CC BY
48
УДК 551.501(470.64)
Р. М. Бисчоков, С. Ф. Суханова, А. А. Гварамия
СОВРЕМЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ УРОЖАЙНОСТИ ПОЛЕВЫХ КУЛЬТУР1
КАБАРДИНО-БАЛКАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ В. М. КОКОВА, НАЛЬЧИК КУРГАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ
ИМЕНИ Т. С. МАЛЬЦЕВА АБХАЗСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ, СУХУМ
R. M. Bischokov, S. F. Sukhanova, A. A. Gvaramiya MODERN FORECASTING TECHNOLOGY OF FIELD CROPS YIELD KABARDINO-BALKARIAN STATE AGRARIAN UNIVERSITY BY V.M. KOKOV, NALCHIK KURGAN STATE AGRICULTURAL ACADEMY BY T. S. MALTSEV ABKHAZIAN STATE UNIVERSITY, SUKHUM
Аннотация. Производство продуктов питания в современном обществе, до настоящего времени остается главным элементом его существования. При этом в силу объективных причин основной удельный вес в производстве продовольствия пока еще приходится на наземную экосистему. В связи с тем, что производительность экосистемы конкретного региона в существенной степени обуславливается его природно-климатическими характеристиками, то изменение последних может отразиться на производстве сельскохозяйственной продукции.
Ключевые слова: температура воздуха; осадки; влажность; урожайность зерновых и зернобобовых культур; прогноз урожайности; математическая модель.
Abstract. Foodstuff manufacturing in modern society still remains a major element of its existence up to date. At the same time due to the objective reasons the main share in the production of food still falls to terrain ecosystems. Due to the fact that the productive efficiency of the ecosystem in a particular region relies on its natural and climatic characteristics, so the changes of the least will be able to affect the agricultural production.
Keywords: air temperature; rainfall; humidity; harvest of grain and leguminous crops; forecast yield; mathematical model.
Руслан Мусарбиевич Бисчоков
Ruslan Musarbiyevich Bischokov кандидат физико-математических наук, доцент
Светлана Фаилевна Суханова
Svetlana Failevna Sukhanova доктор сельскохозяйственных наук, профессор [email protected]
Алеко Алексеевич Гварамия
Alecko Alekseevich Gvaramiya доктор физико-математических наук, профессор
Введение. В системе оперативного агрометеорологического обеспечения сельского хозяйства особая роль отводится агрометеорологическим прогнозам урожайности зерновых и зернобобовых культур. Используемые в оперативной прак-
1 Научная статья написана при финансовой поддержке Гранта конкурса РФФИ «Абх_а Конкурс совместных инициативных российско-абхазских научно-исследовательских проектов» № 1556-40006 «Феномен устойчивости развития и саморазвития территориальных экономических систем на основе модернизации механизма сельскохозяйственного природопользования»
тике методы прогнозов с течением времени «устаревают» и перестают удовлетворять современным требованиям к качеству, возможностям и заблаго-временности прогнозов. Для поддержания должного уровня агрометеорологических прогнозов необходимо разрабатывать новые методы и технологии агрометеорологического прогнозирования урожайности.
В условиях большой зависимости урожайности зерновых и зернобобовых культур от условий погоды и значительных колебаний валового сбора в Кабардино-Балкарской республике необходима современная технология, позволяющая поэтапно и заблаговременно прогнозировать урожайность и валовой сбор зерновых и зернобобовых культур.
Актуальность. Создание современной технологии поэтапного прогнозирования урожайности и валового сбора зерновых и зернобобовых культур включает несколько этапов от теоретических исследований до создания прогностических моделей «погода-урожай» и их реализации на основе современных компьютерных технологий.
Все многообразие факторов, влияющих на урожайность сельскохозяйственных культур, можно разделить на две группы: уровень культуры земледелия и метеорологические факторы. Уровень культуры земледелия оказывает значительное влияние на урожайность сельскохозяйственных культур. Однако учесть это влияние не просто.
Достаточно точно ответить на этот вопрос можно в том случае, если имеется большой объем информации о характере всей деятельности сельскохозяйственного производства. Приблизительно его можно решить статистическим путем, допустив, что колебания урожайности вокруг тренда связаны только с вариациями метеорологических условий, хотя иногда они обусловлены факторами неметеорологического происхождения (вредителями, болезнями и т. д.). При этом предполагается также, что влияние факторов, связанных с ростом культуры земледелия, приводит к плавному изменению урожайности, и что эти изменения происходят по определенному закону.
