Климатическое сокращение сроков наступления почвенной засухи в Беларуси

Климатическое сокращение сроков наступления почвенной засухи в Беларуси

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:

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 (WкiWнв), (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:

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.

1951 — 1970 гг.	1971 — 1990 гг.	1991 — 2010 гг.

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.

Метеостанция.	Граница снижения влагозапасов.	Обеспеченность (вероятность не превышения).
		10%.	25%.	50%.
		1951;1970 гг.	1971;1990 гг.	1991;2010.	1951;1970 гг.	1971;1990 гг.	1991;2010 гг.	1951;1970 гг.	1971;1990 гг.	1991;2010 гг.
Брест.	0,8 WНВ.
	0,7 WНВ.
	0,6 WНВ.
	0,5 WНВ.							;
Витебск.	0,8 WНВ.
	0,7 WНВ.
	0,6 WНВ.
	0,5 WНВ.							;	;
Гомель.	0,8 WНВ.
	0,7 WНВ.
	0,6 WНВ.
	0,5 WНВ.
Гродно.	0,8 WНВ.
	0,7 WНВ.
	0,6 WНВ.
	0,5 WНВ.
Минск.	0,8 WНВ.
	0,7 WНВ.
	0,6 WНВ.
	0,5 WНВ.							;	;
Могилев.	0,8 WНВ.
	0,7 WНВ.
	0,6 WНВ.
	0,5 WНВ.							;
В среднем по Белару-си.	0,8 WНВ.
	0,7 WНВ.
	0,6 WНВ.
	0,5 WНВ.							;	;

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.

• 1. Природная среда Беларуси / Под ред. В. Ф. Логинова. — Минск: НОООО «БИПС», 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 .