Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Некоторые характеристики современного климата 6
Глава 2. Объекты и методы исследований
2.1. Объекты и экологические условия региона исследований 15
2.2. Общая характеристика метеостанций 32
2.3. Методы исследований 38
Глава 3. Региональные изменения термических условий
3.1. Изменения средних сезонной и годовой температур воздуха 44
3.2. Динамика термических ресурсов вегетационного периода 60
3.3. Изменения температуры воздуха за основную часть вегетационного периода 64
3.4. Продолжительность периода активной вегетации и сумма активных температур 65
Глава 4. Региональные изменения атмосферных осадков
4.1. Динамика среднегодовых и среднесезонных сумм осадков 73
4.2. Динамика осадков за вегетационный период 85
4.3. Динамика осадков за основную часть вегетационного периода 87 Глава 5. Зависимость продуктивности агроценозов от агроклиматических
условий 91
Практические рекомендации 105
Выводы 106
Литература 108
Приложения 124
- Некоторые характеристики современного климата
- Объекты и экологические условия региона исследований
- Изменения средних сезонной и годовой температур воздуха
Введение к работе
Актуальность исследований определяется важнейшей (планетарной) ролью агроклиматических ресурсов в продукционном процессе на Земле и непосредственно связана с проблемой глобального потепления климата Средняя годовая температура воздуха увеличилась за прошедшее столетие примерно на 0,6С (Яншин, Будыко, Израэль, 2001) В течение нескольких десятилетий іекушего столетия прогнозируется повышение средней температуры на 1-3,5С (Second Assessment Climate Change, 1995). Потепление климата окажет значительное воздейсгвие на условия среды обитания, обеспечивающие и лимитирующие функционирование естественных и антропогенных систем Потепление приведет к изменению продуктивности растений, втчи сельскохозяйственных, и осложнит режим природопользования Поэтому проблеме глобального потепления климаїа с его негативными последствиями уделяется большое внимание, что провело к созданию Рамочной конвенции ООН об изменении климата (1992 г )
Для уточнения реальных оценок современных тенденций изменения климата необходимы региональные исследования К настоящему времени выявлены некоторые пространственно-временные тенденции динамики климата, указывающие на повышение средних годовых температур в ряде реї ионов России (Кабанов, 1997). Пространственно-временные изменения климатических показателей юга Средней Сибири, в пределах Южно-Минусинской котловины, изучены недостаточно Получение региональных оценок этих показателей будет способствовать увеличению базы данных для характеристики климатоэкологического состояния среды обитания (Буфал, Густокашина, Трофимова, 2003) и для прогнозов изменений локального климага территории под влиянием естественных и антропоіенньїх факторов
Земледельческая территория Южно-Минусинской котловины в границах Республики Хакасия занимает важное место в агропромышленном производстве. Изменение продуктивности основных сельскохозяйственных культур с учетом возможных региональных изменений климата в разных ландшафтно-климатических зонах должно быть изучено на выявленных за прошлые годы связях между урожайностью и агроклиматическими показателями. Цель - анализ пространственно-временных изменений агроклиматических показателей на территории Южно-Минусинской котловины в границах Хакасии Основные задачи:
1 Сформировать банк данных как основу для ведения агроклиматического мониторинга.
2. Получить количественные оценки изменений термических условий 3 Определить количественные опенки изменений среднегодовых, среднесезон-ных и за вегетационный период сумм осадков
4. Оценить скорость изменений основных агроклиматических показателей. 5 Выявить основные агроклиматические переменные, влияющие на изменчивость продуктивности сельскохозяйственных культур (на примере зерновых) Научная новизна На основе обобщения большого массива данных (1941-2000 гг) представлена оценка состояния, динамики и прогноза изменений агроклиматических ресурсов на территории Южно-Минусинской котловины в границах Хакасии Показано устойчивое повышение среднегодовой температуры воздуха со скоростью 0,02С/год в степи и лесостепи и 0,04С/год в сухой степи Обнаружены тенденции увеличения осадков в третьем 20-летии (1981-2000 гг) периода исследований Получены новые материалы, выявившие влияние агроклиматиче-
ских показателей (сумма осадков основной части вегетационного периода, средняя температура всего и основной части вегетационного периода) на урожайность зерновых культур в условиях региона
Практическая значимость работы состоит в возможности использования созданного банка данных в качестве основы для ведения агроклиматического мониторинга, для моделирования пространственно-временной динамики агроклиматических показателей и их отклика на антропогенные воздействия. Результаты исследований могут учитываться при организации и планировании сельскохозяйственных мероприятий подбор сортов полевых культур, агротехника и т.п. Созданная модель зависимости урожайности зерновых культур от основных агроклиматических показателей может использоваться для прогнозных целей. Материалы исследований применяются в учебном процессе Хакасского государственного университета им Н Ф Катанова по курсам «Агрометеорология», «Агроэкология» и «Охрана окружающей и природной среды». Защищаемые положения:
-
На территории Южно-Минусинской котловины за период 1941-2000 гг наблюдается устойчивое повышение среднегодовой температуры воздуха за счет зимних сезонов со скоростью 0,06 С/год.
