К вопросу о проявлениях векового цикла солнечной активности в продуктивности растительных биогеосистем

Размещено на http://www.allbest.ru/

К ВОПРОСУ О ПРОЯВЛЕНИЯХ ВЕКОВОГО ЦИКЛА СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ В ПРОДУКТИВНОСТИ РАСТИТЕЛЬНЫХ БИОГЕОСИСТЕМ

Н.С. Остапенко, В.А. Кириченко

Институт проблем природопользования и экологии НАН Украины, Днепропетровск

Надано короткий огляд змін продуктивності природної рослинності, що пов'язані з 11-річним та віковим циклами сонячної активності. Виявлено прояв вікового циклу сонячної активності в урожайності сільськогосподарських зернових культур. На експериментальному матеріалі проілюстровано вплив деяких кліматичних факторів на урожайність та хвороби зернових культур.

цикл солнечная активность продуктивность растительность

Дан краткий обзор изменений продуктивности естественной растительности, связанных с 11-летним и вековым циклами солнечной активности. Выявлено проявление векового цикла солнечной активности в урожайности сельскохозяйственных зерновых культур. На экспериментальном материале проиллюстрировано влияние некоторых климатических факторов на урожайность и болезни зерновых культур.

The brief review of changes of efficiency of the natural vegetation, connected with 11-years and century cycles of solar activity is given. Display of a century cycle of solar activity in productivity of agricultural grain crops is revealed. On an experimental material influence of some climatic factors on productivity and illnesses of grain crops is illustrated.

В колебаниях атмосферной циркуляции и в обусловленных ими элементах климата отчетливо проявляются все ритмы солнечной активности, но характер этих проявлений различен в разных участках земной поверхности и с течением времени знак солнечно-атмосферных связей может измениться на обратный. Спектр атмосферных процессов [1] можно подразделить на девять категорий с характерным для каждой их них временным масштабом - от микрометеорологических колебаний (1 - 10² с), в которые наибольший вклад вносят мелкомасштабная турбулентность, до ледниковых колебаний климата (10² - 10⁴ лет). Для генезиса современного климата Земли наиболее важны многолетние колебания с периодами порядка несколько лет и нескольких десятков лет. Как правило, считают, что собственно климатическими колебаниями являются лишь многолетние, тогда как ежегодные высокочастотные колебания относить к таковым не следует. Однако, ежегодную изменчивость климата можно отнести к короткопериодным флуктуациям климата, так как ее вклад в суммарную климатологическую дисперсию является весьма существенным.

Климатические экстремумы, весьма важны для изучения современного климата и его влияния на биогеосферу. Именно они вносят решающий вклад в ежегодную изменчивость уровня биологической продуктивности, которая, в свою очередь, становится своеобразным фитоиндикатором многолетней изменчивости климатических условий. При этом если отдельные растения содержат информацию о колебаниях климата со значительным весом локальных климатических условий (например, годичные кольца деревьев), то динамика индекса урожайности сельскохозяйственных культур, обычно относящаяся к значительным территориям, отражает климатические эффекты более или менее крупного масштаба.

Одним из подходов к прогнозным оценкам естественных колебаний климата является учет многолетней цикличности, проявляющейся в основных климатических элементах и атмосферных явлениях. В этом случае применяется спектральный анализ для идентификации циклов в области длин волн 5 - 25 лет, т.е. в климатически наиболее важном диапазоне. Продуктивность биогеосистем является показателем многолетней цикличности.

Естественная растительная биогеосистема может играть роль биоэкологического мониторинга, отражая в изменении продуктивности какое-либо направленное воздействие. В некоторых случаях отражается долгопериодная цикличность, которая может быть обусловлена изменением солнечной активности [2]. Приведенная на рисунке 1 кривая характеризует динамику годичного объемного прироста сосны в Бузулукском бору за первую половину XX века [3].

В этом случае резко выражено проявление цикличности с фазами повышенного и пониженного прироста. Ежегодные колебания прироста происходят на фоне долгопериодных циклов; фаза повышенного прироста соответствует минимуму векового хода солнечной активности, фаза пониженного прироста - максимуму. Ежегодные колебания прироста отражают в основном существенные различия в режиме осадков и температур, причем в фазу пониженного прироста дисперсия выражена слабее.

