Расчет климатически обеспеченной урожайности

К основным показателям климата, влияющим на рост и развитие сельскохозяйственных культур, относятся обеспеченность влагой и теплом; они определяются радиационным режимом территорий.

Приход суммарной радиации R и количества продуктивной влаги W за период вегетации зерновых культур по областям и зонам приведены в таблице 8.57

Целесообразно использовать в анализе деление зоны на агроклиматические районы по термическим ресурсам (среднесуточная сумма температур воздуха больше 10°С), длительности безморозного периода и условиям увлажнения.

Поскольку КОУ, согласно определению, характеризует продуктивность посева, которая может быть достигнута при конкретных метеорологических условиях, величина ее может быть рассчитана на основе общего уравнения вида:

КОУ=КМПУ (8.25)

где КМ – коэффициент благоприятствования метеорологических условий, который, как правило, меньше 1.

Приход суммарной радиации и количества продуктивной

Влаги за период вегетации зерновых культур

Регион область, республика Rккал/см2·вегетац. W мм
Архангельская 20,0 225¸300
Вологодская 22,5 275¸340
Ленинградская 22,5 275¸300
Мурманская 11,0
Новгородская 23,0 275¸325
Псковская 24,0 300¸320
Карельская 17,0 200¸225
Коми 18,0 150¸200
Калининградская 28,0 420¸525

 

Лимитирующее влияние климата обычно выступает в форме природного ограничения на ресурсы тепла или влаги. В частности, если в рассматриваемом регионе имеет место нехватка воды, то согласно предложению Х.Г.Тооминга (213) расчет КОУ может производиться по формуле

КОУ=(E/E0) ПУ (8.26)

где Е и Е0 – соответственно суммарное фактическое испарение и испаряемость (потенциальное испарение) с поля за период вегетации.

Отношение испаряемости на склонах к испаряемости на равнине существенно зависит от экспозиции и крутизны склона a (град) до 20° и может быть вычислено по формулам:

 

для южного склона Е =1+0,1a (8.27)
Е
для северного склона Е =1-0,0014a (8.28)
Е
для восточного склона Е =1-0,001a (8.29)
Е
для западного склона Е =1-0,002a (8.30)
Е

Таким образом, в данном случае коэффициент благоприятствования метеорологических условий КМ равен отношению Е/Е0. Суммарное испарение Е представляет собой фактическое количество воды, испарившейся за рассматриваемый интервал времени с поля через поверхность почвы и через растения, а потенциальное испарение, или испаряемость Е0 – количество воды, которое могло бы испариться с поля в данных метеорологических условиях при неограниченных запасах почвенной влаги.

Испарение Е (см/мес.) на равнине и со склонов в безморозный

Период

Рельеф Экспозиция и крутизна
Северная Южная
верх средняя нижняя подножие верх Средняя нижняя Подножие
Равнина -- -- -- 42,3 -- -- -- 42,3
прямой склон, крутизна 7,5° 35,6 37,2 41,4 47,0 27,2 28,2 44,5 47,0
вогнутый склон 33,9 39,2 45,2 47,0 28,0 27,4 42,8 47,0
крутизна 10° 2,5° -- 10° 2,5° --
выпуклый склон 41,7 41,7 20,0 63,9 37,4 35,0 34,2 52,4
крутизна 2,5° 10° -- 2,5° 10° --

 

Учитывая основные составляющие водного баланса сельскохозяйственного поля и наличие тесной связи между испаряемостью и радиационным балансом, последнюю формулу можно представить в следующем виде:

КОУ=ПУ(WН-WК+I)/2,4R (8.31)

где WН и WК – начальные и конечные запасы влаги в почве, мм; I – сумма естественных и искусственных осадков за вычетом стока, мм; R – суммарный за время вегетации радиационный баланс, кДж/см2.

Недостатком приведенных соотношений является необходимость предварительной оценки величины ПУ, в результате чего погрешности определения ПУ, вызванные, в частности, неточностью задания потенциального КПД фотосинтеза h, непосредственно сказываются на величине КОУ. Этого можно избежать, используя для расчетов зависимости, основанные на прямых статистических связях КОУ с лимитирующими метеорологическими факторами. Так, например, при ограниченной влагообеспеченности посевов, т.е. в случае, если основным лимитирующим фактором климата является вода, КОУ можно приближенно рассчитать с помощью соотношения

КОУ=10W/КW (8.32)

где КОУ – климатически обеспеченный (в данном случае по воде) урожай сухой биомассы, т/га; W – ресурсы продуктивной влаги, мм; КW – коэффициент водопотребления, показывающий какое количество воды расходуется на формирование единицы растительной биомассы рассматриваемой культуры

Коэффициент водопотребления КW является характеристикой, специфичной для каждой культуры. Кроме того, как показывает опыт, имеется существенная зависимость КW от условий выращивания урожая и его уровня. Так, например, в определенных пределах справедливо утверждение, что чем более полно удовлетворяются факторы жизнедеятельности растений, тем ниже КW при прочих равных условиях, т.е. тем более экономично растения расходуют влагу. Ориентировочные значения КW для различных культур приведены в таблице 8.60.

Перераспределение осадков в расчлененных ландшафтах и в холмистой местности возможно в теплое время года в том случае, если интенсивность выпадающих осадков превышает впитывание воды в почву и появляется поверхностный сток (табл. 8.61).

Ресурсы продуктивной влаги W могут быть найдены как разность между годовой суммой осадков и непроизводительными расходами воды на горизонтальный сток, вертикальную фильтрацию ее за пределы корнеобитаемой зоны и физическое испарение.