-
Тенденции увеличения осадков осенью, зимой и весной отмечаются в лесостепной, степной и сухостепной зонах, летом - в степи и лесостепи Южно-Минусинской КОТЛОВИНЬ!
3. Количество осадков основной части вегетационного периода оказывает влияние на продуктивность зерновых культур в сухостепи, термические условия - в степи и лесостепи Статистическая модель описывает экспоненциальную зависимость урожайности зерновых культур от основных агроклиматических показателей в сухостепной зоне Южно-Минусинской котловины
Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ- 1 статья, 6 материалов научных конференций и школ, I тезисы научной конференции Основные материалы исследований доложены и обсуждены на Международной конференции по фундаментальным наукам «Ломоносов-2003» (Москва, МГУ, 2003); IV Съезде Докучаевского общества почвоведов (Новосибирск, 2004); Третьей Научной Школе «Болота и биосфера» (Томск, Томский государственный педагогический университет, 2004), Международной научно-практической конференции «Современные исследования в физико-математических науках» (Петропавловск, Северо-Казахстанский университет им М. Козыбаева, 2004); Международной научной-практической школы-конференции «Экология Южной Сибири и сопредельных территорий» (Абакан, Хакасский государственный университет им Н Ф Катанова, 2004), III Всероссийской научной конференции «Современные проблемы почвоведения Сибири и оценки земель Сибири» (Томск, Томский государственный университет, 2005), научных семинарах кафедры земледелия Хакасскою государственного университета им Н Ф. Катанова (п Зеленое, 2002-2005) и кафедры почвоведения и агрохимии Красноярского государственного аграрного университета (Красноярск, 2005).
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 145 страницах компьютерного набора, состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка и приложения. Содержит 21 таблицу и 22 рисунка. Библиографический список включает 171 источник, из них 10 на иностранных языках.
Некоторые характеристики современного климата
Климатические условия оказывали воздействия на жизнь и деятельность человека с первых этапов его существования. В процессе эволюции планеты Земля эти условия постоянно изменялись. В последние годы проблема изменения климата вызывает особый интерес у специалистов из разных областей науки и техники. Основная причина заключается в том, что различные стороны жизни и деятельности общества существенно зависят от состояния окрзткающей среды и тенденций ее развития (Глобальные..., 1998; Региональный..., 2000; Агроэкология, 2000; Лесные экосистемы..., 2002; Ипполитов, Кабанов, 2004).
Понятие «климат» имеет длительную эволюцию. Этот процесс продолжается и в настоящее время. Основателем климатологии в России был великий русский географ и климатолог А. И. Воейков. В своем классическом труде «Климаты Земного шара, в особенности России» А. И. Воейков (1884) дал первое и глубокое по содержанию описание климатов земного шара. Дж. Ацци (1959) считает, что «...схематически климат можно изобразить посредством частоты благоприятных (нормальных) и неблагоприятных ситуаций, при помощи показателей избытка и недостатка тепла и осадков» (с. 33). Лишь в 70-е годы дано определение понятия климата как совокупности статистических свойств климатической системы за достаточно длительный, но ограниченный (10-30 лет) промежуток времени (Борисенков, 1982). Прогноз состояния климатической системы Земли является насущной задачей человечества. Имеется несколько современных определений климата, в которых основным результатом взаимодействия всех компонентов климатической системы называется погода. Например, Ю.Г. Мизун (1986) определяет климат так: «...это усредненная за 20 лет погода. Если такая средняя за 20 лет погода (т.е. климат) отличается от таковой средней погоды за другие 20 лет, то говорят об изменении климата» (с. 83).