Результаты. Динамику урожайности той или иной культуры в каком-либо сельскохозяйственном районе можно рассматривать как следствие изменения уровня культуры земледелия, на фоне которого происходят случайные колебания (иногда весьма значительные), связанные с особенностями погоды разных лет.
Продуктивность сельскохозяйственных культур определяется особенностями складывающихся погодных условий осенне-зимнего и весенне-летнего периодов. Детальное исследование отдельных параметров состояния атмосферы позволили выделить те из них, которые могут быть успешно использованы при прогнозировании урожайности зерновых культур. В период вегетации это средне-декадная температура воздуха, количество осадков за декаду.
В основу базовой модели продуктивности посевов сельскохозяйственных культур, предназначенной для целей агрометеорологического прогнозирования, положена модель «погода-урожай». Структура модели модифицирована под задачу оценки условий формирования урожая сельскохозяйственных культур и удовлетворяет следующим условиям:
- описывает основные процессы жизнедеятельности растений (фотосинтез, дыхание, рост и распределение ассимилятов);
- учитывает влияние метеорологических факторов на формирование продуктивности посевов;
- адаптирована к сокращенным объемам исходной информации без нарушения степени детализации математического описания основных процессов жизнедеятельности растений.
Продукционный процесс растений можно представить как взаимодействие совокупности физиологических процессов, конечным результатом которого является урожай. Формирование урожая рассматривается как развивающийся во времени процесс. В основу моделирования урожайности культуры положено описание поведения основных физиологических процессов в зависимости от изменения метеорологических условий.
Ценность модели для решения прикладных задач определяется возможностью идентификации параметров модели и наличием стандартной оперативной информации для проведения расчетов. Параметры модели условно можно разделить на две группы: биологические параметры, характеризующие особенности сельскохозяйственных культур, и функциональные параметры, отражающие условия произрастания культуры в конкретном почвенно-климатическом регионе.
В степной зоне Кабардино-Балкарии возделыва-ется свыше 42 % зерновых и более 70 % масличных и кормовых культур. Каштановые почвы степной зоны широко распространены в северо-восточных равнинных районах, подверженных воздействию сухих восточных ветров. Средняя многолетняя годовая сумма осадков составляет здесь менее 400 мм при относительной влажности воздуха, опускающейся ниже 35 %, особенно в ранневесенний период. При неустойчивом и маломощном снежном покрове и низкой относительной влажности воздуха осенне-зимне-весенние осадки практически восполняют менее 25 % потерь влаги за вторую половину лета-начало осени. Отмечалась даже потеря почвенной влаги, а не ее восполнение в холодное время. Так, за период с августа 2002 по март 2003 г. влажность метрового слоя почвы была на уровне 13-15 %, а в начале вегетации, в первой декаде апреля 2003 г. - 12-14 %, что близко к уровню мертвого запаса.
В связи со значительной экстремальностью условий земледелия и растениеводства в степной зоне актуальной становится проблема совершенствования структуры посевов с насыщением севооборотов
культурами короткого срока вегетации, способных дать урожай в благоприятный период. В числе таких культур выделяются, в первую очередь, крестоцветные масличные, а также лен-кудряш, амарант метельчатый и багряный и др.
Несмотря на складывающиеся экстремальные условия увлажнения в зоне каштановых почв, здесь, на богарных землях, доминируют посевы озимых культур, в расчете на эффективное использование зимних осадков. В то же время представляет значительный интерес возделывание яровых холодостойких культур в основных и промежуточных (пожнивных) посевах. Ввиду высокого спроса на семена таких культур из-за повышенного содержания масел, а также кормовую ценность зеленой массы, многие из них пользуются значительным спросом, что в условиях рыночных отношений позволяет держать растениеводство на рентабельном уровне.
Материалами для оценки условий различных лет вегетации и продуктивности культур явились результаты ежегодных стационарных наблюдений за метеоусловиями по метеостанции г. Прохладный и посевами яровых однолетних культур в опытно-производственных масштабах. Измерения и учеты проводили в соответствии со стандартными методиками, используемыми в земледелии и растениеводстве.
