Климатическое сокращение сроков наступления почвенной засухи в Беларуси

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Климатическое сокращение сроков наступления почвенной засухи в Беларуси

В.И. ВИХРОВ

Показана актуальность исследований почвенной засухи и необходимость статистического подхода для оценки вероятности и сроков ее наступления. Изложена методика и алгоритм компьютерных расчетов водного баланса почв и сроков снижения влагозапасов почвы ниже расчетных значений. Приведены состав исходных данных и результаты расчетов по шести опорным метеостанциям за три последовательных 20-летних периода. Установлено существенное сокращение от 1-го к 3-му расчетному периоду сроков наступления весенней почвенной засухи разной интенсивности и вероятности. Данное сокращение объясняется изменениями регионального климата апреля и следующих за ним месяцев.

We have shown the topicality of research into soil drought and the necessity of statistical approach to the estimation of possibility and terms of its beginning. We have presented the methods and algorithm of computer calculation of water balance of soils and the terms of reduction of soil moisture store to the level which is less than required. We have shown the composition of initial data and results of calculation according to six basic meteorological stations during three consecutive 20-year periods. We have established a considerable reduction of the terms of beginning of spring soil drought with different levels of intensity and possibility, from the 1st to the 2nd period. This reduction could be explained by changes in regional climate of April and the following months.

почва засуха влагозапас

Введение

Неблагоприятные погодно-климатические условия приводят к существенным потерям в народном хозяйстве Беларуси, из которых около 70% приходится на сельскохозяйственное производство [1-4]. Погодный фактор определяет в среднем половину общей амплитуды колебаний урожайности основных сельскохозяйственных культур. В отдельные годы потери урожая могут достигать 65% по отношению к максимальному [2,4].

Изменчивость погодных условий, формирующих влагообеспеченность территории Беларуси, весьма широка и наряду с переувлажнением земель обусловливает все более часто повторяющиеся засушливые явления [3-5]. При этом воздействие засух особенно ощутимо на минеральных почвах с глубоким залеганием грунтовых вод. В странах с более теплым климатом почвенная засуха уже представляет реальную угрозу их продовольственной безопасности. Так, в результате последствий засухи 2012 г. Украина практически лишилась традиционного для нее экспорта пшеницы, а в США отмечен небывалый недобор урожая кукурузы.

Актуальность данного вопроса возрастает в связи с происходящим в последние десятилетия региональным изменением климата Беларуси [6-9]. В числе основных проявлений этого изменения, наряду с общим ростом температуры воздуха отмечается тенденция увеличения числа экстремальных климатических явлений, в частности таких, как почвенная засуха.

В связи с этим значительный практический интерес представляют исследования и количественная оценка сроков наступления засушливых явлений различной вероятности на минеральных почвах сельскохозяйственного использования.

Анализ источников

Засушливые явления относятся к частным видам опасных (неблагоприятных) для сельского хозяйства явлений погоды [1,2,4,10]. Для условий Республики Беларусь наиболее полный анализ опасных явлений погоды (ОЯ) приведен в двух специальных изданиях [2,4]. При этом в работе [4] взамен используемых ранее терминов и критериев ОЯ приняты новые критерии стихийных метеорологических явлений, отдельные из которых можно отнести к особо опасным водным явлениям.

Почвенная засуха является наиболее объективным показателем недостаточной влагообеспеченности сельскохозяйственных культур. Критический анализ существующих методов исследования и оценки вероятности наступления неблагоприятных водных явлений на почвах сельскохозяйственного использования позволяет отметить следующее.

Большинство рассматриваемых в имеющейся литературе [1-4] видов неблагоприятных водных явлений носит косвенный характер оценки водного режима почв, представляющий некоторую осредненную характеристику влагообеспеченности территории. При этом, как правило, не учитываются следующие важные факторы: вид сельскохозяйственной культуры и ее индивидуальные требования к водному режиму; величина эвапотранспирации; влагоемкость и водопроницаемость различных типов почв; фактические влагозапасы почвы по декадам вегетационного периода конкретного года, глубина залегания уровня грунтовых вод.

Немногочисленные исследования вероятности наступления почвенной засухи, основанные на результатах наблюдений за влажностью почвы [2,3], выполнены за относительно короткий период (от 10 до 30 лет). Это объясняется практической сложностью проведения массовых многолетних измерений влажности почвы в однородных условиях (культура, сорт, агрофон).

