Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 8
Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 23
2.1. Физико-географическая характеристика природных условий Западной Сибири 23
2.2.Биологические особенности зерновых культур 30
2.3.Методика сельскохозяйственной оценки климата территории 38
Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗУЧЕНИЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И РАДИАЦИОННЫХ РЕСУРСОВ КЛИМАТА 50
3.1. Характеристика радиационных условий климата Западной Сибири 50
3.1.1 .Пространственно-временное распределение инсоляции 50
З.1.2.Пространственно-временная характеристика радиационных ресурсов 56
3.1..3.Значение и расчет фотосинтетически активной радиации 63
3.2.Оценка термических ресурсов климата Западной Сибири 73
З.З. Биологическая продуктивность климата Западной Сибири 87
Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КЛИМАТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА УРОЖАЙНОСТИ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР 90
4,1. Агроэкологическая характеристика зерновых культур 90
4.2.Расчет агроклиматического потенциала Западной Сибири 98
4.2.1.Расчет потенциальной урожайности зерновых культур 98
4.2.2.Расчет климатически обусловленной урожайности зерновых культур 102
4.3.Агроэкологическое районирование территории Западной Сибири 127
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 139
ВЫВОДЫ 144
ЛИТЕРАТУРА 146
ПРИЛОЖЕНИЕ 163
- Физико-географическая характеристика природных условий Западной Сибири
- Характеристика радиационных условий климата Западной Сибири
- Агроэкологическая характеристика зерновых культур
Введение к работе
Актуальность работы. Изучение закономерностей влияния экзогенных факторов на процессы жизнедеятельности и продуктивности агроландшафтов приобретает все большее значение в связи с возрастающим вниманием к проблеме получения высокопродуктивных растительных сообществ и увеличения урожайности сельскохозяйственных культур. Из-за всеобщего внимания к системе "климат - почва - урожай" работы в данной области приобрели широкий размах, однако разброс оценок и мнений экспертов о климатическом потенциале продолжают оставаться очень значительными. Увеличение урожайности культур следует ожидать не только за счет достижений в области селекции или изменений в направлении агротехнических мероприятий, сколько благодаря совершенствованию путей получения информации о климате и его влиянии на продуктивность сельскохозяйственных культур. Продуктивность агроценозов зависит от многих факторов внешней среды, среди которых климатические и погодные занимают существенное место. Неустойчивость погоды вызывает значительную изменчивость урожаев сельскохозяйственных культур. Согласно Лосеву А.П. и Журиной Л.Л. (2001), на долю погодных условий приходится 40-50 % общей амплитуды колебаний урожайности культур и лишь 1/3 посевных площадей расположены в зоне гарантированных урожаев.
Климат и сельскохозяйственное производство тесно связаны между собой. Средством выражения этой взаимосвязи служит система агроклиматических показателей развития, роста и продуктивности растений. Эти показатели должны строится на познании климата как ресурса и условия сельскохозяйственного производства.
Таким образом, в условиях повышения продуктивности агроландшафтов стала актуальной проблемой необходимость оценки
агроклиматического потенциала урожайности сельскохозяйственных культур.
Цель работы: определить потенциал теплоэнергетических и
радиационных ресурсов урожайности зерновых культур на территории Западной Сибири
Для достижения цели нами были поставлены следующие задачи: 1 .Рассчитать обеспеченность вегетационного периода зерновых культур ресурсами фотосинтетически активной радиации.
2.Дать оценку теплоэнергетических ресурсов вегетационного периода территории.
3.Провести корреляционный анализ урожайности озимых зерновых культур, яровых зерновых культур и климатических показателей.
4.Провести оценку потенциальной и климатически обусловленной продуктивности яровых и озимых культур.
5.Разработать агроэкологическое районирование территории Западной Сибири с учетом потенциальной урожайности сельскохозяйственных культур.
Объект исследования: агроклиматические ресурсы территории Западной Сибири.
Предмет исследования: агроклиматический потенциал урожайности зерновых культур Западной Сибири.
Научная новизна. На основании комплексных исследований впервые на территории Западной Сибири изучены радиационные и теплоэнергетические ресурсы продуктивности зерновых культур. На основе расчетов для территории Западной Сибири определены потенциальная и климатически обусловленная урожайности зерновых культур. На основе выполненных расчетов урожайности впервые выполнено агроэкологическое районирование территории Западной Сибири.