Рисунок 1 - Долгопериодная динамика объемного прироста сосны

Проявление цикличности прироста хвойных (пихта, ель и кедр) и попытка прогноза спонтанных колебаний прироста в разных местоположениях южнотаежного Прииртышья приведены в работе [4]. У всех древесных пород независимо от места произрастания проявляются сквозные циклы продолжительностью 5-6 лет, с меньшей частотой проявляются циклы 8-15 лет, практически во всех случаях - продолжительностью около 20-24 лет и 40-44 лет. На длинных рядах прослеживаются циклы длительностью 80-90 лет. Наименьшая синхронизация кривых прироста наблюдается на водоразделе, наибольшая - на пологих склонах и в долинах рек. Совмещенный график частот дает периоды низкого роста 1925-1937, 1947-1960, 1966-1978 гг. Наибольшие частоты приходятся на 1934, 1953 и 1977 гг., причем отклонения этих лет от начала хэйловских циклов Солнца составили ± 1 год. Высокая синхронизация эпох 20-23-х-летнего цикла в колебаниях прироста с магнитным циклом активности, однозначность этого соотношения для разных видов древесной растительности и местоположений позволяют использовать сверхдолгосрочные прогнозы цюрихского ряда чисел Вольфа и рассчитать вероятные даты снижения прироста хвойных деревьев на протяжении десятилетий. Минимум 22-летнего цикла приходится на 1999-2001 г., максимум 11-летнего цикла - на 1989 г.

В лесостепи Европы в ходе роста древостоев четко выражена цикличность с целым рядом периодов [5]. Основной для юго-восточной лесостепи является цикличность в 29 и 11 лет. Средняя амплитуда 11-летних циклов по индексам прироста для всех сосняков равна 29 % (20 - 51%). Вершинные в вековом ходе циклы прироста наиболее мощные; существует обратная корреляционная связь с вековым ходом солнечной активности. По мнению [5] сверхвековые (200 и более 1000 лет) циклы изменения прироста более тесно следуют за изменениями динамического солнечно-планетного коэффициента, нежели за числами Вольфа.

Сельское хозяйство наиболее чувствительно к вариациям погодных условий, и в связи с наметившейся в последние годы тенденцией к уменьшению мировых запасов продовольствия, вызывает серьезную озабоченность значительное изменение уровня сельскохозяйственного производства, обусловленное погодными условиями. Так, например, только из-за метеорологических условий производство зерна изменилось примерно на 10%. Многочисленные расчеты показывают, что производство пшеницы изменяется с периодом гелиоцикла [6]. По этим данным в северном полушарии урожай пшеницы больше в годы солнечного максимума, а в южном - в годы минимума. Однако в целом мировое производство зерна выше в годы максимума.

Известно, что зависимость между ежегодной биопродукцией и погодно - климатическими характеристиками сложна и многофакторна. Можно выделить десятки метеорологических факторов, обуславливающих ежегодную продуктивность, к которым относятся разные виды солнечной радиации, термический режим воздуха и почвы, влажность воздуха, режим и интенсивность атмосферных осадков, негативные атмосферные явления: засушливые явления, бури, град и др. Для практического решения задачи выделяют несколько ведущих факторов, по которым производят оценку ожидаемого уровня. Основными признаками, включающими в себя зависимость сельскохозяйственного производства от климата, является продуктивность и урожайность. Совокупная оценка степени воздействия метеорологических величин за многолетний период на формирование урожая, то есть влияние климата на эффективность земледелия в определенной местности выражается формулой:

= ,

где С_С - обеспеченность отдельной культуры необходимыми климатическими ресурсами в единицах относительной урожайности; t - длительность многолетнего периода обобщения; S- суммарный коэффициент продуктивности полевой культуры, зависящий от температуры воздуха Т и количества осадков Q; _к - показатель неблагоприятного к-го явления для урожая данной культуры (например, засуха, заморозки, град и т.д.).

Коэффициент действия солнечной радиации выше, чем коэффициенты действия температуры и осадков, но при рассмотрении влияния климата обычно пользуются только последними. Если предположить, что неблагоприятные явления погоды являются редкими за многолетний период или не достигают существенных величин, то благоприятствование климата может определяться только коэффициентами продуктивности.

