої біомаси та чистої продуктивності фотосинтезу, зростання числа бокових пагінців.

Виконано оцінку впливу можливої зміни клімату на продуктивність кукурудзи. Для оцінки зміни кліматичних параметрів було використано опубліковані [В.Я.Шевчук, І.В.Трофимова, О.М.Трофимчук, 1998] результати побудови сценаріїв зміни клімату в Україні на основі стаціонарної моделі загальної циркуляції атмосфери, які досліджують реакцію кліматичної системи на подвоєння вмісту СО2: GFDL (модель Лабораторії геофізичної гідродинаміки США); UKMO (модель Метеорологічного бюро Сполученого Королівства) та нестаціонарна модель - зростання вмісту парникових газів на 30 %, розроблена Лабораторією геофізичної гідродинаміки США (GFDL-30 %).

За допомогою розробленої моделі продуктивності кукурудзи оцінено темпи розвитку гібридів кукурудзи різних груп стиглості, їхнє тепло та вологозабезпечення, особливості процесів фотосинтезу та можливість розширення ареалу вирощування кукурудзи на зерно різних гібридів у зв'язку зі зміною клімату.

Встановлено, що за умов реалізації кліматичних сценаріїв на основі моделей GFDL та UKMO (для умов подвоєння вмісту СО2,) і GFDL- 30% (збільшення вмісту СО2, на 30 %), температурний режим ранньовесняних місяців (прогрівання повітря та ґрунту на глибині 8-10 см) дозволить проводити сівбу кукурудзи вже у середині березня, сходи можуть спостерігатися уже наприкінці цього місяця.

Показано, що дати стійкого переходу температури повітря через 10 °С в Україні можуть зміститися із 19-26 квітня за нормою на 27 березня - 6 квітня за кліматичними сценаріями. Фенологічні фази розвитку кукурудзи у весняний період, порівняно із сучасними умовами, можуть наставати на 4-7 тижнів раніше. Найзначніші зміщення дат на більш ранній строк очікуються у Поліссі, найменші - у Степу. При цьому тривалість мiжфазних перiодiв і вегетаційного періоду у цілому скоротиться на 10-20 днів для ранніх та на 30-46 днів для середньопізніх та пізніх гібридів.

Продуктивність посівів зазнає істотної зміни внаслідок зміни теплозабезпечення та вологозабезпечення посівів. У північному Степу за умов реалізації сценарію GFDL-30 % фотосинтетичний потенціал посівів (ФСП) ранніх, середньоранніх, середньопізніх та пізньостиглих гібридів зменшиться на 0,141-1,137 млн. днів*м2/га, лише для середньостиглих гібридів можливе підвищення ФСП на 0,128 млн. днів*м2/га. Чиста продуктивність фотосинтезу збільшиться на 105-110 % у ранньостиглих, середньоранніх та середньостиглих гібридів. У середньопізніх та пізніх гібридів кукурудзи це збільшення може досягати 117-133 %.

Потенційна урожайність зерна кукурудзи ранніх та середньоранніх гібридів зменшиться на 0,15-0,25 т/га та буде спостерігатися значне (на 1,4-2,4 т/га) збільшення урожайності середньостиглих, середньопізніх та пізніх гібридів. У зоні Полісся за сумою ефективних температур вище 10 °С середньопізні і навіть пізньостиглі гібриди кукурудзи зможуть визрівати уже у серпні, їхня потенційна урожайність вища, ніж у ранніх та середньоранніх гібридів на 30-50 %. Потенціальний урожай загальної біомаси вищий на 40-60 %.

ВИСНОВКИ

У дисертаційному дослідженні наведено теоретичне узагальнення і здійснено нове вирішення наукової задачі із важливої проблеми оцінки агрометеорологічних умов формування продуктивності сортів та гібридів кукурудзи різних груп стиглості та прогнозування урожайності кукурудзи в Україні. Досліджено вплив можливої зміни клімату на продуктивність однієї із провідних сільськогосподарських культур в Україні - кукурудзи. Виконана робота спрямована на створення науково-методичної бази агрометеорологічного забезпечення сільського господарства України та агрокліматичного обґрунтування адаптації агротехніки вирощування та можливості розширення ареалу вирощування кукурудзи на зерно пізніх сортів та гібридів у зв'язку із зміною клімату.