Теоретическое и практическое значение работы. На основе количественной теории, процесс формирования урожая сельскохозяйственных культур рассмотрен как сложная совокупность целого ряда физиологических
6 процессов, интенсивность и направленность которых определяются не только факторами внешней среды и биологическими особенностями растений, но и взаимосвязью самих процессов. Результаты исследования представляют собой теоретическое обобщение в области изучения влияния агрометеорологических условий на фотосинтетическую продуктивность посевов. В работе были рассмотрены закономерности формирования и особенности распределения потенциальной продуктивности зерновых культур на территории Западной Сибири.
Основные положения и выводы диссертационного исследования используются в процессе преподавания курсов "География региона", "Экономика Омской области", факультативного курса "Рациональное природопользование".
Положения, выносимые на защиту: 1.Ресурсы фотосинтетически активной радиации обеспечивают получение высоких потенциальных урожаев зерновых культур при условии оптимального сочетания факторов тепла и влаги.
2.Наиболыпее влияние на урожайность яровых зерновых культур оказывают условия увлажнения весенне-летнего периода вегетации.
З.Климатические ресурсы, в частности тепло- и влагообеспеченность вегетационного периода, являются лимитирующими в продуктивности зерновых культур на территории Западной Сибири.
Апробация работы. Основные положения работы и полученные результаты исследования были представлены на региональной конференции "Рекреационно-экологический потенциал Зауралья и сопредельных территорий" (г. Курган, 2000); конференции "Проблемы геологии и географии Сибири" серия "Науки о Земле" (г. Томск, 2003), школе-семинаре "Роль географии в решении экологических проблем современности" (г. Томск, 2003).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 статей.
Структура диссертации. Диссертация изложена на 162 страницах машинописного текста, включая 25 таблиц, 30 рисунков и 22 приложения.
Работа состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и приложения. Список литературы включает 177 источников, в том числе 10 на иностранном языке.
Физико-географическая характеристика природных условий Западной Сибири
Орографические границы Западно-Сибирской равнины отчетливо прослеживаются на западе, где горы Урала резко обрываются к равнине, лишь в отдельных местах образуя предгорья в виде параллельных гряд. Восточная граница равнины совпадает с правым склоном долины Енисея, за исключением крайнего севера, где Западно-Сибирская равнина постепенно переходит в Пясинско-Хатангскую низменность. За границу Западно-Сибирской равнины в этом районе условно принимают (Рихтер, 1963) р.Енисей и Енисейский залив. За южную границу Западно-Сибирской равнины принят уступ северного склона Тургайской страны и Казахского мелкосопочника. На юго-востоке Западно-Сибирская равнина сменяется предгорьями Алтая, Салаира, Кузнецкого Алатау и Восточного Саяна. Западная Сибирь занимает территорию, вытянутую с севера на юг более чем на 2400 км, с запада на восток - свыше 1600 км, весьма разнообразна по сочетанию природных условий (климата, почв, рельефа), которые в значительной степени определяют развитие и направление сельскохозяйственного производства, характер и интенсивность использования земель.
Современный рельеф территории характеризуется преобладанием обширных аккумулятивных равнин, сложенных рыхлыми четвертичными отложениями. Сибирские Увалы отчетливо делят ее на две котловины: Нижнеобскую и Верхнеобскую. Поверхность обеих котловин, за исключением небольшой части на северо-западе, занятой восточными склонами Уральских гор - низменная равнина с приподнятыми расчлененными краями, с общим очень незначительным уклоном на север.
Самая низкая часть Нижнеобской котловины, высотой 4-10 м, приурочена к устьевому участку Оби и южной оконечности Обской губы. Отсюда высоты быстро возрастают к западу, достигая на левобережье Оби 200 м и более (Мужинский Увал-270 м). Повышенные участки-«материки» - представляют собой плоские массивы, разделенные долинами рек и заболоченными понижениями, с огромным количеством озер. К северу, в верховья Пура, высота постепенно снижается до 90-95м, а к югу, к обскому понижению- более резко. С севера котловину замыкают возвышенности Гыдана и Ямала, высотой 70-75м, разделенные Обской губой, они тянутся на западе до северной оконечности Полярного Урала, на востоке- до Тазовско-Енисейской возвышенности.
Приподнятые окраины Среднеобской котловины образуют возвышенные равнины с абсолютными высотами, превышающими 200м. К ним относится: Зауральское плато, Тургаиское плато, возвышенные равнины, примыкающие с севера к Казахскому мелкосопочнику, Приобское и Чулымо-Енисейское плато и Вах-Кетьская возвышенная равнина. Поверхность внутренней части Среднеобской котловины: Васюганская и Ишимо-Иртышская возвышенности и др. перемежаются с впадинами (Барабинская, Кулундинская, Кондинская, Тоболо-Ишимская и др.).