Сравнительный анализ урожайности зерновых культур и климатических факторов за 200-летний период позволил оценить некоторую цикличность в продуктивности зерновых культур [3]. Расчеты интегральной вероятности появления лет с повышенной или пониженной прибавкой урожая яровой пшеницы за счет климатических флуктуаций показали с вероятностью 95%: появление года с пониженной эффективностью 1 раз в 3 года, с повышенной - 1 раз в 6 лет, то есть в два раза реже. Учет цикличности в продуктивности сельскохозяйственной продукции в связи с агроэкологической ситуацией может позволить создать более достоверный прогноз возможного урожая и оценить необходимый уровень минерального питания.

Рассмотрение данных по урожайности зерновых на европейской территории с 1800 г. по 1980 г. показало, что экстремумы урожайности как положительные, так и отрицательные (± 10% от уровня тренда) распределяются во времени неоднородно, причем их чередование имеет весьма сложную структуру. Характерной особенностью является появление не отдельных событий, а их групп, то есть появление экстремумов одного знака 2, 3 и иногда 4 года подряд (более 3 экстремумов подряд более характерно для азиатских регионов, чем для европейской территории). Таким образом, происходит не только простое чередование знака, но и чередование отдельных событий разного знака с группами событий. Мы приводим временные интервалы, в пределах которых имеет место простое чередование экстремумов урожайности: 1800-1814; 1848-1854; 1880-1888; 1897-1901; 1908-1917;.1933-1945; 1970-1980. Большую часть временной оси занимают периоды именно со сложным чередованием экстремумов урожайности.

При сопоставлении временного распределения периодов с различным чередованием экстремумов урожайности на европейской территории за 1800 -1980 гг. с кривой изменения цюрихских среднегодичных чисел Вольфа, выделяющей 80-90-летний (вековой) цикл [7], мы получили следующие результаты (рисунок 2).

Рисунок 2 - Вековой ход солнечной активности (по Витинскому) и простое чередование экстремумов урожайности на европейской территории (окружности) за период 1800-1960 гг.

Достаточно короткие периоды с простым чередованием экстремумов урожайности, обозначенные окружностями, находятся вблизи минимумов или максимумов векового хода солнечной активности. На рисунке не приведен период простого чередования экстремумов урожайности, соответствующий 1970 - 1980 гг., который соответствует минимуму векового хода чисел Вольфа. Восходящим или нисходящим ветвям векового хода соответствуют периоды со сложным чередованием экстремумов продуктивности.

Таким образом, цикличность солнечной активности может проявляться не только в появлении урожайных или неурожайных лет с определенной периодичностью, но и с появлением группировок лет с различным чередованием экстремумов продуктивности. Периоды с простым чередованием положительных и отрицательных отклонений от среднего уровня продуктивности зерновых на европейской территории приходятся на экстремумы 80-90-летнего цикла чисел Вольфа.

Простое чередование урожайности, обусловленное аномальными разнонаправленными климатическими факторами, не может играть существенную роль при анализе многолетних биологических процессов. Одногодичные климатические аномалии, даже крайне резкие, не могут изменить тенденцию в динамике продуктивности. Необходим период однонаправленных лет, чтобы тенденция сохранилась. Только повторяющиеся несколько лет подряд однотипные отклонения количества осадков и температуры от нормы приводят к существенным потерям или избытку урожая сельскохозяйственных культур, что прямым образом отражается на экономике государства. Низкая урожайность 1972 г., являющаяся следствием обширных засушливых явлений, не могла бы привести к необратимым и существенным экономическим потерям, поскольку урожайность в 1971 и 1973 гг. была существенно выше линии тренда. Потери 1972 г. (при учете данных факторов) должны были быть полностью скомпенсированы продукцией предыдущего и последующего годов. Для наглядности приводим таблицу дисперсии урожайности в Украине в 1971 - 1973 гг. в среднем по региону и по сортоучасткам, где, как известно, выше и урожайность и дисперсия урожайности (таблица 1).

Таблица 1 - Урожайность и дисперсия урожайности в Украине за период 1971-73 гг.