Головні наукові і практичні результати роботи полягають у наступному.

1. Адаптовано та модифіковано базову модель продуктивності посівів сільськогосподарських культур А.М. Польового стосовно культури кукурудзи. В моделі враховано біологічні особливості сортів та гібридів кукурудзи різних груп стиглості.

2. Для кожної грунтово-кліматичної зони України ідентифіковано параметри моделі, що характеризують процеси фотосинтезу, дихання, розподілу асимілятів, росту і розвитку рослин кукурудзи. Проведено перевірку адекватності моделі за період 2001-2004 рр. для 24 областей та АР Крим (100 випадків). Відносна похибка розрахунку загальної біомаси складає 18%, біомаси зерна - 16%.

3. За показниками тепло- та вологозабезпечення вегетаційного періоду кукурудзи проведено осереднення типів погоди для формування урожаю кукурудзи на території України, виконано їх типізацію і виділено основних 7 типів погодних умов. Наприклад, І тип - вологий. Суми температур за вегетаційний період не перевищують 1400-1500 ?С. Волога, дощова холодна погода затримує розвиток культури. Урожай зерна низький. Наведено оцінку ймовірності типів погоди для різних грунтово-кліматичних зон.

4. Вперше для території України виконано чисельні експерименти із моделлю продуктивності кукурудзи, за результатами яких встановлено, що із збільшенням щільності світлового потоку продуктивність рослин збільшується за будь-яких умов зволоження ґрунту, однак найбільший приріст біомаси за оптимальної температури спостерігається лише на фоні достатнього зволоження ґрунту (при запасах вологи у метровому шарі ґрунту 75-80 % найменшої вологоємкості). За оптимальної температури повітря і дефіциту вологи (запаси вологи у метровому шарі ґрунту 30 % найменшої вологоємкості) максимальна продуктивність фотосинтезу майже у 1.4 рази менша, ніж при оптимальній вологозабезпеченості.

5. На основі чисельних експериментів із моделлю продуктивності кукурудзи встановлено, що у декаду викидання волоті спостерігається найвища продуктивність фотосинтезу (12,8 мгСО2/дм2год.) при температурі 25 °С. При зниженні температури повітря у цей період до 10 °С, незалежно від умов зволоження, максимальна продуктивність фотосинтезу посівів знижується у півтора рази.

6. За результатами чисельних експериментів показано відмінності у динаміці показників процесу фотосинтезу посівів кукурудзи залежно від умов вологозабезпечення. Встановлено, що у засушливі роки за високої температури повітря впродовж вегетації (аналог 1999 рік) площа листків набагато менша, різко зменшується продуктивність фотосинтезу, порівняно із кліматичними умовами. Максимальна продуктивність фотосинтезу спостерігається у більш ранні строки. У дуже вологі роки (аналог 1997 рік) чиста продуктивність фотосинтезу вища, її максимальні величини спостерігаються у строки, близькі до звичайних. Чиста продуктивність фотосинтезу посіву за посушливих умов становить 6,81 г/м2добу і спостерігається у 7-й декаді вегетації, за вологих умов вона спостерігається у 9-ту декаду вегетації і становить 8,94 г/м2добу.

7. На основі виконаної за модельними розрахунками оцінки ефективності різних строків сівби і сходів кукурудзи у різних грунтово-кліматичних зонах України показано, що строки сівби і сходів визначають значні відмінності чистої продуктивності фотосинтезу посіву і формування площі асимілюючої поверхні. Для північного і південного Степу чиста продуктивність фотосинтезу при ранніх сходах вища на 0,3-0,8 г/м2добу, ніж за середніх багаторічних і пізніх строків сходів. Найвища урожайність зерна кукурудзи за середніх багаторічних значень метеорологічних величин можлива за ранніх строків сівби та сходів, що пов'язано із формуванням урожаю у степовій і лісостеповій зонах країни за більш сприятливих умов зволоження (до настання літніх засух).

8. Виконано зіставлення розрахованих по моделі щодекадних кількісних оцінок впливу агрометеорологічних умов на формування урожаю за поточними даними та оцінок, розрахованих за кліматичними даними. Зіставлення показало задовільне співпадіння зміни оцінок із зміною агрометеорологічних умов.