Опыт колхоза имени Петровых Прохладненского района Кабардино-Балкарии показывает, что из числа озимых высшей продуктивностью с высоким уровнем стабильности по годам возделывания выделяются озимый рапс, озимые ячмень и пшеница. Так, коэффициент вариации урожайности названных культур за последние 25 лет составил соответственно 12,6; 14,3 и 15,1 %. При этом выращивание озимого рапса на зеленый корм обеспечивает повышение стабильности уровня продуктивности на 6,8 % (коэффициент вариации равен 5,8 %) по сравнению с получением урожая маслосемян. В свою очередь, яровой рапс в весенних посевах имеет коэффициент вариации урожая зеленой массы за тот же срок возделывания 11,7 %, а маслосе-мян - 16,4 %. В пожнивных посевах коэффициент вариации урожая составил 18,3 % для зеленой массы и 24,8 % - для семян. При этом урожай зеленой массы составил 28,5 т/га в весенне-летних основных посевах и 19,7 т/га в промежуточных - летне-осенних. Урожай семян в первом случае за срок наблюдений составил в среднем у ярового рапса 1,66 т/ га, а во втором - зрелые семена получены 3 года из 25.
Из числа испытывавшихся яровых культур короткого срока вегетации в летне-осенних посевах
созревание семян и их полноценность с точки зрения посевных качеств отмечены у горчицы сарепт-ской. Как правило, лишь в один год из шести всхожесть семян горчицы сарептской из посевов летне-осеннего срока вегетации была ниже 40 % при энергии прорастания свыше 50 %. В остальные пять лет всхожесть семян горчицы в пожнивных посевах превышала 60 %, а в 1998 и 2004 гг. - 85-91 %.
У редьки масличной, льна-кудряша (масличного), амаранта метельчатого и багряного полученные в пожнивных посевах семена отличаются низкой (менее 30 %) всхожестью и малой (менее 20 %) энергией прорастания. При этом формирование семян с такими качествами отмечалось в среднем один раз в 4 года.
Во все годы проведения исследований отмечено меньшее накопление жира в семенах крестоцветных культур и льна масличного в летне-осенних посевах по сравнению с весенне-летними. При этом наибольшая разница в содержании жиров в полученных семенах отмечена у льна-кудряша, и она составила 9-13 %.
В зоне каштановых почв ведущими факторами, определяющими продуктивность яровых культур с коротким сроком вегетации в основных и промежуточных посевах, являются режим выпадения осадков и температура почвы. Анализ этих показателей за весенне-летний (с 22 марта по 22 июня) и летне-осенний (с 22 июня по 22 сентября) сроки вегетационного периода не равнозначны как по количественным параметрам, так и по характеру изменений (рисунки 1, 2).
Для решения вопроса оптимизации структуры посевов на каштановых почвах нами проведен анализ режима увлажнения за счет выпадающих осадков, с одной стороны, и длительности срока вегетации, преимущественно яровых культур, с другой, за последние 25 лет. Такая работа позволила выявить уровень вероятности получения полноценного по качеству и массе урожая культур разного срока спелости.
Из рисунка 1 по характеру трендов видно, что в весенне-летний период до середины третьей декады происходит незначительное уменьшение осадков, затем к концу этого срока (к третьей декаде июня) повышается в 2,5-3 раза.
Ко времени окончания первого периода среднее декадное количество осадков достигает 33-34 мм, что находится на уровне среднедекадного расхода влаги из почвы вегетирующими травянистыми растениями.
Рисунок 1 - Кривые среднедекадного количества осадков по периодам вегетации с соответствующими уравнениями трендов (2000-2009 гг.)
В летне-осенний период до 6-ой декады количество осадков повышается, но не достигает уровня, отмеченного в первый период, а затем происходит стабилизация на уровне менее 20 мм в декаду. При этом средний декадный максимум за летне-осенний период составляет всего 17,5 мм или почти в 2 раза меньше уровня, отмеченного на этот период в первый срок вегетации.