Таким образом, можно предположить, что в эпоху экстремумов векового цикла солнечной активности трудно ожидать длительного падения урожайности вследствие простого чередования событий, и потери одного года могут быть скомпенсированы повышенной урожайностью последующего сезона. В периоды подъема и спада векового цикла солнечной активности сложное чередование группировок неблагоприятных лет, сопровождаемое рядом отрицательных экстремумов урожайности, может привести к чрезвычайным ситуациям, как это происходило в 1864-69 гг. (дисперсия по годам соответственно: -12%, -20%, норма, -18%, норма, -14%) или в 1920-21 гг., когда последствия войны осложнились недородом (-20% и -29%).

Колебания урожайности, обусловленные флуктуациями метеорологических параметров, проиллюстрируем на экспериментальном материале, полученном в эпоху восходящей ветви 23 цикла солнечной активности и восходящей ветви векового цикла. Опыты по выращиванию зерновых культур (пшеница, ячмень) проводили на сортоиспытательном участке при варьировании уровней минерального питания и влажностей в течение трех сезонов.

В условиях одного поля с одинаковым уровнем минерального питания урожайность зерновых культур в различные сезоны варьируется достаточно сильно. Учитывая это обстоятельство, в данной работе будем использовать значения урожайности, усредненные по сортам.

Поскольку исследования проводили в различные годы в пределах одного поля с одинаковым фоном минерального питания, с одинаковыми сортами зерновых культур, то причина различия в урожайности и болезнях растений может быть связана только с климатическими флуктуациями того или иного сезона. Иными словами агроклиматические факторы являются причиной различной эффективности минерального питания. Например, внесение минеральных удобрений при очень низком значении влажности почвы приводит к гибели сельскохозяйственных культур, то есть при некоторых условиях удобрения могут являться токсичными веществами. Агроклиматические условия, включающие в себя среднегодовую температуру Т_ср.год, температуры наиболее теплого месяца t_т, наиболее холодного месяца t_х, среднюю температуру посевного периода Т_Н, сумму годовых атмосферных осадков Q_год., а также приведенные агроклиматические параметры: температурный коэффициент К_Т и коэффициент увлажнения К_Q, представляющие отношения суммы активных температур и суммы атмосферных осадков периода вегетации к соответствующим базовым (среднемноголетним) величинам, коэффициент совокупного действия температуры и увлажнения, равный К_ТК_Q приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Агроклиматические параметры рассматриваемых лет

Влияние совместного действия температуры и увлажнения воздуха в период вегетации на урожайность зерновых культур представлено на рисунке 3. Наибольшие значения урожайности получены при K_QK_T>1. В этом случае и количество осадков и сумма активных температур приближалась к среднемноголетним значениям. Минимальные величины урожайности соответствуют К_т>1 и количеству осадков, превышающих многолетние значения в 2,35 раза. Средние значения урожайности соответствуют также избыточно увлажненному сезону (К_Q = 2,44), в котором сумма активных температур меньше многолетних почти на 25%. Возникает ситуация, при которой в сезоны с избыточным и примерно одинаковым увлажнением (~2,4 относительно многолетних значений) понижение суммы активных температур приводит к существенному повышению урожайности. По-видимому, необходим учет дополнительных факторов.

Рисунок 3 - Зависимость урожайности пшеницы (1) и ячменя (2) от совместного действия температуры и количества осадков периода активной вегетации

Рассмотрим данные по зараженности растений болезнями. На рисунке 4 приведено соотношение между болезнями растений (в баллах) и совокупным влиянием климатических факторов K_QK_T(0-III). Ход зависимостей болезней пшеницы (мучнистой росы и ржавчины) и ячменя (сетчатой пятнистости) одинаков. Минимальная зараженность растений соответствует «среднестатистическому» сезону. Увеличение зараженности происходит благодаря избыточному количеству осадков при различной сумме активных температур. Не исключено, что более низкое значение сдерживает развитие патогенов, тем самым, уменьшая потери урожая.

