УДК 631.559:633.14:551.5(470.31)
Анализ влияния агроклиматических факторов на урожайность озимой ржи в Центральном Нечерноземье
О. Э. Суховеева*
Выделены агроклиматические условия в Центральном Нечерноземье и определено их влияние на урожайность озимой ржи на опытном участке и в производственных условиях методами корреляционного, регрессионного и факторного анализа. По полученным данным, наибольшее влияние на урожайность оказывает температурный фактор, режиму увлажнения принадлежит менее значимая роль. Интенсификация сельского хозяйства в агроце-нозах озимой ржи уменьшает влияние неблагоприятных агроклиматических факторов на ее урожайность. Имеются резервы увеличения продуктивности вследствие уменьшения неблагоприятного воздействия агроклиматических факторов и рационального использования ресурсов тепла и влаги.
1. Введение
Агроклиматические факторы, важнейшими из которых являются температура воздуха и количество осадков, оказывают определяющее влияние на урожайность сельскохозяйственных культур, хотя оценки этого влияния имеют неоднозначный характер. Известно, что динамика урожайности зерновых повторяет динамику изменчивости основных метеовеличин [12]. В экстремальных условиях была подтверждена нелинейная и асимметричная зависимость между температурой и урожайностью, когда при повышении температуры выше критических значений урожайность быстро уменьшается [20]. Наблюдаемые изменения климата приводят к увеличению биоклиматического потенциала на европейской территории России и оказывают положительное влияние на урожайность культур, особенно озимых ([16] и др.). По материалам работы [8], в ближайшем будущем основным фактором, влияющим на урожайность, будут условия увлажнения; урожайность будет увеличиваться, по крайней мере, до середины XXI в., после чего ожидается ее уменьшение. По данным авторов работы [18], усиление изменчивости значений температуры и осадков приводит к уменьшению урожайности, увеличивает ее вариабельность. Кроме ежегодных колебаний метеорологических условий, изменения урожайности вызваны, в первую очередь, трансформацией технологий ведения хозяйственной деятельности. Агротехнологические факторы, с одной стороны, приводят к увеличению урожайности, а с другой — усложняют изучение влияющего на нее погодно-климатического фактора [4]. В связи с этим ключевым звеном агро-
* Российский государственный аграрный университет — МСХА им. К. А. Тимирязева; e-mail: olgasukhoveeva@gmail.com.
метеорологии как науки является количественное описание влияния факторов внешней среды на процесс формирования урожая [7]. К настоящему времени выполнен значительный объем исследований, посвященных анализу влияния агрометеорологических и агроклиматических факторов на урожайность сельскохозяйственных культур, например, в монографиях [2, 6, 13] и научных статьях [9, 11, 19] представлены многочисленные методики ее прогнозирования.
Цель настоящего исследования — оценить влияние агроклиматических факторов на урожайность озимой ржи в Центральном Нечерноземье при современных условиях ведения хозяйственной деятельности.
В работе проведена оценка влияния агроклиматических условий на урожайность озимой ржи за последние три десятилетия в масштабах региона, проанализированы уникальные опытные данные за столетний период наблюдений с применением современных статистических методов, проведена количественная классификация факторов согласно их вкладу в формирование урожайности озимой ржи.
2. Материалы и методы
Материалами исследования послужили многолетние данные Метеорологической обсерватории им. В. А. Михельсона (1881—2013 гг.) и Длительного полевого опыта РГАУ — МСХА им. К. А. Тимирязева (1913—2013 гг.), а также климатические данные из базы ВНИИГМИ-МЦД и сведения Росстата об урожайности озимой ржи по областям Центрального Нечерноземья. Исходным для анализа урожайности в Центральном Нечерноземье был выбран период с 1985 по 2013 г.
Длительный полевой опыт был заложен в 1912 г. профессором А. Г. Доя-ренко. Уникальность его определяется тем, что на протяжении 100 лет принципы его организации и агротехнический фон оставались практически неизменными. С точки зрения агрометеорологии, он позволяет полноценно оценить влияние условий погоды на урожайность культур. Также при анализе объектов малого масштаба (отдельного поля) улучшается точность получаемых моделей [21].
В качестве основы для проведения анализа в Длительном опыте были выбраны вариант без удобрений, поскольку он позволяет оценить влияние условий погоды без дополнительного воздействия со стороны одного из антропогенных факторов, а также вариант с применением полного набора питательных веществ (ЫРК + навоз), отражающего влияние культуры земледелия. В качестве предикторов были выбраны среднемесячные значения температуры воздуха и месячные суммы осадков с августа по декабрь того года, в котором был произведен посев, и с января по июль года получения урожая.