Климат территории характеризуется значительной континентальностью. Формирование климата происходит под преобладающим влиянием западной циркуляции. Территория равнины находится в пределах влияния атлантического переноса тепла и влаги, и континентальность заметно возрастает к востоку; В циркуляции воздушных масс участвуют также арктический континентальный воздух -33 % (дней в году), континентальный воздух умеренных широт -около 8 %, континентальный тропический воздух, поступающий из Средней Азии- около 5 %. В целом для территории Западно Сибирской равнины характерна быстрая смена циклональной и антициклональной деятельности, что способствует большой изменчивости погоды. Климат имеет существенные различия в гидротермических показателях северных и южных районов, что связано с широтными изменениями прихода солнечной радиации, количества осадков, испарения и т.д.
Продолжительность солнечного сияния составляет: в Салехарде-1554ч, в Сургуте-1632ч, в Омске-2223 ч, что значительно больше, чем на актинометрических станциях ETC (Москва-1575ч, Воронеж-1770ч и др.). Повторяемость ясных дней больше, чем на тех же широтах европейской части России, что обусловлено меньшей облачностью территории.
Зимой понижение температуры наблюдается с юга на север и с запада на восток. Самые низкие температуры воздуха зимой отмечаются под 60-64 с.ш. Средняя температура января на о.Белом составляет-23,4 С, в Тамбее -24,6 С, Тадибеяха-26,7С, Тазовском-26,7С, Сидоровске-27,1С Ход летних изотерм подчинен широтной закономерности и увеличиваются от 12-14 С на побережье моря до 19-20С на юге территории. Продолжительность вегетационного периода от 100 дней на севере до 175 — на юге; безморозного — от 75 до 130 дней.
Одним из важнейших признаков характеристики климата является пространственно-временная изменчивость атмосферных осадков. Для их детального описания на основе 238 метеостанций проведена обработка среднемноголетних и годовых величин, а также сумм осадков за теплый и холодный периоды года. Наибольшее атмосферное увлажнение характерно для территории, лежащей под 60 с.ш. Годовое количество осадков в пределах этой зоны составляет 600-650 мм. К северу и югу от зоны повышенного увлажнения количество осадков уменьшается, причем особенно быстро в южном направлении. По данным метеостанции Омск степной годовая сумма осадков составляет 368 мм, а еще южнее, в центральных районах Кулундинской степи и степного Прииртышья годовая сумма осадков уменьшается до 250 мм. Большая часть выпадающих осадков для всех зон равнины приходится на летние месяцы. В степной зоне осадки теплого времени года составляют до 80% годовой величины. По мере продвижения к северу процент осадков теплого сезона уменьшается, так как увеличивается продолжительность зимнего сезона. В лесной зоне при годовой сумме осадков от 400 до 600 мм около 65 % выпадает в теплое время года. Такое распределение осадков объясняется и описывается элементами атмосферной циркуляции. Наиболее устойчивый ход осадков в течение года отмечен для северных широт, т.к. арктические воздушные массы приносят незначительное количество влаги. В южной части Западной Сибири (южнее 56 с.ш.) имеет место чередование циклонов и антициклонов. Высокая температура воздуха, частое вторжение сухих воздушных масс из Средней Азии определяют здесь меньшее количество осадков. В общей сумме осадков роль долготной и широтной составляющих циркуляции составляет до 98 %, а местных конвективных осадков — около 2 %.
Характеристика радиационных условий климата Западной Сибири
Из общего количества энергии, используемой при производстве сельскохозяйственной продукции, техногенная энергия составляет не более 3-4%. Главная ее часть приходится на природную энергию-электромагнитную энергию солнечного излучения.
Среди радиационных факторов, регулирующих развитие, урожайность культур и технологические показатели урожая, согласно А.М, Шульгину (1963), Л.Г. Пигаревой (1980), А.Л.Шахову (1993), наибольшее значение имеют: продолжительность солнечного сияния, интенсивность солнечной радиации и спектральный состав света.
Анализ данных табл.4 позволяет сделать вывод: для территории Западной Сибири характерно увеличение годовой продолжительности солнечного сияния с севера на юг от 1500 до 2313ч., продолжительность солнечного сияния зависит не только от широты места, но и от метеорологических факторов, прежде всего - распределения облачности.