Уточненные оценки можно получить рассматривая величину W как сумму двух составляющих – запасов влаги в почве на начало вегетации и эффективно используемой части осадков, выпадающих за период вегетации. Полагая, что в процессе формирования урожая используется примерно 80% осадков, величину W можно рассчитать по формуле

W=WH+0,8I, (8.33)

где WH – начальный запас влаги, который обычно берется в метровом слое почвы, мм; I – сумма осадков от момента сева до созревания, мм.

Более точные сведения могут быть получены путем постановки специальных многолетних балансовых опытов по изучению водного режима посевов в конкретных почвенно-климатических условиях.

Другой метод оценки уровня КОУ без непосредственного расчета ПУ основан на использовании так называемого гидротермического показателя продуктивности (ГТП).Этот показатель был предложен А.М.Рябчиковым и рассчитывается по формуле

ГТП=gWn/36R, (8.34)

где ГТП – значение ГТП, балл; W – ресурсы продуктивной влаги, определяемые по Рябчикову как разность между годовой суммой осадков и стоком, мм; n – продолжительность вегетации, декады; R – годовой радиационный баланс, кДж/см2; g – переводной коэффициент, равный 4,2 кДж/см2·мм.

Рассчитав ГТП, величину КОУ сухой биомассы (в т/га) находят в соответствии с эмпирическим соотношение:

КОУ=2,2ГТП – 1. (8.35)

 

 


8.59. Испаряемость Е0 (см/мес.) на равнине и на склонах разной крутизны и экспозиции

Сезон года Равнина Е Экспозиция и крутизна
Северная южная восточная западная
10° 15° 20° 10° 15° 20° 10° 15° 20° 10° 15° 20°
Вегетационный период 47,0 43,5 39,4 35,3 32,0 48,0 50,8 53,2 56,4 47,0 45,8 45,2 45,4 47,0 45,9 45,7 46,0
Весна 10,5 9,8 8,6 8,3 7,4 11,2 11,9 12,5 13,0 10,2 10,6 10,9 11,1 10,2 10,6 10,3 10,4
Лето 10,9 10,4 10,0 9,4 8,6 11,7 12,3 12,4 12,6 11,0 11,1 11,3 11,3 11,0 10,1 11,0 10,9
Осень 2,3 1,7 0,8 0,3 0,2 4,0 4,7 5,0 5,2 2,6 2,8 3,0 3,0 2,6 2,2 2,2 2,4

 


8.60. Ориентировочные коэффициенты водопотребления основных культур для Нечерноземной зоны в разные по увлажнению годы
(по данным М.К. Каюмова)

  Влажный Средний Засушливый
Озимая пшеница 375-450 450-500 500-525
Озимая рожь 400-425 425-500 450-550
Яровая пшеница 350-400 400-465 435-500
Овес 435-480 500-550 530-590
Ячмень 375-425 435-500 470-530
Кукуруза (зерно) 250-275 265-300 300-325
Картофель 150-175 175-200 200-225
Морковь 65-100 80-120 90-130
Кормовая свекла 75-85 85-100 100-110
Многолетние травы 500-550 550-600 600-700

 

8.61. Перераспределение влаги на склонах
(% относительного ровного места)

Зона увлажнения Экспозиция и часть склона
северная южная
верх средняя нижняя подножие верх средняя нижняя подножие
  прямые склоны
  суглинистые почвы
Избыточно влажная
Достаточно влажная
  супесчаные почвы
Избыточно влажная
Достаточно влажная
  вогнутые склоны / выпуклые склоны
  суглинистые почвы
Избыточно влажная 80/82 84/85 86/87 147/ 140 85/88 92/90 90/94 136/ 130
Достаточно влажная 80/83 83/86 85/87 154/ 145 87/87 92/88 86/92 130/ 132
  супесчаные почвы
Избыточно влажная 84/86 88/90 90/90 130/ 135 92/94 96/97 90/97 125/ 120
Достаточно влажная 87/82 90/85 89/87 128/ 150 95/91 98/96 94/96 112/ 113

 

Еще одна возможность косвенного расчета КОУ – использование для этой цели методики Д.И.Шашко (1967). Согласно ей урожай, лимитируемый естественными ресурсами тепла и влаги, рассчитывается по эмпирической формуле

КОУ=mБКП, (8.36)

где КОУ – КОУ хозяйственно полезной продукции, т/га; m – коэффициент, который зависит от вида возделываемой культуры и условий влагообеспеченности (таблица 19); БКП – биоклиматический потенциал равный 0,001 суммы активных температур выше 10°С.

 

8.62. Значение коэффициента m для разных культур
и условий влагообеспеченности

Культура Значения m при коэффициенте увлажнения Md
0,25 0,35 0,45 0,55
Озимая пшеница 1,26 1,23 1,24 1,14
Озимая рожь 1,26 1,24 1,25 1,15
Яровая пшеница 1,19 1,16 1,13 1,01
Овес 1,47 2,17 1,58 1,45
Ячмень 1,63 1,62 1,60 1,47
Примечание. Коэффициент Md определяется как Md=1g(20I/D), где I и D – годовые суммы осадков и дефицита влажности воздуха

 

По показателю увлажнения Md можно характеризовать динамику увлажнения сельскохозяйственных сезонов и в целом за вегетационный период по шкале:

0,60 – избыточное; 0,60-0,45 – хорошее; 0,60-0,50 – более влажное; 0,50-0,45 – менее влажное; 0,45-0,25 – умеренно влажное; 0,45-0,35 – полувлажное; 0,35-0,25 – полузасушливое; 0,25-0,15 – засушливое; 0,25-0,20 – менее засушливое; 0,20-0,15 – более засушливое; 0,15-0,10 – сухое; <0,10 – очень сухое.

Осредненная по Северо-западному региону климатически обеспеченная продуктивность, вычисленная по формуле Шашко Д.Д., приведена в таблице 8.63.