Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ПУТИ ОПТИМИЗАЦИИ ВОДНОГО РЕЖИМА АГРОЭКОСИСТЕМ В УСЛОВИЯХ МЕНЯЮЩЕГОСЯ КЛИМАТА ЛЕСОСТЕПНОЙ ЗОНЫ ВОРОНЕЖСКОЙ ОБЛАСТИ

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "ПУТИ ОПТИМИЗАЦИИ ВОДНОГО РЕЖИМА АГРОЭКОСИСТЕМ В УСЛОВИЯХ МЕНЯЮЩЕГОСЯ КЛИМАТА ЛЕСОСТЕПНОЙ ЗОНЫ ВОРОНЕЖСКОЙ ОБЛАСТИ"

і

-З'гНз

1-І а правах рукописи

Радцевич Галина Аркадьевна

ПУТИ ОПТИМИЗ АЦИИ ВОДНОГО РЕЖИМА АГРОЭКОСИСТЕМ В УСЛОВИЯХ МЕНЯЮЩЕГОСЯ КЛИМАТА ЛЕСОСТЕПНОЙ ЗОНЫ ВОРОНЕЖСКОЙ ОБЛАСТИ

03.00.16-Экология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

< ,• , / і Воронеж 2004 .■>.■' " '

Работа выполнена на кафедре мелиорации ФГОУ ВПО «Воронежского іх)су дарствен ного аграрного университета им. К.Д. Глинки».

Научный руководитель; доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Черем ценное Александр Юрьевич

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Постолов Виктор Дмитриевич

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Жердев Владимир Николаевич

Ведущая организация; Воронежская государственная

лесотехническая академия

Защита состоится «28» декабря 2004 года в 12ой часов на заседании диссертационного совета Д 220,010,06 в ФГОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет им, К.Д. Глинки» по адресу; 394087, г. Воронеж, ул. Мичурина 1, ауд,_,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного аграрного университета им. К.Д. Глинки.

Автореферат разослан «25» ноября 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент '^Т^сл^Зу О.М. Кольцова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Интенсивная сельскохозяйственная деятельность человека ведет к постоянному ухудшению экологической обстановки агро-э ко систем, что отражается «а дальнейшей деградации плодородного слоя почвы, урожайности и качестве сельхозпродукции. Решение этих проблем невозможно без учета всей совокупности взаимодействия элементов агроэко-системы «климат — почва—растения».

В последние годы отмечается изменение климатических условий: увеличение атмосферных осадков и скачкообразный характер температурного режима воздуха, которые оказывают влияние на водный режим почвы, являющийся важнейшим условием функционирования агроэкоснсгемы. Водный режим играет существенную роль в питании и физиологическом состоянии сельскохозяйственных культур, накоплении и расходовании питательных веществ в почве. Он изменчив как во времени, так и в пространстве и является связующим звеном в агроэкоснстеме. гибко реагирует на изменения, происходящие в ней, н оказывает существенное влияние на ее состояние. Поэтому исследование состояния агроэкоснсгемы в связи с изменением водного режима в условиях меняющегося климата лесостепной зоны Воронежской области является актуальным.

Исходя из этого, были поставлены следующие цел» и задачи: цель работы состоит в изучении особенностей формирования водного режима агроэкоснсгемы в условиях меняющегося климата лесостепной зоны Воронежской области.

Дня достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать направлен носить и особенности изменения климата в целом и за вегетационные периоды агроэкоснсгемы в условиях лесостепи Воронежской области.

ЦНБ МСХА

2. Изучить особенности формироаанияводных режимов почв а фотосистем занятых зерновыми культурами.

3. Оценить влияние увеличения увлажнения на почву и урожаи arpo-экосистемы.

4. Установить закономерности формирования водонотреблення зерновых кульгур с учетом изменения климатической составляющей агроэкоси-стемы и получить зональные биоклимэтические коэффициенты.

5. Разработать методику определения расчета недопотребления агро-экосистем, занятых зерновыми культурами.

Научна новизна.

1. В результате исследований установлено изменение климагга лесостепной зоны Воронежской области; наблюдается тенденция роста температуры воздуха и атмосферных осадков, при этом интенсивность роста осадков превышает интенсивность роста температуры воздуха.

2. В условиях современного ведения сельскою хозяйства исследовано недопотребление основных зерновых культур и получены биоклиматмческие коэффициенты для условий лесостепи Воронежской области.

3. В результате исследований функционирования шроэкосистемы в условиях меняющегося климата лесостепной зоны Воронежской области, установлена тенденция изменения типа водного режима почвы, повышение урожайности озимой пшеницы до определенного уровня, что требует нового подхода к ведению агротехники при выращивании сельскохозяйственных культур.