Летом на широте 66-67с.ш. в связи с увеличением продолжительности дня число часов солнечного сияния значительно возрастает (Салехард -757 часов, Тазовское-736 часов). В зимний сезон продолжительность солнечного сияния быстро убывает не только из-за уменьшения длительности дня, но и из-за увеличения облачности. Наибольшее число часов солнечного сияния на всей территории Западно-Сибирской равнины отмечается в июле, наименьшее в декабре. Причем вблизи Полярного круга из-за полярной ночи и большой облачности солнечное сияние в декабре практически отсутствует. Весной число часов солнечного сияния на всей территории в 2-3 раза больше, чем осенью, что обусловлено годовым ходом облачности.
Наибольшее число дней без Солнца наблюдается в районе Тазовского (156 дней), к югу количество таких дней уменьшается до 60-50. В годовом ходе освещенности минимум дней без Солнца (0-2 дней) приходится на июль, максимум (18-30 дней) - на декабрь. По расчетам А.М.Шульпша (1967), поле распределения физиологической длины дня носит пространственно-временной характер. Наибольшая продолжительность физиологической длины дня приходится на вегетационный период (май-август), максимальная продолжительность дня наблюдается в июне: на широте 30 с.ш. - 15.02 ч.; на широте 40 с.ш.- 16,08 ч.; на широте 50 с.ш.-17.50 ч.; на широте 60 с.ш.-22.19 ч.
Увеличение продолжительности дня в северных широтах в вегетационный период удлиняет период фотосинтеза растений. В результате этого, сельскохозяйственные культуры накапливают большую биомассу даже в условиях короткого лета.
Солнечная радиация, поступившая на верхнюю границу атмосферы Земли, при достижении деятельной поверхности трансформируется. Часть этой энергии рассеивается содержащимися в атмосфере примесями» другая часть - поглощается водяным паром, озоном, углекислым газом, кислородом. Таким образом, солнечная радиация достигает земной поверхности как в виде параллельных лучей - прямой солнечной радиации-S , так и в виде рассеянной-D .
Прямая солнечная радиация изменяется на территории Западно-Сибирской равнины в широких пределах: от 1390 МДж/м2/год на севере (Салехард) до 2100 МДж/м/год и более на юге территории. В каждом пункте она имеет отчетливо выраженный годовой и суточный ход (максимум S1 в течение суток наблюдается в местный полдень). По данным актинометрических станций Западной Сибири, в весенне-летние месяцы с апреля (иногда с марта) по август (иногда и сентябрь) на большей части территории часовые суммы прямой радиации в дополуденные часы больше, чем в послеполуденные. Асимметрия в суточном ходе радиации, связанная с развитием конвективной облачности к полудню и поэтому с преобладанием облачности нижнего яруса днем и вечером по сравнению с утренними часами, дополнительно усиливается уменьшением прозрачности атмосферы в послеполуденные часы. Зимой, с декабря или января по март, в связи с утренним максимумом облачности и уменьшением ее во вторую половину дня, дополуденные суммы радиации меньше послеполуденных. Асимметрия до- и послеполуденных сумм радиации может достигать зимой 25-35%.
Пространственное распределение прямой солнечной радиации подчинено широтной зональности. Минимальные годовые значения прямой солнечной радиации наблюдаются на севере территории: Салехард-1430 МДж/м2, Тарко -Сале-1403 МД к/м2, Сытомино-1566 МДж/м2, Максимальные годовые значения прямой солнечной радиации отмечаются на юге: Огурцово-2078 МДж/м2, Татарск-2199 МДж/м2, Ново-Благовещенск-2694 МДж/м2.
Для годового хода прямой радиации характерно резкое увеличение месячных значений сумм от февраля к марту, что объясняется увеличением высоты Солнца и продолжительности дня. Максимум месячных сумм прямой солнечной радиации приходится на июнь-июль: Салехард-274-312 МДж/ж, Тарко-Сале-260-306 МДж/м2, Сытомино-308-316 МДж/м2, Огурцово-327-381 МДж/м2.
Для летнего периода характерно незначительное изменение месячных величин радиации с широтой, что определено большой продолжительностью дня в высоких широтах. Минимальный приход прямой солнечной радиации на территорию Западной Сибири наблюдается в декабре-январе: от 3-8 МДж/м2 на севере до 25 -30 МДж/м2 на юге. Поскольку прямая солнечная радиация не определяет весь приход коротковолновой радиации к земной поверхности, следует рассмотреть пространственно-временное распределение рассеянной радиации. Вклад ее в годовом приходе суммарной радиации на рассматриваемых станциях составляет 60-80%. Поэтому рассеянная радиация может существенно изменить колебания общего прихода коротковолновой радиации к земной поверхности.