Среди многочисленных параметров климата обычно выделяются ключевые, несущие наибольшую информацию о тенденциях его изменений во времени и пространстве. Чаще всего при этом используются разнообразные показатели температуры приземного слоя воздуха и атмосферных осадков (Буфал, Густапгкова, Трофимова, 2003).
Выявлению изменений климата в различных регионах мира посвящено большое количество научных исследований. Наиболее часто динамику климата связывают с долговременным изменением полей температуры. На основе материала, накопленного за многие десятилетия, изменения термического режима достаточно широко изучены отечественными и зарубежными авторами: М.И. Будыко (1972, 1974), Е.С. Рубинштейном (1973), Г.В. Груза, Э.Е. Раньковой (1980, 1989), К.Я. Винниковым (1985), М.И. Будыко, Ю.А. Израэлем, М.С. Маккракена (1991), К.Я. Кондратьевым (1992), Клименко (1992), Е.С. Петровым (1994), N. Tsuyoshi, Y. Ian (1993), R. von Hans (1993), D. Parker, P. Jones, С Follang (1994) и др.
Отечественными учеными представлены изменения средней температуры воздуха с 1881 по 1988 гг. по отдельным полушариям и по земному шару в целом. Получены характеристики линейного тренда глобально осредненной приземной температуры воздуха, скорость изменения которой составила 0,4 - 0,5С/100лет, т.е. на земном шаре в последнее столетие происходит глобальное потепление (Винников, Гройсман, Лугина и др., 1987; Борисенков, Кондратьев, 1988; Будыко, Израэль, Маккракена и др., 1991; Будыко, Ефимова, Лугина, 1993). Аналогичные данные приведены в работах зарубежных авторов, где показано, что скорость изменения температуры внутри столетнего периода неоднократно изменялась (Ian, Kenkyujiho, 1992; Tsuyoshi, Yan, 1993).
Процесс роста температуры начался в конце XIX в., ускорился в 10-е гг. XX столетия и достиг максимума к 30-м гг., когда повышение средней температуры воздуха составило около 0,6С по сравнению с концом XIX века. В 1940-е гг. процесс потепления сменился похолоданием, которое было довольно медленным и не достигло масштабов предшествующего ему потепления (Борзенкова, Винников, 1976; Винников, Груза, Захаров и др., . 1980; Будыко, 1980; Кондратьев, 1992; Клименко, 1992). Дальнейшее изучение изменении средней температуры воздуха показало, что в середине 60-х гг. похолодание вновь сменилось потеплением, средняя глобальная температура к концу 1980 гг. стала на 0,25С выше, чем за 1970-е гг. Е.П. Борисенков, К.Я. Кондратьев (1988), М.И. Будыко, Ю.А. Израэль, М.С. Маккракена (1991) отметили в середине 1980-х гг. некоторое похолодание, сменившееся в дальнейшем ростом средней температуры воздуха. Согласно материалам Британской метеорологической службы (Monastersky, 1995), средняя глобальная температура в 1994 году была выше нормы, рассчитанной за период с 1951 - 1980 гг. на 0,31 С. За последние 200 лет 1994 год отмечен как один из самых теплых, наряду с 1990- 1991 гг.
Объекты и экологические условия региона исследований
Объектом наших исследований явились агроклиматические показатели метеостанций, типичных для сухостепной (ст. Хакасская), степной (ст. Бея) и лесостепной (ст. Таштып) ландшафтно-климатических зон. Выделение ландшафтно-климатической зоны сухосгепи определено значением индекса сухости (2,3)- Совпадение максимума .осадков и высоких температур обуславливает здесь интенсивное испарение с поверхности почвы, что позволяет охарактеризовать данную территорию как слабоувлажненную, периодически подвергающуюся засухе (Лысанова, 2001), В степи и лесостепи значение индекса сухости составляет 1,6 и 1,4 соответственно. Данные метеостанции находятся на территории республики Хакасия и удалены от г. Абакана на 10 км, 83 км, 145 км соответственно (рисі). Геоморфологическая область расположения этих зон — Южно-Минусинская котловина. В плане она имеет вид неправильной трапеции, нижняя сторона которой вытянута с запада — юго-запада на восток - северо-восток более чем на 200 км, а верхняя почти в 2 раза короче; ширина (высота) трапеции около 100 км (Ресурсы..., 1973).