Ключевые моменты проведения статистической обработки информации с точки зрения влияния агроклиматических условий на урожайность были основаны на материалах работы [10]. В исследовании использованы методы корреляционного, регрессионного и факторного анализа. Регрессионные уравнения строили методом включения — исключения. В исходное уравнение включали предикторы, имеющие значимые коэффициенты корреляции с анализируемой величиной. Использовали данные периодов 1913—2012 гг. Длительного опыта и 1985—2012 гг. по областям Центрального Нечерноземья. Достоверность по-
лученных уравнений проверяли с помощью F-критерия Фишера и ¿-критерия Стьюдента, а также коэффициента множественной корреляции R. Долю объяснимой условиями погоды дисперсии урожайности определяли по значению коэффициента детерминации R2. Был выбран 95%-ный уровень надежности построенных уравнений. Расчеты вели с помощью пакета анализа Excel и пакета Statistica. Полученные уравнения проверяли на независимом материале: на данных о температуре воздуха, количестве осадков и урожайности озимой ржи в 2013 г.
Примененный в работе метод факторного анализа [3] является одним из важнейших методов статистической обработки данных. Он позволяет учесть влияние каждого из исходных предикторов на предикат, объединив их в факторы, что дает возможность сократить число переменных, классифицировать их и в то же время не потерять большой объем исходной информации. Определяющим этапом является выбор необходимого количества факторов. В работе использовали для этого критерий "каменистой осыпи" и критерий Кайзера. Процедуру вращения проводили методом варимакс. Смысловое содержание выделенных факторов оценивали на основе факторных нагрузок, интерпретируемых как корреляции между факторами и переменными. Качество полученных результатов проверяли с помощью значений общностей и матрицы остаточных корреляций. На последнем этапе по рассчитанным значениям факторов за каждый год наблюдений строили регрессионное уравнение зависимости урожайности от них.
При этом факторный анализ применяли только при оценке влияния агроклиматических факторов на урожайность озимой ржи в Длительном полевом опыте. Его не использовали для анализа урожайности в Нечерноземье, поскольку в этом случае была ограничена продолжительность рядов урожайности и не выполнялось одно из условий его применения, согласно которому число наблюдений должно превышать число переменных в два раза и более [17].
3. Результаты
Согласно результатам факторного анализа, исходные предикторы были классифицированы по трем факторам. В таблице представлены значения факторных нагрузок, наиболее значимые из которых выделены полужирным шрифтом. Их значения для температуры воздуха существенно превышают показатели для суммы осадков.
Первый фактор, которому соответствует наибольший уровень общей дисперсии (12,6%), характеризует температурный режим с декабря по апрель, отличающийся преобладанием отрицательных значений температуры, а также сумму осадков в феврале. Второй фактор, описывающий 9,3% общей дисперсии, соответствует температурным условиям с августа по ноябрь, когда в годовом ходе наблюдается понижение температуры, но ее значения не переходят через 0°С, и количеству осадков в августе. Наименьшая доля дисперсии (8,3%) приходится на третий фактор, соответствующий климатическим условиям центральных летних месяцев, когда наблюдаются максимальные значения температуры.
При использовании факторов в качестве переменных (а1 — первый фактор, а2 — второй фактор, а3 — третий фактор) были получены следующие итоговые
76
Факторные нагрузки, соответствующие среднемесячной температуре воздуха и месячным суммам осадков
Величина Месяц Фактор 1 Фактор 2 Фактор 3
Температура воздуха, °С I 0,599 0,005 -0,138
II 0,640 -0,048 0,144
III 0,667 0,206 0,173
IV 0,682 -0,002 0,082
V 0,178 0,320 0,218
VI 0,076 0,036 0,642
VII 0,220 0,088 0,635
VIII 0,077 0,539 0,125
IX 0,267 0,592 -0,078
X 0,292 0,383 -0,091
XI -0,169 0,580 0,227
XII 0,551 -0,104 -0,105
Сумма осадков, мм I 0,380 0,075 -0,297
II 0,566 -0,162 0,164
III 0,135 -0,323 0,283
IV -0,089 0,440 -0,107
V -0,160 0,039 -0,103
VI 0,009 0,096 -0,663
VII 0,024 -0,084 -0,406
VIII 0,191 -0,577 0,179
IX -0,257 -0,011 0,010
X -0,065 0,253 0,279
XI 0,071 0,432 0,182
XII 0,367 -0,112 -0,037
Собственные значения матрицы 3,023 2,236 1,999
Доля общей дисперсии, описываемая фактором 0,126 0,093 0,083
регрессионные уравнения зависимости урожайности озимой ржи У в Длительном полевом опыте:
— для варианта без удобрений
У = 4,570а1 + 2,470а2 + 0,488а3 + 21,809 (Я = 0,494, Я2 = 0,244);
— для варианта КРК + навоз
У = 3,552а1 + 2,238а2 + 1,526а3 + 28,703 (Я = 0,379, Я2 = 0,144).
Рассчитанные коэффициенты корреляции между урожайностью озимой ржи (ц/га) и агроклиматическими факторами в Длительном опыте и по областям Центрального Нечерноземья следующие (представлены только значимые коэффициенты):
Величина Месяц
Без
удобрений
Температура воздуха, °С VIII X XI XII II III IV VI IX Длительный полевой опыт
0,31 0,25 0,31 0,29 0,42 0,32
ОТК + навоз 0,21 0,24 0,24 0,28 0,26 0,24
Облас
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.