УДК [551.524.3+551.5 77.3]:630* 11
Колебания изменчивости температуры воздуха и атмосферных осадков как агрометеорологический фактор
Г. В. Суркова*, К. Пона**
Представлены результаты модельных экспериментов по оценке чувствительности озимой пшеницы к изменчивости суточных максимумов и минимумов температуры воздуха, а также количества и частоты выпадения осадков. Модель роста и развития пшеницы CERES- Wheat F. 3.0 реализована для пяти климатических сценариев с различной изменчивостью температуры воздуха и атмосферных осадков для условий трех характерных метеорологических станций Апеннинского п-ова. Данные этих станций используются как исходные для генератора погоды WXGEN, на основе которого формируются сценарии с различной изменчивостью. Показано, что уменьшение изменчивости осадков приводит к снижению среднего урожая в целом за весь период, но при этом уменьшается также и изменчивость урожайности от года к году. Уменьшение изменчивости температурного режима приводит к небольшому увеличению урожайности, но также к росту ее изменчивости от года к году. Увеличение температурной изменчивости ведет к уменьшению урожайности и к росту ее межгодовой изменчивости.
Введение
Изменения климата выражаются не только в отклонениях метеорологических величин от средних. Перестройка атмосферных процессов при сохранении средних значений метеовеличин на уровне климатической нормы может приводить к колебаниям внутригодовой и межгодовой изменчивости климатических характеристик, которые способны в значительной степени влиять на окружающую среду, в том числе на растительность. Процесс роста растений в течение вегетационного периода является непрерывным. Он подвержен влиянию ежедневных и ежечасных изменений погоды. Многие растения особо чувствительны к стрессовым ситуациям, когда происходят резкие колебания внешних факторов — суточной амплитуды температуры, интенсивности осадков, длительности влажных и засушливых периодов.
Развитие в последние два десятилетия в России и за рубежом численных моделей, способных описывать причинно-следственные связи в системе окружающая среда — растение, привело к созданию нового направления в агрометеорологии и лесоводстве: моделирование отклика растительности на изменения внешней среды [1, 2, 19]. Метеорологические характе-
* Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова.
** Центр новых технологий, энергетики и окружающей среды ENEA, Италия.
ристики, такие как температура воздуха, солнечная радиация, атмосферные осадки, во многом определяют развитие растения [3]. Это влияние может быть прямым, а может быть и косвенным, так как климат является одним из факторов формирования и других компонентов географической оболочки, важных для растений.
В данной работе изменчивость температуры воздуха и осадков исследуется как фактор изменения развития растений. Для этого используется модель CERES-Wheat [15, 21]. Модель разработана для расчета параметров развития растения в процессе его роста и состояния окружающей среды для различных сортов пшеницы. Для изучения отклика на колебания изменчивости температуры воздуха и атмосферных осадков выбрана озимая пшеница (Maris Huntsman2). Станции, для которых проводились расчеты, находятся в Италии, в трех различающихся по климатическим условиям районах.
Для каждой станции выполнены численные эксперименты по исследованию чувствительности озимой пшеницы с использованием пяти численных сценариев климатических условий, в которых комбинируются разные степени изменчивости температуры воздуха и осадков при постоянных среднемесячных значениях этих величин. Расчет климатических сценариев производился на базе ряда ежедневных значений максимальной и минимальной температуры воздуха и количества атмосферных осадков с помощью стохастического генератора погоды [13, 14].
1. Методы исследования 1.1. Климатические сценарии
Для оценки чувствительности пшеницы к разной степени изменчивости температуры и осадков для каждой из трех выбранных станций с помощью модели CERES-Wheat было выполнено по пять численных экспериментов. Единственным отличием при проведении экспериментов явились начальные метеоданные, а именно, изменчивость режима температуры воздуха и осадков. Эти пять типов климатических сценариев были выработаны с помощью генератора погоды WXGEN. Каждый ряд таких метеоданных имеет длительность сто лет и включает ежедневные данные о максимальной и минимальной температурах воздуха, суточной сумме осадков и солнечной радиации.