Режим выпадения осадков в рассматриваемых условиях характеризуется различной частотой в первой и второй половинах вегетации. Так, в весенне-летний период частота выпадения осадков более чем в два раза превышает летне-осенний период. При этом сумма выпадающих осадков в первый срок также превышает аналогичный показатель во второй срок. Из приведенного видно, что в первые 9 декад вегетационного периода отмеча-
ются два случая выпадения осадков суммой менее 10 мм за декаду, а во втором - пять случаев. В свою очередь, продолжительность бездождных периодов в весенне-летний срок вегетации составил максимум 17 дней (с 14 мая по 2 июня 2007 г.), а в летне-осенний - свыше 22 дней, практически ежегодно (обычно с 8-10 июля по 1-3 августа). Повторяемость бездождных периодов в первую половину вегетационного срока составила один раз, а во вторую -8 раз за последние 10 лет. С учетом повторяемости и глубины засушливых периодов в разные сроки вегетации вероятность подверженности засухе посевов весенне-летнего срока выращивания в 2,23,7 раза ниже, чем летне-осеннего. Косвенным показателем глубины засухи в разные сроки вегетации могут служить максимальная температура поверхности почвы (рисунок 2).
Рисунок 2 - Кривые среднедекадной максимальной температуры на поверхности почвы по периодам
вегетации с соответствующими уравнениями трендов
Так, в летне-осенний срок вегетации максимальное нагревание почвы на 18-25 °С превышает аналогичные значения за весенне-летний срок. Высказанный тезис подтверждается десятилетними данными по запасам влаги в почве на 4-5-ю декаду разных сроков вегетационного периода. В эти декады отмечается активный рост яровых однолетних культур как в весенне-летних, так и летне-осенних посевах (таблица 1).
Из приведенного следует, что в первый период вегетации стабильность обеспеченности влагой метрового слоя почвы в 3 раза превосходит второй. Такая ситуация приводит к тому, что посевы яровых культур короткого срока вегетации в летне-осенний период необходимо выращивать на фоне орошения.
Таблица 1 - Запасы влаги в метровом слое почвы и средняя высота ярового рапса, сорт Ярвэлон, в 4-5-ю декады весенне-летнего и летне-осеннего сроков вегетационного периода
за 2000-2009 гг.
Показатель Период X + в X У,%
Содержание влаги в метровом слое почвы, мм Весенне-летний 138 + 13 9,5
Летне-осенний 117 + 34 29,1
Границы достоверности: V * мм 19,6
Высота растений, см Весенне-летний 46 + 9 19,6
Летне-осенний 22 + 10 45,5
Границы достоверности: А 5 * ^ см 18,8
Анализ достоверности различий, выявленных в процессе измерений, показывает, что на 95-процентном уровне вероятности доверительный интервал фактической разницы между среднегодовыми значениями содержания влаги, а также по высоте растений превосходит теоретическое значение, найденное по 1>критерию Стьюдента, и ошибки разности между двумя рядами выборки.
В целом культуры с коротким сроком вегетации можно и целесообразно выращивать на каштановых почвах в районах с экстремальными условиями увлажнения, на богаре - в весенне-летний срок и на орошении - в летне-осенний. При этом пожнивные посевы целесообразно ориентировать на получение зеленой массы для использования в качестве свежих сочных кормов и/или приготовления силоса.
Проведенный анализ чувствительности модели к входным параметрам и численные эксперименты позволили свести объем входной оперативной информации, закладываемой в модель, к двум элементам: средней декадной температуре воздуха и сумме осадков за декаду. Таким образом, полученные прикладные модели продуктивности сельскохозяйственных культур описывают основные процессы
жизнедеятельности растений, в результате которых формируется урожай, а также влияние на эти процессы складывающихся погодных условий.
Для построения модели прогнозирования динамики природно-климатических характеристик предположим, что она формируется под влиянием антропогенных факторов, изменение которых во времени носит линейный характер, а также некоторой совокупности природных факторов, каждый из которых меняется с определенной периодичностью. С учетом такого предположения модель изменения во времени конкретного метеопараметра 7(1) в общем случае записывается в виде:
N
7 () = к + О г )+£
1=1
а.
2П , соэ--+ о
Т 1
эт-
2П
Т
(1)
где а0 ,о0 - коэффициенты слагаемого, описывающего антропогенные факторы,
а 1, Ь1 - коэффициенты слагаемых, описывающих влияние природных факторов.