Положения выносимые на защиту:

- тенденция изменения метеорологических факторов в условиях лесостепной -юны Воронежской области;

- динамика водного режима агрозкосистемы в условиях изменения метеорологических факторов;

• биоклиматические коэффициенты для озимой пшеницы и ячменя в условиях лесостепной зоны Воронежской области.

Реализация результатов. Материалы и результаты исследований использованы в учебных курсах: я Мелиоративное земледелие», «Мелиорация», «Системный анализ и основы моделирования экосистем».

Апробации работы. Материалы диссертации докладывались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов ВГАУ в 2000-2004 гг., региональной конференции «Состояние и перспективы развития земледелия, агролесомелиорации н экономики землепользования в АПК ЦЧЗ» (НИИ сельского хозяйства Централь* но-Черноземной полосы мм. В.В. Докучаева) в 2004 г.

Практическая значимость

1. Полученные расчетные зависимости послойных влагозапасов могут быть использованы для прогноза динамики продуктивной влажности почвы.

2. Для определения волоиотребления в условиях лесостепной зоны Воронежской области рекомендуется использовать биоклиматический метод.

3. Полученные зональные биоклиматнческне коэффициенты могут быть использовали для ориентировочных расчетов водопотребления озимой пшеницы и ячменя а условиях лесостепной зоны Воронежской области.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, рекомендаций производству. Она изложена на 203 страницах машинописного текста. Включает 46 таблиц, 57 рисунков, 13 приложений. Список литературы состоит из 160 наименования, в том числе 5 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована акту альность темы, изложены цель и задачи исследования, научная новизна, апробация, реализация результатов и практическая значимость работы.

В первой главе «Динамика водных режимов агроэкосистем в условиях меняющегося климата» приведен литературный обзор по изменению клима-

та. Ученые разных стран мира иаблхчают тенденцию изменения климата к сторону повышения гемлерапуры во:1,)уха и увеличения атмосферных осадков (Вудыко М.И., Израэль Ю.Д., Бирман Б.А., Балашов Е.В., Гру»а Г.В.. Ранькова Э.Я., Яншин Л.Л. и др.). Высказываются различные мнения о причинах данных изменении, прогнозируются последствия, которые могут быть ори дальнейшем развитии этого явления, и как ото отразится на агроткоси-стемах. Приведены различные сценарии разшггия: изменение климата в сторону потепления приведет к снижению урожайности агро">косн<ггем; с увеличением увлажнения урожайность шро жосистем Судет повышаться; с увеличением увлажнения урожайность будет снижаться.

Изменение климата через водные режимы окажет существенное влияние на почвы. Изменение типа водного режима почв повлияет на пути развития черноземов и б первую очередь па плодородие, это отразится на водопо-треблении, которое играет важную роль в получении урожайности сельскохозяйственных культур.

Исследования А.А. Роде, В.В. Кшшакова, И.Г], Сухарева, И.И. Судни-цына, М.А. Козина, А.Н. Костикова. А.М. Алпатьева, В.П. Остапчика и других позволили получить расчетные методы определения вопопотребления. Исследованием вешопотребления сельскохозяйственных культур в ЦЧО занимались А.Н. Кирилина, Т.И. Мотуэок, А.Ю. Черсмисинов, СП. Бурлакнн. И. П. Земля пух и и, О.Г. Ревенков и другие.

На основании литературного обзора были сформулированы пели и задачи исследований.

Во второй главе «Природные условия Воронежской области и методика проведения исследований» представлены почвснно-климатнческие условия Воронежской области, метеорологические условия, сложившиеся в годы проведения исследования, схема опытов и методика проведения полевых исследований.

Исследования проводились в производственных условиях РПО «Полив» Новоусманского района Воронежской области на посевах зерновых

культур: озимой пшенице и ячменя в 1999-2001 гг. Почвенный покров опытною участка - чернозем выщелоченный среднесуглинистый.

Схема опытов предусматривает возможные сценарии развития изменений климата, учитывающие увеличение естественного увлажнения.

1. Агроэкосистема с естественным увлажнением (контроль);

2. Агроэкосистема с естественным увлажнением + ЫРК;

3. Агроэкосистема + ЫРК с увеличением водного баланса нормой (бОм'/га;

4. Агроэкосистема + ЫРК с увеличением водного баланса нормой 240 м'/га;

5. Агроэкосистема + ЫРК с увеличением волного баланса нормой 320 м'/га; 6 Агроэкосистема + ЫРК с увеличением водного баланса нормой 400 м!/га; 7. Агроэкосистема + ЫРК с увеличением волного баланса нормой 480 м'/га.

Опыты проводились на фойе вносимых в хозяйстве удобрений. Для исследования условий формирования водного режима в экосистемах с различной антропогенной нагрузкой была принята другая схема опытов:

1. Природная экосистема - залежь, занятая разнотравьем (отсутствие алтроногенной нагрузки);

2. Агроэкосистема в условиях естественного увлажнения + ЫРК;

3. А(роэкоснстема а условиях увеличенного увлажнения + ЫРК. На опытных полях провозились следующие наблюдения:

- за параметрами атмосферных явлений: температурой и влажностью воздуха, осадками, испарением, атмосферным давлением;

- за параметрами почвы; динамикой влажности почвы и температурой; поверхностным стоком.