Рисунок 4 - Связь среднего балла зараженности растений болезнями и совокупного действия увлажнения и активной температуры в период вегетации. Пшеница - мучнистая роса (1), ржавчина (2); ячмень - сетчатая пятнистость (3)

Далее рассмотрим изменения геохимического фона, обусловленные ежегодными колебаниями климатических факторов. Отмечено [8], что влияние температуры на некоторые параметры почвы проявляются сильнее, чем влажность особенно в начальный период вегетации; при низкой температуре влияние влажности не выявлено. Наблюдения за геохимическим фоном в продолжение вегетации показали, что многие измеряемые параметры имели максимальные величины в начальный момент времени. Средние величины таких параметров, как рН почвы, окислительно-восстановительный потенциал почвы и содержание минерального азота (рисунок 5) прямо пропорционально зависели от средней температуры посевного периода.

Рисунок 5 - Зависимость содержания неорганического азота от средней температуры посевного периода

Сравнение урожайности и заболеваемости зерновых культур с показателем содержания минерального азота, а следовательно, с температурой начала вегетации выявило следующие закономерности (рисунки 6 и 7).

Рисунок 6 - Влияние состояния общего азота в почве в стартовый момент вегетации на урожай пшеницы (1) и ячменя (2)

Рисунок 7 - Средний балл зараженности растений болезнями при различном содержании общего минерального азота в почве в начальный период вегетации. Пшеница - мучнистая роса (1), ржавчина (2); ячмень - сетчатая пятнистость (3)

Урожайность ячменя в целом более устойчива к внешнему воздействию. Урожайность пшеницы более отзывчива на изменение погодных условий. Максимум урожайности пшеницы соответствует сезону с увеличенным температурным коэффициентом роста (К_Т(VI-VII) = 1,21) и близким к среднемноголетним количеством осадков. В годы с одинаковой суммой активных температур и избыточным двукратным увлажнением, различие в урожайности достигает 30% только за счет различной средней температуры месяца, в котором проводился сев зерновых культур. С другой стороны наибольшая величина урожайности сопутствует меньшему содержанию минерального азота в почвенном пахотном слое в начальный момент вегетации. Возможно, увеличенное количество легкодоступных форм минерального азота в почве, обусловленное агроклиматическими факторами, и благоприятные для патогенов условия активной вегетации приводят к увеличению болезней и уменьшению урожайности.

Сравнительный анализ хода векового цикла солнечной активности с продуктивностью естественной растительности и сельскохозяйственных зерновых культур показал следующее. Продуктивность луговой растительности определяется скорее 11-летним циклом солнечной активности, нежели вековым. Помимо 11-летнего цикла отмечено проявление векового цикла в продуктивности древесной растительности Вершинные в вековом ходе циклы прироста наиболее мощные; существует обратная корреляционная связь с вековым ходом солнечной активности.

Проявление векового цикла в продуктивности зерновых культур заключается в простом чередовании экстремумов урожайности в эпоху максимума и минимума цикла, на восходящей и нисходящей ветвях достаточно часто встречаются группировки лет со сложным чередованием событий. Если такие группировки лет сопровождаются неблагоприятными климатическими условиями, то создается тенденция нарастающего недорода, что обыкновенно приводит к тяжелым социально-экономическим последствиям.

Проиллюстрировано влияние ежегодных флуктуаций погодных факторов на урожайность и болезни зерновых культур в условиях повышенной увлажненности.

Перечень ссылок

1. Максимов И.В. Ритмичность природных явлений / Ритмы и цикличность в природе. - М., 1970.

2. Зуев В.В., Бондаренко С.Л., Ельников А.В. Результаты поиска векового цикла солнечной активности в палеоисследованиях // Труды II Совещания «Экология пойм сибирских рек и Арктики». - Томск, 2000. - С. 41-45

3. Раунер Ю.Л. Климат и урожайность зерновых культур. - М.: Наука, 1981. -162 с.

4. Изменчивость природных явлений во времени.- Новосибирск: Наука, 1982. - 215 с.

5. Максимов А.А. Природные циклы. - Л.: Наука, 1989. - 206 с.

6. Харгривс Дж.К. Верхняя атмосфера и солнечно-земные связи. - Л.: Гидрометеоиздат, 1982. - 352 с.

7. Витинский Ю.И. Цикличность и прогнозы солнечной активности. - Л.: Наука, 1973.

8. Коровин А.И. Роль температуры в минеральном питании растений. - Л.: Гидрометеоиздат, 1972. - 284 с.

Размещено на Allbest.ru