Для нахождения значений периодичностей временных рядов рассматриваемых метеопараметров построены фазовые портреты
Рисунок 3 - Фазовые портреты средней температуры воздуха в различные сезоны года
По формуле (1), используя исходные значения дового количества осадков и весенней средней тем-метеопараметров на период 1956-2004 гг., находим пературы воздуха по данным метеостанции Прох-
прогнозные значения до 2016 года. На рисунке 4 и 5 ладный (степная зона КБР) приводятся фактические и прогнозные значения го-
I *4 Т Ю 13 16 19 .23 £В 31 3*4 ЗТ *4С' А 3 *43 *4'=| 32 33
Рисунок 4 - Фактические (сплошная линия) и прогнозные (пунктирная линия) значения годового количества осадков
О -|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|
1Э56 1960 1964 1968 1972 1976 1980 1984 1988 1992 1996 2000 2004 2008 2012 2016
Рисунок 5 - Фактические (сплошная линия) и прогнозные (пунктирная линия) значения весенней средней температуры воздуха
Исследовалась зависимость от различных природ- осенних осадков, а также средние температуры возду-
ных факторов урожайности таких культур как зерно- ха в эти же сезоны.
вые и зернобобовые, озимая пшеница, кукуруза на зер- Таким образом, было предположено, что урожайно-
но, ячмень озимый, ячмень яровой, рожь озимая, гречи- сти сельскохозяйственных культур являются функциями
ха, просо, овес, горох. В качестве таких факторов рас- отмеченных природных факторов. Тогда для урожайности
сматривались количества зимних, весенних, летних и конкретной культуры можно записать выражение вида:
у = а0 + а1Ж(О) + а 2Ж(5) + а3Ж(В) + а 4Ж(Л) + а50(О) + а6 д(5) + а7 Q(В) + а8 £(Л), (2)
где а,,(( = 0,1,...,8) - подлежащие определению коэффициенты;
Ж(О), Ж(5 ), Ж(В), Ж(Л ) - количество осенних, зимних, весенних и летних осадков; д (°), д(5), д(В), д(Л) - средние значения осенней, зимней, весенней и летней температуры воздуха.
Пользуясь значениями урожайности озимой пше- туры воздуха находим методом наименьших квадратов ницы, сезонных количеств осадков и средней темпера- коэффициенты уравнения (2) и оно приобретает вид:
У = 49,41 - 6,71 • 10-3 • Ж(О} -1,21 10-4 • Ж(5} + 6,87 • 10-2 • Ж(В} - 4,56 • 10-2 • Ж(Л} + +1,86 • О}+0,66 • 5} - 2,94 • В} - 0,46 • Л}.
(3)
Подставляя в уравнение (3) ранее полученные значения урожайности озимой пшеницы в предстоя-прогнозные значения сезонных количеств осадков и щие 12 лет (рисунок 6). средней температуры воздуха получим возможные
Рисунок 6 - Фактические (сплошная линия) и прогнозные (пунктирная линия) значения урожайности озимой пшеницы
Выводы. Научные результаты, полученные в работе, могут быть использованы соответствующими органами управления Северо-Кавказского федерального округа и регионов, входящих в его состав, для адаптации развития экономики к изменениям природно-климатических условий.
По рассмотренной технологии разработаны методы ежедекадной оценки условий вегетации и прогноза урожайности озимой пшеницы, озимой ржи, ярового ячменя, картофеля, группы зерновых и зернобобовых культур в целом по субъектам РФ в установленные оперативные сроки. Для зерновых и зернобобовых культур в целом заблаговременно сть прогноза увеличена на месяц. В настоящее время прогнозы урожайности по этой группе культур составляются 21 июня и уточняются 21 июля. Новая методика позволяет составлять прогноз 21 мая и уточнять 21 июня и 21 июля.
Список литературы
1 Бисчоков Р. М. Методы проведения анализа и прогнозирования изменения динамики агроклиматических ресурсов Северного Кавказа : Монография.
- Нальчик : КБГСХА, 2012. - 190 с.
2 Бисчоков Р. М. Анализ и прогноз изменений агроклиматических ресурсов территории Кабардино-Балкарской республики // Вестник Курганской ГСХА.
- 2014. - № 3 (11). - С. 70-75.
3 Разработка методики минимизации риска снижения производства продукции сельского хозяйства: Монография / Р. М. Бисчоков [и др.]. - Нальчик: КБГАУ им. В. М. Кокова, 2014. - 345 с.