С учетом вышеизложенного для исследования и оценки вероятности наступления неблагоприятных водных явлений наиболее методически оправданными оказываются ретроспективные расчеты водного баланса почвы на основе многолетних, фактически измеренных метеорологических параметров [10,12,13]. Такой подход позволяет, во-первых, учесть индивидуальные особенности отдельных сельскохозяйственных культур и условия различных почв и, во-вторых, обеспечить необходимую продолжительность статистических рядов неблагоприятных водных явлений.

Методы исследования

Методика настоящих исследований основана на ретроспективных расчетах водного баланса почв в условиях естественного увлажнения с использованием базы многолетних метеорологических данных Гидрометеоцентра Республики Беларусь и разработанной на кафедре мелиорации и водного хозяйства УО БГСХА компьютерной программыRETRO-1 [12, 13]. На данном этапе для учета территориальных условий Беларуси исследования выполнены по шести опорным областным метеостанциям: Брест, Витебск, Гомель, Гродно, Минск, Могилев. С целью выявления и анализа динамики влияния современного изменения климата на вероятность наступления неблагоприятных засушливых явлений компьютерные расчеты выполнялись отдельно за три последовательных 20-летних периода: 1-й период - 1951-1970 гг.; 2-й период - 1971-1990 гг.; 3-й период - 1991-2010 гг.

Для выполнения компьютерных расчетов по программе RETRO-1 используются (вводятся) следующие исходные параметры: наименование опорной метеостанции (используется база многолетних метеорологических параметров); наименование сельскохозяйственной культуры; гранулометрический состав почвы; расчетный многолетний период; период вегетации; влажность почвы при наименьшей (предельно полевой) влагоемкости; расчетный слой почвы; коэффициенты использования осадков, стока и влагообмена; уровень грунтовых вод.

Основой расчетов является определение влагозапасов почвы на конец каждой декады (Wкi, мм) вегетационных периодов многолетнего ряда по водобалансовому уравнению:

Wкi = Wнi + КпРi - КвЕi + Vгi, (1)

где Wнi - влагозапасы почвы на начало декады, мм;Рi - измеренные осадки за i-ю декаду, мм; Кп - поправочный коэффициент к осадкам;Еi - водопотребление культуры за i-ю декаду, мм;Кв - коэффициент влагообмена; - коэффициент корректировки водопотребления [3,12];Vгi - подпитывание от уровня грунтовых вод за i-ю декаду, мм.

Влагозапасы почвы на начало 1-й декады принимаются равными наименьшей влагоемкости Wнв и рассчитываются по формуле:

Wнв = 10 hнв, (2)

гдеh - расчетный слой почвы, м;нв - объемная влажность при наименьшей влагоемкости, %.

Величина Vгi, определяется с учетом максимального подпитывания (Vimax, мм) и аккумулирующей емкости расчетного слоя (WiАК, мм), рассчитываемых по формулам:

(3)

где Нi - уровень грунтовых вод рассматриваемого периода относительно середины расчетного слоя почвы h, м;Н0 - уровень грунтовых вод, при котором подпитка расчетного слоя прекращается (соответствует максимальной высоте капиллярного поднятия [12]), м.

После расчета Wкi осуществляется переход к влагозапасам на начало следующей декады Wнi+1:

а) если Wкi>Wнв, то Wнi+1 = Wкi - Сi,

где Сi - почвенный сток, рассчитываемый по формуле;

С = Кс( Wкi- Wнв), (4)

где Кс - коэффициент стока (Кс 1).

Значения Кс рекомендуется принимать следующими [13]:

Кс = 1 - для песчаных, супесчаных и легкосуглинистых почв;

Кс = 0,95 - для среднесуглинистых почв;

Кс = 0,9 - для тяжелосуглинистых и глинистых почв;

б) если WкiWнв, то Wнi+1 = Wкi.

На основании данного алгоритма водобалансовых расчетов вычисляются влагозапасы почвы по каждой расчетной декаде всех вегетационных периодов заданного многолетнего ряда и строятся соответствующие графики динамики влагозапасов для каждого календарного года.