Южно-Минусинская котловина образует южную часть межгорной Минусинской впадины (Советский..., 1984). С запада границей Минусинской впадины является хребет Кузнецкий Алатау, вытянутый в северо-западном направлении, а с юга она ограничена Западно-Саянской горной системой, расчлененной долинами рек на несколько узких, довольно высоких горных цепей, которые возвышаются на стыке с Алтаем до 3000 м и более. С Алтайскими горами он соединяется Абаканским хребтом. Высоты Абаканского хребта и Кузнецкого Алатау составляют около 1400 - 2100 м. С севера границей впадины является невысокий горный хребет Батеневский кряж (отрог Кузнецкого Алатау). Другой его отрог -Солгонский кряж - соединяется с Восточным Саяном .
Минусинская впадина, наряду с Салаиро-Кузнецкой, Западным Саяном и Восточным Саяном, образуют 4 провинции, составляющие Алтае-Саянскую горную страну (Михайлов, 1961).
В целом следует отметить, что природе Южно-Минусинской котловины присуще разнообразие физико-географических условий. Оно не бессистемно в пространстве, а упорядочено в систему своеобразной зональности, которая и представляет ведущую закономерность в распределении тех или иных компонентов природы и, естественно, экзогенных рельефообразующих процессов (Рашба, 1973). Рельеф. Минусинская впадина тектонически представляет собой прогиб. Это крупная, ярко выраженная наложенная структура, сформированная на нижнепалеозойском складчатом основании внутри салаирских складчатых сооружений Кузнецкого Алатау и Восточного Саяна (Лучицкий, 1960). На нижнепалеозойском складчатом основании залегают красноцветные толщи средневерхнепалеозойского осадочного чехла (Моссаковский, 1963). Породы его представлены терригеновыми карбонатными и угленосными отложениями мощностью в 6-7 км, которые дислоцированы и образуют синклинальные прогибы и антиклинальные поднятия, мульды и купола. На породах осадочного чехла залегает кора выветривания мелпалеогенового возраста (Растворова, Добродеев, 1968), которая в значительной степени разрушена процессами денудации или перекрыта значительно более поздними отложениями. Минусинская впадина разделена субширотными хребтами (Саксар, Коссинский, Батеневский) на котловины: собственно Южно-Минусинскую котловину в центре, небольшую Сыдо-Ербинскую несколько севернее первой и Чулымо-Енисейскую на северо-востоке (Зятькова, Раковец, 1969).
Изменения средних сезонной и годовой температур воздуха
Температура воздуха является одной из основных термодинамических характеристик его состояния (Хромов, Мамонтова, 1974). Температура воздуха - температура, показываемая термометром в условиях его полного теплового контакта с атмосферным воздухом. При сетевых метеорологических наблюдениях за температуру воздуха у земной поверхности принимается температура, измеренная термометром, установленным на высоте 2 метра над поверхностью почвы вдали от жилых помещений, защищенным от действия прямой солнечной радиации и хорошо вентилируемым. Практически для этого применяется сухой психрометрический термометр Августа в психрометрической будке (Наставление..., 1985). Наблюдения за температурным режимом очень важны для своевременного учета и правильного использования термических ресурсов в сельскохозяйственном производстве, а также для определения географического распределения растений исследуемой территории. Температура воздуха определяет скорость развития растений, влияет на интенсивность фотосинтеза, дыхания, транспирации (Куперман, Чирков, 1970).
Исследования изменений термического режима климата подтверждают глобальное потепление у поверхности Земли. Такие изменения температуры могут привести к изменениям во всех компонентах климатической системы и оказать серьезное влияние на различные стороны жизнедеятельности человека. Но на более коротких временных интервалах в различные сезоны и в различных регионах наблюдаются отклонения от основной тенденции. Поэтому для характеристики термического режима исследуемого региона нами используются не только среднегодовые температуры, но и обработана среднемесячная информация по сезонам, за которые приняты: зима - с ноября предшествующего по март текущего года, весна — с апреля по май, лето - с июня по август и осень - с сентября по октябрь.