Первый климатический сценарий (основной) представляет ежедневные данные, имеющие те же статистические характеристики температуры и осадков, что и исходный ряд наблюдений с 1961 по 1990 г. Два последующих сценария составлены с модифицированной изменчивостью месячных сумм осадков. В одном случае она была уменьшена в два раза (сценарий PV0.5), в другом — увеличена в два раза (сценарий PV2) по сравнению с ее значениями в основном эксперименте. При этом изменчивость максимальной и минимальной температур воздуха оставалась равной наблюдаемой. Третий и четвертый климатические сценарии получены при условии сохранения изменчивости осадков, как и в основном сценарии, но при модификации изменчивости температуры. Ее значения в одном случае были уменьшены в два раза (сценарий TV0.5) по сравнению с основным сценарием, в другом — увеличены в два раза (сценарий TV2). 86
1.2. Модель урожая
В работе используется модель роста и развития пшеницы СЕЯЕ8-ШЬеа1 У.З.О [6, 15—17], Эта модель воспроизводит ежедневные изменения фенологических характеристик пшеницы, а также изменение баланса азота в почве и водного баланса, связанных с ростом пшеницы. В качестве исходных данных в модели используются;
— географическое положение (широта); среднесуточные метеорологические величины (максимальная и минимальная температуры воздуха, суммарное количество солнечной радиации, атмосферные осадки); данные о почве (физико-химические характеристики почвы, влагозапас, содержание азота и карбонатов, альбедо); данные о сельскохозяйственной культуре (генетические коэффициенты потенциала роста и урожайности); условия посева и обработки (глубина заложения семян, плотность посева, методы обработки, внесение удобрений, орошение, севооборот).
При расчете параметров роста озимой пшеницы в модели СЕ1Ш8-ШЬеа1 выделяются следующие фазы: от посева до прорастания семени; от прорастания семени до появления всходов на поверхности; от появления всходов до появления колосьев; от появления колосьев до начала цветения; от начала цветения до молочной спелости; от молочной спелости до восковой спелости; полная спелость.
Модель СЕИЕ8-ЭДЪеа1 рассчитывает следующие характеристики: фенологическое развитие и продолжительность каждой фазы роста; накопление и перераспределение усваиваемых растением веществ; рост корней, стеблей, листьев и колосьев; листовой индекс (ЬАГ); баланс воды в почве и его влияние на развитие культуры; баланс азота в почве и его влияние на развитие культуры.
Калибровка и тестирование модели для озимой пшеницы производились неоднократно для разных географических условий [7, 9—11, 15], в том числе и для Италии [5, 12], где корреляция модельных и наблюдаемых данных об урожайности и дате начала колошения достигает 87—95% [5]. Меньше внимания уделялось оценке изменчивости метеопараметров как фактора роста пшеницы (например, [5, 8, 18]).
Развитие и рост пшеницы воспроизводятся в модели СЕ11Е8^11еа1 с оценкой стадии развития культуры, скорости роста и распределения биомассы между растущими органами растения [17]. Основные факторы окружающей среды, определяющие эти процессы, могут быть разделены на две группы: одна связана с погодными условиями, другая — с почвенными. Конечная урожайность зависит от того, какое количество 'биомассы пошло на формирование зерновок, что зависит как от особенностей роста, так и развития растения. Эти же параметры в свою очередь зависят от наличия и интенсивности стрессовых ситуаций на разных стадиях произрастания пшеницы.
Температурный режим более всего влияет на режим транспирации растения, определяя интенсивность процессов фотосинтеза и дыхания и, в конечном счете, скорость накопления биомассы (табл. 1). Особенности произрастания озимой пшеницы таковы, что на ранних стадиях развития до начала колошения растения подвергаются воздействию низких темпера-
Таблица 1
Факторы роста н развития растения и его чувствительность к стрессам (по [17])
Рост Развитие
Характеристика маеса разрастание стадийное морфологическое
Основные факторы Солнечная радиация Температура Температура Температура
окружающей среда. Фотопериод
влияющие на харак-
теристики роста и
развития Чувствительность Низкая — устьица Высокая — на веге- Низкая — замед- Низкая
растения к дефици- Средняя — завядание тативной стадии ление роста иа ве-
ту влаги н сворачивание листьев Низкая — на стадии наполнения зерен гетативной стадии
тур. При этом происходят необходимые для дальнейшего развития анато-мо-морфодогические изменения растения. Такой процесс называют яровизацией» он начинается» как правило, после прорастания и продолжается при температуре от 0 до 18°С [4, 20], Особенно эффективно проходит стадия яровизации при температуре от 0 до 7°С. Период длительностью 50 дней считается достаточным для этой стадии.
Чувствительность растения на разных стадиях развития к дефициту влаги наиболее высока на стадии вегетации, самая низкая —: на стадии наполнения зерен (табл. 1).
Таким образом, соотношение реального прироста биомассы к потенциально возможному может определяться температурным стрессом или дефицитом влаги. Этот факт учитывается в модели СЕЯЕ5-\УЬеа1, как и влияние на растение количества азота в почве [6]. В наших экспериментах содержание азота в почве не ограничивается с тем» чтобы растения не испытывали его дефицита.
1.3. Генератор погоды
Численный генератор погоды \VXGEN основан на стохастической модели Ричардсона [13, 14]. Результат работы генератора — ряды ежедневных данных о максимальной и минимальной температурах, солнечной радиации и осадках. Факт выпадения или от
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.