С целью расчета времени снижения влагозапасов почвы определенной вероятности для каждого расчетного года многолетнего ряда вычисляются даты первого снижения влагозапасов расчетного слоя почвы до уровней 0,8; 0,7; 0,6; 0,5; 0,4 от величины наименьшей влагоемкости WНВ.

Например, до уровня 0,8WНВ:

(5)

где Д08 - порядковый номер дня i-й декады, округленный до целого числа в большую сторону и соответствующий снижению влагозапасов до уровня 0,8WНВ; nд - число суток в декаде.

В случае если Wнi< 0,8 Wнв, принимается Д08 = 1.

Аналогичным образом рассчитываются даты первого снижения влагозапасов до указанных уровней (0,7-0,4) WНВ.

Далее определяется время (в сутках) от начала первой расчетной декады до рассчитанных дат первого снижения влагозапасов до указанных уровней (Т08, Т07,-Т04). После этого для каждого отдельного уровня снижения влагозапасов строятся многолетние ряды величин Т08, Т07,-Т04 и далее их кривые вероятности.

Основная часть

На основании приведенной выше методики с использованием компьютерной программы RETRO-1 [11] выполнены ретроспективные расчеты водного баланса почв за три указанных выше последовательных 20-летних периода. Расчеты выполнены по следующим исходным вариантам:

- метеостанции: Брест, Витебск, Гомель, Гродно, Минск, Могилев;

- культура: яровые зерновые;

- почва: суглинок легкий с глубоким залеганием уровня грунтовых вод;

- расчет водопотребления: методика УО БГСХА [10];

- остальные исходные параметры и коэффициенты приняты согласно [12].

В результате компьютерных расчетов, согласно приведенной выше методике и алгоритму, получены графики кривых вероятности времени снижения влагозапасов легкосуглинистой почвы в слое 0,4 м под яровыми зерновыми от начала апреля до значений 0,8 WНВ - 0,4 WНВ. Пример данных графиков по метеостанции Минск приведен на рисунке.

Рис.Кривые вероятности времени снижения влагозапасов легкосуглинистой почвы в слое 0,4 м под яровыми зерновыми с начала апреля от WНВ до значений 0,8 WНВ - 0,4 WНВ для трех последовательных 20-летних периодов по метеостанции Минск: (?) - 0,4 WНВ; (*) - 0,5 WНВ; (Ч) - 0,6 WНВ; (_) - 0,7 WНВ; (?) - 0,8 WНВ

С целью количественной оценки времени наступления неблагоприятных засушливых явлений различной обеспеченности, а также анализа влияния современного изменения климата на сроки наступления засушливых явлений различной степени выполнена обработка полученных графиков в виде таблицы.

Время снижения влагозапасов легкосуглинистой почвы в слое 0,4 м под яровыми зерновыми с начала апреля от WНВ до значений 0,8WНВ - 0,5WНВ обеспеченностью 10, 25 и 50% для трех последовательных 20-летних периодов, сут.

Примечание: прочерки в таблице означают отсутствие данного явления в расчетном периоде.

Данные полученных графиков и таблицы для опорных метеостанций и в целом для территории Беларуси показывают, что начало весенней засухи разной интенсивности (0,8WНВ-0,5WНВ) и вероятности (10, 25 и 50%) сместилось от 1-го к 3-му расчетному периоду на существенно более ранние сроки. Закономерности сроков снижения влагозапасов до экстремального снижения 0,4WНВ в данном случае не анализировались, поскольку 20-летние ряды не обеспечивают необходимого статистического объема этих весьма редких событий, происходящих, как правило, во второй половине вегетационного периода.

Заключение

Проведенные исследования, основанные на 60-летних метеорологических данных, дают объективную количественную оценку сроков наступления засушливых явлений на минеральных почвах естественного увлажнения.

Поскольку весенние (стартовые) влагозапасы почвы на начало апреля Wн1 и все остальные расчетные параметры принимались по периодам 1,2, 3 идентичными, то выявленное расчетное сокращение сроков наступления почвенной засухи объясняется исключительно изменениями регионального климата апреля и следующих за ним месяцев.

За последний 20-летний период впервые для лет 50%-ной обеспеченности (повторяемость каждый второй год) отмечается экстремальная почвенная засуха ниже границы 0,5WНВ со средним сроком наступления 89 суток от начала апреля.