Рассмотрим вначале изменения среднегодовой температуры воздуха в ландшафтно - климатических зонах Южно-Минусинской котловины.
Наиболее высокие среднегодовые температуры воздуха наблюдаются в степи за счет уменьшения континентальности климата и особенностей рельефа. На исследуемой территории за пределы среди еквадратического отклонения от средней многолетней годовой температуры вышли 22 случая (Приложение 1).
Приведенные выше сведения показывают, что в многолетнем ходе температура испытывает заметные колебания. Это затрудняет возможность оценить изменение климата во времени. Исходя из определения климата, как усредненной за 20 лет погоды (Миз) н, 1986), мы разбили весь исследуемый период на 20-летия и проследили его изменения.
В сухой степи среднегодовая температура воздуха за исследуемый 60-летний период составила 0,9С (табл. 2). В рассмотренных 20-летиях четко выражено среднегодовое повышение температуры воздуха от ОД С в период с 1941-1960 гг. до 1,7С в период с 1981-2000 гг. Однако наибольший рост среднегодовой температуры наблюдался во втором 20-летии.
Наиболее холодным был период с 1941 - 1960 гг., отрицательные значения среднегодовых температур наблюдались здесь 8 раз ( см. рис.7), в это же время было зафиксировано самое низкое значение среднегодовой температуры за 60 лет (-1,6С, ст. Хакасская, 1947г.). С 1981-2000 гг. отрицательное значение среднегодовой температуры наблюдалось один раз (-ОД С, ст. Хакасская, 1984 г.). В течение этого времени было отмечено самое высокое положительное значение среднегодовой температуры за 60 лет (3,0С, ст. Хакасская, 1997г.).
Самая высокая среднегодовая температура воздуха за исследуемый 60-летний период была отмечена в степи (ст. Бея). И она оказалась равной 1,7С, в то время как в лесостепи ее значение составило только 0,6С. Изменение среднегодовых значений температур воздуха по 20-летиям в степи подобно В лесостепной ландшафтно-климатической зоне тенденция роста среднегодовой температуры воздуха несколько меньше, чем в сухостепной. Средняя годовая температура воздуха в первом 20-летии (1941-1960 гг.) в лесостепи и сухой степи совпала и составила 0,1 С, но в третьем 20-летии в сухой степи она достигла уже 1,7С, тогда как в лесостепной ландшафтно-климатической зоне ее значение составило 1,1 С.
Средняя арифметическая (X), получаемая в результате статистической обработки, дает первое обобщенное представление о совокупности изучаемых объектов. В ней снята всякая вариация, устранены все различия отдельных значений. Это - центр, около которого происходит варьирование изучаемого признака (Доспехов, 1985). Для того, чтобы определить «рассеяние», размах исследуемой статистической величины, нами вычислены дисперсия, среднеквадратическое (стандартное) отклонение, доверительный интервал среднего значения.
Величина стандартного отклонения среднегодовых температур воздуха в ландшафтно-климатических зонах региона колеблется от 0,52 до 1,06С. Наиболее значительный разброс среднегодовой температуры наблюдается в сухой степи, особенно в период с 1981 по 2000 гг. В степной и лесостепной зонах величина стандартного отклонения изменяется по-другому: максимальное ее значение приходится на период с 1961 по 1980 гг. и колеблется от 0,90 до 0,92С.
Поскольку наиболее ярко эта черта климата проявляется в годовой амплитуде температур, т.е. в разнице между наиболее теплым (июль) и наиболее холодным (январь) месяцами года (Шубаев, 1977), то на рисунке ї видно, что наибольшую континентальность имеет климат сухостепной ландшафтно-климатической зоны.
Для уточнения характеристики термического режима исследуемой территории обратимся к среднемесячной информации температуры воздуха за 60-летний период по сезонам года (табл. 3). Зимний характер атмосферной циркуляции в Южно-Минусинской котловине устанавливается с ноября и сохраняется по март. Средняя многолетняя температура воздуха зимнего периода составила -12,6С. Самые низкие среднемесячные температуры воздуха центрального месяца зимы, января, наблюдаются в сухой степи (-19,2С, ст. Хакасская).