- за параметрами растений: фазами развития растений, водонотребле-пнем, динамикой нарастания урожая.

Наблюдения за метеорологическими параметрами проводились в соответствии с «Наставлениями гидрометеорологическим станциям и постам».

Влажность почвы определялась термостагтно-весовым методом. Отборы почвенных образцов проводили через 10 дней с четырехкратной повтор-

костью и течение периода вегетации культур. Пробы отбирали почвенным буром до глубины НЮ см через каждые 10 см.

Недопотребление культур из расчетного слоя почвы определялось по уравнению полного баланса:

Е-ЛУнЛУк)- Р+М+\Усб где; К - водопотребление за декаду;

У/м - идагозапасы почвы в начале периода;

\Ук - нлагозаиасы почвы в конце периода;

Р - сумма осадков за исследуемый период;

М - норма дополнительного увлажнен)« нетто;

Wcб - поверхностный сток. Фенологические наблюдения и учет урожая проводились в соответствии с «Методикой нолевого опыта» Б.А, Доспехова.

Дополнительное увлажнение, имитирующее увеличение естественного увлажнения, производилось дождевальной машиной «Волжанкам.

Одними из основных факторов влияюших на формирование и динамику полных режимов опытных участков, а гакже на водопотребление сельскохозяйственных культур являются метеорологические условия в поды исследований. Диализ которых показал, что климатические условия в годы исследовании имели значительные различия. Сухим оказался вегетационный период 1999 года. 2000 год был влажным. Наиболее благоприятные условия для вегетации сельскохозяйственных культур сложились в 2001 году.

Для обрабогки, анализа и обобщения исходного материала использовались приемы теории вероятности, математической статистики. При расчетах широко применялся персональный компьютер.

В третьей главе «Результаты исследования» рассматриваются изменения основных климатических факторов: температуры иоздуха и атмосферных осадков в условиях лесостепной зоны Воронежской области.

Для анализа изменения температуры воздуха и выявления тенденций использовались следующие показатели: среднем жм «летня я суточная темпе-

ратура воздуха ча гол; среднем ного летня я суточная температура воздуха за вегетационный период.

Исследования изменения срел немного летней суточной температуры воздуха проводились по метеостанции Воронеж, Ряд наблюдений составил 61 год - с 1937 по 2001 гг., исключая годы с 1942 по 1945. когда наблюдения не проводились. Результаты статистической обработки значений срслнемно-голетней суточной температуры воздуха с использованием стандартной программы Excel, показывают, что за 61 год по метеостанции Воронеж эти значения колеблются в пределах от 3,7 до 9,3 *С. Средняя величина составляет 6,2 *С.

Распределение анализируемых данных по годам и линейный тренд представлены на рисунке 1.

10

8

a S б

ё а

і | +

1 і

* S 2

а **

& о

1935 1945 1955 1965 1973 19!5 1995 2005

Рис. 1 - Изменчивость среднемноголетней суточной температуры воздуха (метеостанция Воронеж)

На рисунке 1 видны колебания среднемноголетней температуры воздуха за исследуемый период по годам. Линия тренда, в целом, указывает на рост температуры воздуха с 5,7'С до 6,8*С,

Для сельского хозяйства важное значение имеет рассмотрение изменения данных метеорологических параметров за вегетационный период.

В зависимости от сельскохозяйственных культур вегетационные периоды могут быть длинным (апрель - сентябрь) н коротким (апрель - июль).

Проведен анализ ряда данных но среднем ного летней температуре ьоз-духа за исследуемый период (61 гад), и па рисунке 2 ірафи чески предстааде-ны ее колебания но і-одам за длинный и короткий периоды вегетации.

20 ■

& Я 16

3

14

* з а а

12

10

"I -у ^ ^у ■ »у

л*

1933 1945 1955 1<)65 - Короткий ряд

1975 1985 1995 •* *-• ДЛИННЫЙ ряд

:С05

Рис. 2 - Изменчивость среди ем ного летней температуры воздуха длинного и короткого вегетационных периодов (метеостанция Воронеж)

Как видно нз рисунка 2, данные за длинный вегетационный период имеют несколько больший размах колебаний, хотя очень точно повторяют динамику температур за короткий период. Лилейные линии тренда свидетельствуют об увеличении срелнемпоголстней суточной температуры с 14,9 "С до 15,7°С за короткий периоднс 15,0'С, до 15,7 °С за длинный период. Таким образом, вегетационные периоды сельскохозяйственных культур стали теплее на 0,8 и 0,7 °С соответственно.