9. Запропоновано метод оцінки агрометеорологічних умов формування продуктивності та прогнозу середньообласного урожаю кукурудзи в Україні. Виконано порівняння розрахованої за допомогою моделі середньої обласної урожайності кукурудзи із фактичною урожайністю по 24 областях та АР Крим. Перевірка справджуваності прогнозів урожаю за 2001-2004 роки показала, що похибка становить 7-17 %, середня за 4 роки похибка становить 10%.

Метод прогнозу урожаю кукурудзи впроваджено у практику Українського гідрометцентру для оперативного агрометеорологічного забезпечення сільського господарства України. Метод рекомендовано для використання в усіх обласних Центрах з гідрометеорології України, як основний метод оцінки та прогнозу урожаю кукурудзи.

10. На основі аналізу багаторічних даних спостережень гідрометеорологічної мережі України виявлено тенденцію зміни агрокліматичних умов вирощування сільськогосподарських культур в Україні в останні десятиріччя 20-го століття. Встановлено, що в останні десятиріччя на всій території України існує тенденція до потепління не тільки в холодний, а і в теплий період року. Зміна температурного режиму призводить до зміни у розвитку природних процесів - більш ранніх строків настання м'якопластичного стану ґрунту, переходу середньодобових температур через 0, 5, 10, 15 °С, збільшенню тривалості вегетаційного періоду. Простежується тенденція до деякого зменшення річної кількості опадів.

11. На основі кліматичних сценаріїв розглянуто зміну фазового розвитку сортів та гібридів кукурудзи різних груп стиглості при збільшенні вмісту СО2 в атмосфері. Встановлено, що за умов реалізації кліматичних сценаріїв на основі моделей GFDL та UKMO (для умов подвоєння вмісту СО2,) і GFDL-30% (збільшення вмісту СО2 на 30%), температурний режим ранньовесняних місяців (прогрівання повітря та ґрунту на глибині 8-10 см) дозволить проводити сівбу кукурудзи у середині березня, сходи можуть бути отримані вже у кінці цього місяця. Відбудуться значні зміщення усіх дат настання фенологічних фаз розвитку кукурудзи на більш ранній строк. Вегетаційний період у середньому скоротиться на 10-20 днів для ранніх та на 30-46 днів для середньопізніх та пізніх гібридів.

12. За умов реалізації різних кліматичних сценаріїв фотосинтетична продуктивність посівів кукурудзи зазнає істотної зміни внаслідок зміни теплозабезпечення та вологозабезпечення в усіх грунтово-кліматичних зонах України. Наприклад, у північному Степу за умов реалізації кліматичного сценарію GFDL-30 %, можливе зменшення урожайності ранніх та середньоранніх гібридів на 0.15-0.25 т/га та значне (на 1.4-2.4 т/га) збільшення урожайності середньостиглих, середньопізніх та пізніх гібридів. Підвищення температури повітря в усі весняні та літні місяці у зоні Полісся призведе до значного зростання теплозабезпечення вегетаційного періоду, внаслідок цього з'являється можливість вирощування середньопізніх і навіть пізньостиглих гібридів кукурудзи, потенційна урожайність яких вища, ніж ранніх та середньоранніх гібридів на 30-50 %.

Виконана оцінка зміни агрокліматичних умов вирощування гібридів кукурудзи різних груп стиглості дозволяє обґрунтовувати розширення ареалу вирощування кукурудзи на зерно пізніх гібридів у зв'язку із можливою зміною клімату.

Список опублікованих праць здобувача за темою дисертації

1. Полевой А.Н., Адаменко Т.И. Моделирование формирования урожая кукурузы //Міжвід. наук. зб. України - Метеорологія, кліматологія та гідрологія. - Одеса - 2002. - Вип. 46. - С. 149-154.

2. Адаменко Т.І. Чисельні експерименти з оцінки впливу агрометеорологічних умов на фотосинтетичну продуктивність посівів кукурудзи //Міжвід. наук. зб. України - Метеорологія, кліматологія та гідрологія. - Одеса -2004. - Вип. 48. С. 213-218.

3. Адаменко Т.І. Використання моделі продуктивності для оцінки умов вирощування та прогнозування середньообласного урожаю кукурудзи Наукові записки Вінницького державного педагогічного університету імені Михайла Коцюбинського. Серія: Географія - Вінниця- 2004. - Вип. 7. - С. 160-165.