Агроэкологическая характеристика зерновых культур
Исходной позицией в решении проблемы экологизации земледелия является разработка системы агроэкологической оценки сельскохозяйственных культур. Чтобы выявить агроэкологические ареалы возделывания культур, необходимо определить их требования к теплоэнергетическим, гидрологическим и другим условиям.
Сопряженный анализ данных по климатическим условиям за период 1976-2003гг., предоставленных ГУ Омского ЦГМС, фондов архива Управления сельского хозяйства, Омского областного комитета государственной статистики по урожайности зерновых культур за этот же временной отрезок, показывает высокую степень зависимости между изменчивостью урожаев и климатическими показателями.
Для подтверждения этого был проведен корреляционный анализ между урожайностью и: 1) осадками за период январь-май; 2) осадками за январь-июнь; 3) осадками за январь-июль; 4) величиной гидротермического коэффициента Селянинова за вегетационный период; 5) осадками июня; 6) суммой активных температур за вегетационный период; 7) суммой отрицательных температур за осенне-зимний - ранневесенний период.
Рассчитанные коэффициенты представлены в табл.19.
Анализ данных табл. 19 позволяет сделать вывод о сильной степени корреляции между исследуемыми показателями. Корреляционные связи, за исключением корреляции между суммой температур за период вегетации и за осенне-зимний-ранневесенний период и урожайностью, имеют прямую зависимость. В условиях недостаточного увлажнения Омской области правомерна сильная степень корреляции между урожаем и количеством осадков.
Нами была проанализирована изменчивость урожайности зерновых культур в Омской области за 27-летний период наблюдения (1976 - 2002 гг.). За этот период биологическую продуктивность и уровень развитие агротехники условно можно считать постоянными Принятые допущения оправданы тем, что сельскохозяйственное производство обладает определенной инертностью и как правило резких изменений в среднеобластных урожаях двух смежных лет из-за влияния культуры земледелия не наблюдается. Поэтому изменчивость урожайности зерновых культур можно объяснить колебаниями климатических условий.
Анализ табл, 20 позволяет утверждать, что урожайность озимых зерновых культур имеет больший коэффициент вариации по сравнению с урожайностью яровых культур. Размах вариации урожайности озимых культур подтверждает, что возделывание озимых культур в пределах Западной Сибири характеризуется как рискованное земледелие. Озимые хлеба в районах их возделывания отличаются более высокой урожайностью, чем яровые. Это во многом можно объяснить тем, что агроэкологические особенности возделывания озимых культур имеют ряд неоспоримых преимуществ перед яровыми; предотвращение водной эрозии, высокая конкурентоспособность по отношению к сорнякам, полное использование осенне-зимних осадков. Но сложность прогнозирования в системе "погода-урожай" озимых культур определяется тем, что период активной вегетации разделяется зимним периодом, от метеорологических условий которого во многом зависит весенняя вегетация озимых, как отмечалось автором выше. Одной из основных причин колебания урожайности по годам можно назвать неблагоприятные условия погоды. Так, например, благодаря раннему снежному покрову и обильным снегопадам зимой 1990г. создаются неплохие условия для перезимовки культур. Урожайность озимой пшеницы и озимой ржи составила 12,4 ц/га и 15,3 ц/га соответственно. Условия перезимовки 1991г. были неблагоприятными для озимых культур из-за образования ледяной корки в результате оттепелей и раннего схода снега весной, что привело к выпадению всходов; среднеобластная урожайность озимой пшеницы составила 4,7 ц/га, озимой ржи 6,2 ц/га. Метеорологические условия 1999г. характеризовались отклонением количества осадков от многолетней нормы; сумма осадков за вегетационный период составила 128мм (62 % нормы), температуры же превышали средние многолетние на +1,3С, что привело к снижению урожайности. Среднеобластная урожайность зерновых в этот год составила 9 ц/га. Метеорологические условия вегетационного периода 2001 г., характеризующиеся повышенным количеством осадков и повышенными температурами, способствовали получению высоких урожаев: средняя урожайность зерновых по области составила 20 ц/га в том числе: пшеницы яровой -19,3 ц/га, ячменя-22,7ц/га, овса- 22,9 ц/га. Максимальные урожаи зерновых в 2001 году были получены: в Азовском, Одесском, Кормиловском, Марьяновском районах: 29; 23,1; 22,1 и 24 ц/га соответственно.