Наиболее распространенным показателем, характеризующим потребности сельскохозяйственных культур в тепле, является сумма температур за веісгационньїй период. Анализ данных по среднем ного летней сумме температур показал, что она увеличилась за длинный вегетационный период па =160 "С, за короткий на =100 °С.

Увеличение температуры но)луха оказывает влияние на продолжительность вегетационного периода. Для анализа "этого положения было выбрало количество декад, когда суточная температура воздуха превышала

<-5°С. На рисунке 3 представлено изменение количества декад но юлам га период веіетании с апреля по сентябрь.

Рис. 3 - Динамика и тренд продолжительности вегетационных периодов (1\МХ) за 6! год наблюдений

Из рисунка 3 по линии тренда видко, что продолжительность вегетационного периода в среднем возрастает с 18,3 до 20 декад, что соответствует его увеличению за счет повышения температурь! воздуха примерно на 17 дней.

В целом, проведенный анализ температурного режима за 61 газ выявил тенденцию роста показателей теллообеспеченности в лесостепной зоне Воронежской области.

Помимо температурных характеристик важным фактором климата аг-роэкосистемы являются атмосферные осадки. Они оказывают большое влияние на рост и развитие растений и являются одним из важнейших элементов водного режима почв.

Основная характеристика количества атмосферных осадков - их годовая сумма. Анализ изменения величин годовых сумм осадков по метеостанции Воронеж был провезен за те же годы, что и по температуре воздуха. Результаты статистической обработки годовых сумм осадков показали, что они колеблются от 330 мм до 8-14 мм, при средней величине - 543 мм.

Для анализа изменения многолетних головых сумм осадкой построен график (рисунок 4).

—♦—Годовое -Линейный (Годовое )

Рис. 4 * Многолетняя изменчивости годовых сумм атмосферных осадков по данным Воронежской метеостанции

Из рисунка 4 видно, что годовые суммы осадков имеют колебательный характер, по общая тенденция (линейная линия тренда) свидетельствует об их увеличении за анализируемый период с 450 до 630 мм.

Был также проанализирован ряд данных по осадкам за короткий (IV-VII) и длинный (1У-ІХ) вегетационные периоды и построен график их динамики но годам (рисунок 5).

-Линейный (Длинный ряд ) ... Линейный (Короткий ряд^

Рис. 5 - Динамика осадков короткого и длинного вегетационных периодов

Из рисунка 5 видно, -по ири обшей схожести динамики выпадения осадков вегетационных периодов, все же наблюдаются различия за счет внутреннего перераспределения в течение вегетации. Вместе с тем линейный тренд свидетельствует о тенденции увеличения осадков в исследуемом периоде: за короткий вегетационный период они увеличились примерно с 180 мм до 250 мм, за длинный - с 270 мм до 380 мм.

В целом, проведенный анализ изменения количества осадков в условиях лесостепи Воронежской области за исследуемые гады показывает, что идет тенденция их увеличения: за короткий период вегетации количество их увеличилось на 70 мм, за длинный - на ПО мм.

Проведена опенка изменения климата исследуемой территории через гидротермический коэффициент Селянинова:

ГТК = -.

I

где: 10 - переводной коэффициент; IPj,-i., Zt^», - суммы осадков и температур за вегетационный период.

На рисунке 6 по результатам расчетов построен график колебаний гидротермического коэффициента за короткий и длинный вегетационные периоды в течение исследуемого ряда лет. Для отслеживания тенденций изменения ГПС на графике проведены линейные тренаы.

На рисунке 6 по линии тренда видно, что за анализируемый период ГТК возрос с 1,0 до 1,25 за короткий период вегетации и до 1,26 за длинный. Полученные данные по тепловлагообеспеченности хотя и находится в одном диапазоне (1,0-1,3) по шкале ГТК, но при этом происходит их перемещение от нижнего значения к верхнему.

Рис. 6 - График колебаний ГТК за короткий и длинный вегетационные периоды по метеостанции Воронеж

В целом, проведенные исследования показывают, что в шроклимате Воронежской области наблюдаются тенденции изменения в сторону потепления и увеличения влаги. В агроэкосистемах меняется тепловлагобаланс, что повлияет на водный режим почв, продолжительность вегетационного периода, водопопгребление, соргга и урожайность сельскохозяйственных культур, а также на технологию их возделывания.

В этих условиях необходимы изменения в агротехнологии, учитывающие да1шые изменения климата, а для стабилизации производства продукции афоэкосистемы необходимо использовать несколько сортов культуры, которые различаются между собой по засухоустойчивости и длине вегетационного периода. Возможно, что целесообразно использовать соргосмеси культур, что обеспечит эластичность агроненозов и меньшую вариабельность урожаев.

В четвертой главе «Ватные режимы почв шрожосистем» анализируется классификация типов водного режима почв по коэффициенту увлажнения (Высоцкого Г.Н.).