4. Пищолка В.М. Адаменко Т.І. 3.5.2 Температура ґрунту //Клімат України. Видавництво Раєвського. Під ред. В.М. Ліпінського, В.А. Дячука, В.М. Бабіченко. - К. - 2003. - С.153-156.

5. Божко Л.Ю., Барсукова О.А., Адаменко Т.І. Агрометеорологічні умови формування врожаїв кукурудзи в Україні //Міжвід. наук. зб. України - Метеорологія, кліматологія та гідрологія. - Одеса - 2005. - Вип. 49- С. 285-294.

6. Адаменко Т.І. Оцінка умов формування продуктивності та прогнозування середньообласного урожаю кукурудзи за допомогою динамічної моделі продуційного процесу //Міжвід. наук. зб. України - Метеорологія, кліматологія та гідрологія. - Одеса -2005. - Вип. 49. - С. 295-304.

АНОТАЦІЇ

Адаменко Т.І. Вплив агрометеорологічних умов формування продуктивності посівів кукурудзи в Україні. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук. Спеціальність 11.00.09 - метеорологія, кліматологія, агрометеорологія. - Одеський державний екологічний університет, Одеса, 2005.

Дисертація присвячена розробці методу оцінки агрометеорологічних умов формування продуктивності та урожайності кукурудзи в умовах сучасного клімату. Як базову використано модель продуктивності посівів сільськогосподарських культур А.М. Польового. Модель адаптовано та модифіковано стосовно культури кукурудзи. Ідентифіковано параметри моделі для грунтово-кліматичних зон України. Враховано біологічні особливості сортів та гібридів кукурудзи різних груп стиглості. Наведено результати чисельних експериментів із моделлю, показано ефективність різних строків сівби кукурудзи. Виявлено вплив різного рівня вологості ґрунту і сонячного світла на продуктивність посівів кукурудзи. Розглянуто динаміку процесів фотосинтезу за різного вологозабезпечення. Запропоновано метод оцінки агрометеорологічних умов формування продуктивності та прогнозу середньообласного урожаю кукурудзи в Україні. Охарактеризована зміна агрокліматичних умов в Україні в останні десятиріччя 20-го століття. Відмічено часові зрушення у розвитку природних процесів, зміну тривалості вегетаційного періоду. Розглядаються агрокліматичні умови, темпи розвитку, особливості процесів фотосинтезу та продуктивності кукурудзи при збільшенні вмісту СО2 в атмосфері. Досліджується можливість розширення ареалу вирощування кукурудзи на зерно різних груп стиглості у зв'язку із можливою зміною клімату.

Ключові слова: кукурудза, урожайність, модель, прогноз, зміна клімату, температура, вологість, сонячна радіація.

Адаменко Т.И. Влияние агрометеорологических условий на формирование продуктивности посевов кукурузы в Украине. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук. - Специальность 11.00.09 - метеорология, климатология, агрометеорология.- Одесский государственный экологический университет, Одесса, 2005.

Диссертация посвящена разработке метода оценки агрометеорологических условий формирования и прогноза урожайности кукурузы в условиях современного климата, соответствующего современной технологии обработки оперативной агрометеорологической информации и оперативной практике агрометеорологического обслуживания сельского хозяйства Украины.

В качестве теоретической основы разработки метода использована базовая динамическая модель формирования урожая сельскохозяйственных культур А.М. Полевого, как модель, которая наиболее полно учитывает влияние факторов внешней среды и экстремальных условий на формирование урожая. Проведены адаптация и модификация модели применительно к культуре кукурузы. Моделируется влияние агрометеорологических условий на основные процессы жизнедеятельности растений кукурузы: фотосинтез, дыхание, рост и развитие растений, влияние стрессовых условий на растения, распределение ассимилятов в вегетативные и репродуктивные органы, формирование урожая зерна. Учтены биологические особенности сортов и гибридов кукурузы разных групп спелости.