Выполненные аналогичные расчеты с вариантами других культур и почв по гранулометрическому составу (супеси) показали качественно сходные с приведенными выше результатами.

В целом столь существенное сокращение сроков наступления засушливых явлений (до 25-30%) дает основание предполагать, что такое изменение не является необратимым, а представляет собой соответствующую фазу долголетнего (векового) цикла колебаний данного климатического показателя [8,10]. Тем не менее с учетом большой инерционности долголетних циклов выявленные количественные изменения сроков наступления весенней засухи необходимо учитывать на ближайшую перспективу при планировании полевых работ и обосновании рациональных технологий возделывания сельскохозяйственных культур.

Литература

1. Природная среда Беларуси / Под ред. В.Ф. Логинова. - Минск: НОООО «БИП- С», 2002. - 424 с.

2. Гольберг, М. А. Опасные явления погоды и урожай / М.А. Гольберг, Г. В. Волобуева, А. А. Фалей. - Минск: Ураджай, 1988. - 120 с.

3. Лихацевич, А. П. Оценка факторов, формирующих неустойчивую влагообеспеченность сельскохозяйственных культур в гумидной зоне / А.П. Лихацевич, Е.А. Стельмах. - Минск: ООО «Белпринт», 2002. - 212 с.

4. Стихийные гидрометеорологические явления на территории Беларуси: Справочник / Под ред. М.А. Гольберга. - Минск: БелНИИ Центр Экология, 2002. - 132 с.

5. Вихров, В. И. Прогнозная оценка весенних влагозапасов орошаемых минеральных почв / В. И. Вихров // Проблемы мелиорации, водохозяйственного строительства и обустройства сельских территорий на современном этапе. - Горки, 2001.- С. 41-44.

6. Климат Беларуси / Под ред. В.Ф. Логинова. - Минск: Ин-т геол. наук АН Беларуси, 1996. - 234 с.

7. Прогноз изменения окружающей природной среды Беларуси на 2010-2020 гг. / Под ред. В.Ф.Логинова. - Минск: Минсктиппроект, 2004. - 180 с.

8. Логинов, В.Ф. Глобальные и региональные изменения климата: причины и следствия / В.Ф. Логинов. - Минск: ТетраСистемс, 2008. - 496 с.

9. Вихров, В.И. Учет современного изменения климата при обосновании и прогнозе режима орошения в Беларуси / В. И. Вихров //Вестник Белорусской государственной сельскохозяйственной академии. - Горки: БГСХА. - 2004. - №2. - С. 31 - 33.

10. Отчет о научно-исследовательской работе по теме № 48 «Разработать методы оценки вероятности наступления неблагоприятных водных явлений на минеральных почвах сельскохозяйственного использования в условиях Беларуси». - Горки, 2004. - 111 с.

11. Вихров, В.И. Оценка вероятности неблагоприятных водных явлений и увлажненности вегетационного периода по атмосферным факторам в условиях Беларуси / В. И. Вихров //Мелиорация переувлажненных земель. - Минск, 2005. - №2 (54). - С. 29-35.

12. Вихров, В. И. Ретроспективные расчеты водного баланса почв и неблагоприятных водных явлений с применением ПЭВМ. Лекция для студентов специальности 1-74 05 01. Часть 1. / В.И. Вихров. - Горки, 2006. - 28 с.

13. Вихров, В.И. Программы расчета вероятности неблагоприятных водных явлений и проектирования гидромелиоративных режимов почв в Беларуси / В.И.Вихров // Мелиорация переувлажненных земель. - 2007. - №2 (58). - C. 48-57.

14. Вихров, В.И. Климатическая трансформация многолетней динамики показателей водного режима почв на территории Беларуси / В.И.Вихров // Мелиорация сельскохозяйственных земель в ХХI веке: проблемы и перспективы. Доклады Международной научно-практической конференции. Минск, 20-22 марта 2007 г. - Минск, 2007. - С. 79-83.

15. Вихров, В.И. Климатические тренды водного и гидромелиоративного режимов почв на территории Беларуси / В. И.Вихров // Природообустройство. - М.: ВПО МГУП. - 2009. - № 2. - С.48-53 .

Размещено на Allbest.ru