Характерной особенностью для черноземных почв лесостепной зоны в природных условиях является величина коэффициента увлажнения близкая к

единице, что определяет преобладание периодически i громы иного тина водного режима.

Большое влияние tía тип полного режима агроэкосистеч в условиях исследуемой территории оказывают климат, гранулометрический состав почвы, растительность, а также антрогкменная натрузка. Поэтому рассма1рн вались особенности волного режима ночи в условиях меняющегося а1роклнчага лесостепной зоны в различных по антропогенной нагрузке экосистемах (природной экосистеме, агроэкосистеме и атроокосистеме в условиях увеличенного увлажнения).

Для такого исследования были использованы мною лети не данные наблюдений кафедры мелиорации, проводимые на исследуемой территории. Из имеющегося ряда наблюдений были выбраны года соответствующие по годовым осадкам сухому, среднему и влажному. Из анализа данных по элементам волного режима в рассматриваемых экосистемах, следует, что самые низкие значения запасов продуктивной влаги в агроэкосиспсмс (АЭС). Более высокие значения соответствуют природной экосистеме (НЭ). Значительно большие продуктивные влагозапасы в агроэкосистеме в условиях увеличенного увлажнения (АЭС«-Увл.) (рисунок 7)

340 220 200 s ISO * 160 2 140

I

I 100

40 20 0

1Л 1Л N К к (ч г** í1* rs Г"! r^r-íf^'r^r— —

ГЦ — ГЦ — — Г« —> r-J ^ ÍN —rJr^h-^t^l4-«^^

— ГЧ — ГЦ ГЧ

YJ АЭС АЭС*-У дл

Рис. 7 - Продуктивные влагодапясы в слое 0-100 я условиях влажного гола

На основе проведенной) корреляционного анализа установлена послойная зависимость продуктивных влагозаласов почв в рассматриваемых экосистемах. Сильная связь наблюдалась между слоями внутри года по каждой -экосистеме, сильная н средняя - между слоями внутри года и между различными экосистемами, слабая между слоями в разные по увлажнению годы, даже в пределах одной экосистемы.

В голы исследования (1999 - 2001) проводились наблюдения за динамикой продуктивной влажности почвы в агроэкосисгемах озимой пшеницы и ячменя. Полученные данные были использованы в качестве исходных для математических моделей зависимости динамики влагозаласов в слоях 0-50 см и 0-100 см от слоя 0-20 см.

В качестве исходных данных взяты опытные значения продуктивной влаги в почве за 2000 и 2001 годы. Для получения математической модели ряды этих значений были ранжированы и проведен их корреляционный анализ. Полученные в результате этого коэффициенты корреляции свидетельствуют о сильной связи (0,88 - 0,97) между послойными влагозапасами почвы по каждой культуре, что дало основание построить.регрессионные модели динамики влагозаласов.

Таким образом, корреляционно-регрессионный анализ позволил получить математические зависимости динамики влагозаласов в слоях 0-50 см к 0-100 см, зная плато запасы в слое 0-20 см:

для слоя 0-100 см 1У®.|<х>**3,42-1><(^о+-24,20 \У0-,«)=2,75-Ь0.;:;'>-50)8:3

Все полученные модели проверены на сходимость по независимым данным за 1999 гол Оценка на сходимость проводилась по относительной ошибке (±Л), сравнением данных полевых опытов (Ч^н) и рассчитанных по полученным зависимостям (\Ур):

озимая пшеница для слоя 0-50 см \Уо-!а»=2,09-Ьо.~)","3,35

^Уо-я^З.ОЗ -^+8,45

ячмень

В целом относительные ошибки расчетных записи мое гей у шнмой пшеницы и ячменя не превышали 2(1 %, что » пределах точности приборного определения влапозапасов в почве (i 20%),

Полученные математические модели позволят, используя данный расчетный метод отслеживать динамику влажности почвы в слоях 0-50 см и 0-100 см, не прибегая к приборному определению влашзапасов, что значительно упростит, удешевит и облегчит наблюдения за влажностью почвы.

Кроме того дана оценка водного режима почв а условиях увеличения естественной влагообеспечениости лесостепной зоны Воронежской области по коэффициенту увлажнения (Ку). Для установления его изменений проводились исследования согласно схеме опъгюя. которая предусматривает сценарии развития изменения климата в сторону увеличения увлажнения.

На рисунке 8 представлены соотношение между приходом и расходом иолы в почве н полученные коэффициенты увлажнения за исследуемые годы (1999-2001) на примере озимой пшеницы.

г 450

® 400

§ 350

2 300

3 250

| :оо

х ISO

0,5 0,5 0,6 0.6 0,7 0,7 0,ї 0,8 0,9 0,9 1 1,0 1,1 1,1 1,2 ІД 1,3 5 5 5 5 5 5 5 5

Коэффициент увлаж кеки я почвы * Приход воды, мм • Расход волы, мм — — Линейны» (1'асход возы, мм ) -Линейный (Приход воды, им)

Рис. 8 - Распределение прихода и расхода воды в разные по увлажнению исследуемые годы.