Модель состоит из пяти блоков - блок входной агрометеорологической информации; блок начальных данных и шкалы времени; блок факторов окружающей среды; биологический блок; блок урожайности. Рассматривается, что растение состоит из четырех обобщенных органов: листа (l), стебля (s), корня (r) и растущего початка (p). Выполнена идентификации параметров модели, для которой использованы материалы агрометеорологических наблюдений гидрометеорологической сети станций Украины за условиями выращивания кукурузы за 1971-2000 гг., а также литературные источники. Определены параметры модели применительно к раннеспелым, среднеранним, среднеспелым, среднепоздним и позднеспелым группам сортов и гибридов кукурузы для основных почвенно-климатических зон Украины: Полесье, Лесостепь, северная и южная Степь, Прикарпатье и Закарпатье. Проведена проверка адекватности модели путем сопоставления рассчитанных по модели и экспериментальных данных за годы, которые не использовались при определении параметров модели. Получены удовлетворительные результаты.

На основании многолетних данных о продолжительности межфазных периодов, количестве осадков, суммах среднесуточных температур, дефиците влажности воздуха и гидротермическом коэффициенте проведено осреднение типов погоды и выполнена типизация погодных условий формирования урожая кукурузы, в результате которой выделено 7 типов погодных условий формирования урожая кукурузы.

Излагаются результаты выполненных численных экспериментов. На основании модельных расчетов показана эффективность различных сроков сева кукурузы в разных почвенно-климатических зонах Украины. Излагаются закономерности влияния на продуктивность посевов кукурузы влажности почвы и обеспечения солнечным светом разного уровня. Рассматривается динамика процессов фотосинтеза в условиях различной влагообеспеченности.

Предложен метод оценки агрометеорологических условий формирования продуктивности и прогноза среднеобластного урожая кукурузы в Украине, который позволяет производить оценку условий формирования и прогноз урожайности зерна кукурузы в режиме мониторинга. Выполнено сравнение рассчитанной по модели средней областной урожайности кукурузы с фактической урожайностью по 24 областям и АР Крым. Проверка оправдываемости прогнозов урожая за 2001-2004 гг. показала, что ошибка составляет 7-17%. Средняя за 4 года оправдываемость прогноза урожая составляет 90%.

Приведены данные исследования изменения агроклиматических условий произрастания сельскохозяйственных культур в Украине в последние десятилетия 20-го столетия. Отмечены временные сдвиги в развитии природных процессов, увеличение теплообеспеченности и продолжительности вегетационного периода.

На основании климатических сценариев выполнена оценка возможных изменений агроклиматических условий выращивания кукурузы. Исследовано влияние возможного изменения климата на темпы роста и развития сортов и гибридов кукурузы разных групп спелости, их тепло и влагообеспеченность, особенности процессов фотосинтеза посевов при увеличении содержания СО2 в атмосфере. Сделан вывод о возможном увеличении урожайности кукурузы в зоне Полесья и Лесостепи. Сделан вывод о возможности расширения ареала произрастания кукурузы на зерно поздних сортов та гибридов.

Ключевые слова: кукуруза, урожайность, модель, прогноз, изменение климата, температура, влажность, солнечная радиация.

Adamenko T.I. Influence agrometeorological conditions of formation of efficiency of crops of corn in Ukraine. - The Manuscript.

The thesis for a candidate's degree of geographic sciences by speciality 11.00.09 - meteorology, climatology, agricultural meteorology. - Odessa State Environmental University, Odessa, 2005.

This thesis is dedicated to developing the new method of estimation of agrometeorological conditions of forming the productivity of harvest of corn, which could be very precise in up-to-date climate conditions. As a theoretical basis for development of a method the base dynamic model of formation of a crop of agricultural crops of A.N.Polevoy, as the model which is most full taking into account factors of an environment and influence of extreme conditions on formation of a crop is used.

Basic model of productivity sowing the crops is adapted under corn. Parameters of the model are identified for each soil-climate zone in Ukraine.

Method os estimation agrometeorological conditions of forming the productivity and forecast of harvest in Ukraine is suggested. First time in Ukraine a lot of experiments with corn productivity model were done.

On the basis of climatic scripts the estimation of possible changes of agroclimatic conditions of cultivation of corn is executed. Influence of possible change of a climate on expansion of an area of growth of corn on a grain of different grades and hybrids is investigated. Rates of growth and development of grades that of hybrids of corn of different groups of ripeness are appreciated, them is warm and soil moisture, features of process of photosynthesis of crops at increase in contents CO2 in an atmosphere. The conclusion about possible increase in productivity of corn in a zone of Polesye and Forest-steppe is made.

Key words: corn, productivity, model, the forecast, change of a climate, temperature, humidity, solar radiation.

Размещено на Allbest.ur