Из рисунка К по линейным линиям тренда видно, что величина расхода волы пз почвы практически не изменяется, а величина поступлення воды в

почву - увеличивается. В сухие голы приход воды меньше расхода, коэффициент увлажнения почвы колеблется от 0,55 до 0,7, что соответствует ненро-мывному типу водного режима. В средние по увлажнению годы приход воды равен расходу, коэффициент увлажнения = I, что соответствует периодически промывному типу водного режима почв. В условиях увеличения увлажнения превышение прихода воды над расходом дает коэффициент увлажнения больше 1, что свидетельствует о преобладании промывного водного режима почв. Таким образом, увеличение увлажнения может привести к замене водного режима на промывной, что вызовет кризис черноземов.

В пятой главе «Урожайность и водные режимы агроэкосистемы в условиях меняющегося климата». Изменение водного режима почвы в условиях увеличения естественного увлажнения окажет влияние и на водопохреб-ление сельскохозяйственных культур. В наших исследованиях расчет суммарного водопотреблення озимой пшеницы проводился по методу водного баланса. Полученные величины водопотреблення за исследуемые годы по вариантам опыта колеблются от 2249 м'/га до 3750 м'/га. Они также показали, что с увеличением ^увлажнения почвы водо потреблен не и урожайность озимой пшеницы повышаются до определенного предела. Коэффициенты водопотреблення при этом - уменьшаются. Наглядно это представлено на рисунке 9.

800 --

400 4-1-1-----1-1-1-1-.-.

2000 2:00 1400 2600 2800 ЗООО М00 3400 ЗШ 3800 4000

Водопотрейление, м'/га Рис. 9 - Коэффициенты водопотреблення озимой пшеницы в 1999-2001 гг. Таким образом, в наших условиях для черноземных почв и рассматриваемой культуры предельное значение величины водопотреблення

=3400 м'/га, которая соответствует максимальной урожайности. Дальнейшее увеличение водо потребления приведет к повышению Кв, непродуктивному использованию вла« и и снижению урожайности.

На величину воло потребления большое влияние оказывают климатические условия.

Проведенные исследования влияния основных метеорологических характеристик: температуры воздуха (0. температуры почвы на глубине 5 см, 10 см, 15 см, осадков (Р), относительной влажности воздуха (0, давления (Р). дефицита влажности воздуха (*1) на величину вод (Употребления (В) на примере озимой пшеницы, показали, что наиболее существенными факторами, влияющими на водоиогребление, являются дефицит влажности воздуха и температура 5-10 см слоя почвы. Это свидетельствует о возможности использования для определения водопотребления сельскохозяйственных культур расчетного биоклиматического метода, который учитывает эти параметры.

Для применения этого метода необходимы зональные бноклиматичс-ские коэффициенты (Ке), определяемые по формуле:

К^Е/Ы,

где В - водопотреблсиие за декаду; ЗУ - сумма дефицитов влажности воздуха за этот же период.

Для получения Кб использована методика, разработанная институтом УкрНИИГиМ.

Вычисленные декадные значения К^, были нрнпязаиы от всходов (ячмень) или возобновления вегетации (озимая пшеница) к декадам роста растений. В каждой декаде было получено от 19 до 21 значения биокл и маги ческах коэффициентов для каждой культуры. Затем бноклиматические коэффициенты для каждой культуры были нанесены в віте точек на график и методом наименьших квадрагов получены плавные кривые линии - осредненкые биологические кривые вадо потребления, по которым определялись осрелненные биоклиматические коэффициенты (їм). соответствующие наступлению ос-

новных фаз развития озимой пшеницы и ячменя. Полученные К6 представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Осрсдненные биоклиматические коэффициенты

Декады от начала вегетации Биоклиматические коэффициенты

озимая пшенииа ячмень

1 0,53 0,27

2 0,53 0,32

3 0,53 0,37

4 0,51 0,43

5 0,49 0,47

6 0,44 0,43

7 0,41 0,37

В 0,37 0,35

9 031 0,25

10 0,29 0,23

11 0,27

Полученные значения К« были проверены по независимым данным за 2001 г. Результаты проверки показали, что средние относительные ошибки лежат в пределах 20 %.

Таким образом, проверенный биокл имати чески й метод с учетом полученных биоклиматических козффицнеотов, может использоваться для ориентировочных расчетов водопотребления озимой лшенииы и ячменя в условиях лесостепной зоны Воронежской области.

Кроме того, рассмотрено влияние увеличения естественного увлажнения почвы на изменение урожайности озимой лшенииы. В таблице 2 прея-ставлены изменения уровней увлажнения почвы н урожайности озимой пшеницы но вариантам опыта за исследуемые 1999-2001 годы.

Таблица 2 — Уровни увлажнения почвы и урожайность озимой пшеницы за толы исследования

Показатели 1999 год Варианты опытов но принятой схеме

1 | 2 | 3 | 4 | 5 : А '| 7

Уровень увлаж-1 нения, % НВ 1 73.0 82,8 83,5 84,7 85.2 86,7

Суммарное водо- ^49 потреб., м'/га ) 2616 2734 2889 3079 3199 3375

Урожай, т/га | 3,46 4,24 5,11 5,37 5,81 Г 6,07 5,73

2000 год

Уровень унлаж-; „ нения, %НВ 81,7 87,1 87,3 88,1 89.8 91,2

Суммарное водо-1 ^^^ потреб., м'/га | 2554 2691 2892 3274 3381 3295

Урожай, т/га } 3,36 3,34 4,16 4,82 6,04 6.38 5,75

2001 год

Уровень увлажнения, % НВ 74,2 75,1 «4,8 84,3 85,3 85,6 87,3

Суммарное водо-потрсб., м5/га 2400 2380 2665 2997 3247 3577 3750

Урожай, т/га 3,53 3,76 4,76 5,90 6,13 7,00 6,23

Из таблицы 2 видно, что п целом за исследуемые соды с увеличением влаги наблюдается рост урожайности озимой пшеницы, кроме значений на последнем варианте, А также урожайность 2000 года ниже урожаНностн 1999 и 2001 гг., несмотря на более высокие уровни увлажнения. Это говорит о том, что с увеличением увлажнения почвы продуктивность агроэкосистемы увеличивается до определенного предела и при дальнейшем увеличении влажности начинает снижаться. !>го можно объяснить нарушением оптимального водно-воздушного режима почвы. Чрезмерное увлажнение препятствует доступу кислорода к корневой системе растений, способствует вымыванию питательных псшеств из почвы, а так же другие негативные процессы, происходящие в почве при переувлажнении, в конечном итоге приводят к снижению урожайности.

В целом, повышение естественного увлажнения изменит условия развития черноземных почв Воронежской области, и в свою очередь это отразится на урожайности сельскохозяйственных культур.

Для проведения такого исследования были выбраны значения из рада данных затри года(1999-2001) по величине Ку, соответствуюшие различным типам водного режима (таблица 3, рисунок 10}.

Таблица 3 — Изменение урожайность озимой пшеницы в зависимости от коэффициентов увлажнения почвы

Ку почвы Приход воды, мм Расход воды, мм Урожай, т/га

0,5 142 235 3,46

0,75 238 329,3 5,73

і 358 357,9 7,0

1,25 415 337,5 5,75

"5

Коэффициент увлажнения —■—Приход воды, мм - - * - - Расход волы, ми —•—Урожай

Рис. 10 - Влияние прихода и расхода воды в почве на урожайность озимой пшеницы

Из рисунка 10 видно, что при принятой технологии выращивания сельскохозяйственных культур максимальная урожайность озимой пшеницы (7,0 т/га) получена при Ку - 1 (расход воды соответствует приходу). Дальнейшее увеличение прихода воды сокращает урожайность за счет ухудшения воз-

душною режима почвы. Очевидно, необходимо изменение агротехпологии и сортов культур, а также увеличение доз внесения удобрении.

Проследим изменения полного режима в зависимости от уровней увлажнения почвы (таблица 4).

Таблица 4 - Водный баланс эд-ро экосистемы при разных уровнях увлажнения

Статьи баланса Водные балансы вегсгаяпонных периодов «о коэффициентам увлажнения почвы:

Ку=0,56 Ку=1,00 Ку=1,23

мм % мм % мм ! %

Осадки 142 27,8 238 ~ Î2Ô 50 271 50

Дополнит, увлажнен. - 144

Вол он о греблен ие 255 50,0 358 50 337 J 40,6

Влагозапасы в почве -ИЗ 22,2 0 0 78 j 9,4

Всего в балансе 510 100 716 100 830 | 100

Из таблицы видно, что при Ку=0,56 - расход превышает приход воды в почву на 22,2 %. Это говорит о складывающемся непромыпном тине водною режима.

При естественном увлажнении, когда Ку=1,0 - приход и расход воды равны и составляют 358 мм, это соответствует периодически промывному типу водного режима, который и характерен для черноземной почвы лесостепной зоны.

При увеличении естественного увлажнения, когда Ку= 1,23 - поступление воды в почву больше расхода на 9,4 что говорит о складывающемся промывном типе водного режима.

В целом, в условиях меняющегося климата тип водного режима будет изменяться от непрерывного к промывному. Это способствует увеличению урожайности озимой пшеницы в лесостепи Воронежской области, но до определенного предела (Е = 3400 м\'га).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. В результате исследований в условиях лесостепной зоны Воронежской области за последний 61 год установлено увеличение роста количества атмосферных осадков на 180 мм или в 1,4 раза. Средняя суточная температура ведцуха увеличилась на 1,1 °С »ли в 1,2 раза. Интенсивность роста атмосферных осадков опережает интенсивность роста температуры воздуха, что свидетельствует об увеличении влагообеспеченности территории.

2, Исследования показали, что а результате увеличения теплообеспе-ченносги вететаиионного периода его продолжительность возрастет на 17 дней.

Направление тепловлагообеспеченности лесостепной зоны в целом меняется. Гидротермическнй коэффициент вегетационного периода возрос от 1,0 до 1,26 - произошло перемещение от нижнего значения к верхнему в диапазоне 1,0-1,3 по шкале ГТК. Это свидетельствует об изменении водного режима почв.

4. Из анализа данных по запасам продуктивной влаги-в экосистемах с различной антропогенной нагрузкой (природной экосистеме, агроэкосистеме и агроэкосистеме в условиях увеличенного увлажнения) следует, что наиболее низкие значения продуктивных влагозал асов соответствуют агроэкосистеме, динамика более высоких значений соответствует природной экосистеме, и значительно большие значения соответствуют агроокосистеме в условиях увеличенного увлажнения.

5. Исследованиями установлено колебание коэффициента увлажнения почв от 0,5 до 1,25, что приводит к изменению типа водного режима агроэко-снстсм от непромывного к промывному. В целом, повышенное увлажнение изменит условия развития черноземных почв Воронежской области.

6. В результате исследований установлено, что водопотребление озимой пшеницы в условиях лесостепной зоны Воронежской области тесно связано с дефицитом влажности воздуха и температурой почвы. Анализ расчетных ме-

годов определения водопо гребле и ия покажи, что 'наиболее приемлемым для условий Воронежской области является биоклиматичсский метод расчета.

7, Для определения ьидопотреблення озимой пшеницы и ячменя расчетным методом подучены ¡опальные биоклиматические коэффициенты (К6).

8, В целом повышение естественного увлажнения и температуры воздуха в условиях лесостепи воронежской области способствуют увеличению использования КПД ФАР в 1,7-2 раза, что соответствует повышению урожайности озимой пшеницы, но, как показали исследования, до определенного предела (Е=3400 м'/га) на фоне внесенных удобрений. Дальнейшее увеличение увлажнения будет приводит!, к ухудшению условий для почвы (промывной режим) и для растений (снижение урожайности).

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

1. В условиях меняющегося климата лесостепной зоны Воронежской области необходимы изменения в агротехнике выращивания сельскохозяйственных культур, учитывающие изменение климата в направлении увеличения увлажнения, и сортах. Целесообразно использовать несколько сортов культуры, которые различаются между собой по засухоустойчивости и длине вегетационного периода,

2. Для ориентировочного определения влажности почвы в слоях 0-50 и 0-100 см на основе слоя 0-20 см можно использовать получены математические модели, которые получены на основании послойной зависимости почвенных влаюзаласов.

3, Рекомендован для определения недопотребления основных зерновых культур в условиях лесостепной зоны Воронежской области расчетные! биоклиматический метод с испол1лованием полученных зональных биокл и магических коэффициентов.

Список опубликованных работ по теме:

(. Черемисинов А.Ю, Исследовательские функции водных балансов в мониторинге земель / АЛО. Черемисинов, И.П. Землянухин, С.П. Бурлакин, Г.А. Радцевич // Научные основы повышения устойчивости современного земледелия. - Воронеж, 2002. - С. 204-210.

2. Черемнсинова НА. Антропогенные нагрузки на агроландшафты и их мониторинг / H.A. Черемнсинова, Г.А. Радиевич, Г.Г. Тарзбрина // Итоги научно-исследовательских работ агрономического факультета. - Воронеж, 2004. — С, 161-166.

3. Радиевич Г.А. Модель послойной динамики продуктивных влагоза-ласов под зерновыми культурами / P.A. Радцевич, А.Ю. Черемисинов И Повышение урожайности полевых культур в ЦЧР. - Воронеж, 2004.-С. 22-25.

4. Радцевич ГЛ. Изменение агроклимата лесостепной зоны Воронежской области за последнее время / Г.А. Радцевич, А.Ю. Черемисинов // Состояние и перспективы развития земледелия, агролесомелиорации и экономики землепользования в АПК ЦЧЗ. - Каменная Степь, 2004. - С. 71-75.

Подписано в печать 22.11.2004 г. Формат 60x80V]6 Бумага кн.-журн. Пл. 1,0. Гарнитура Тайме. Тираж 100 экз. Заказ № 2541

Воронежский государственный аграрный университет им. К.Д. Глинки Типография В ГА У 394087, Воронеж, ул. Мичурина, 1

№26088