ОДЕСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ЕКОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

КУЛЬБІДА МИКОЛА ІВАНОВИЧ

УДК 633.11:551.50:633.11:551.582

АГРОМЕТЕОРОЛОГІЧНІ УМОВИ І ПРОДУКТИВНІСТЬ ОЗИМОЇ ПШЕНИЦІ ПРИ ЗМІНІ КЛІМАТУ В УКРАЇНІ

11.00.09 - метеорологія, кліматологія, агрометеорологія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата географічних наук

Одеса 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеському державному екологічному університеті

Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник

доктор географічних наук, професор,

ПОЛЬОВИЙ Анатолій Миколайович, Одеський державний екологічний університет, завідувач кафедри агрометеорології та агрометеорологічних прогнозів

Офіційні опоненти:

доктор географічних наук,

АНТОНЕНКО Володимир Степанович, Український науково-дослідний гідрометеорологічний інститут,

провідний науковий співробітник;

кандидат географічних наук,

ШУРДА Ксенія Едуардівна, Український науковий центр екології моря, науковий співробітник

Провідна установа:

Київський національний університет ім.Тараса

Шевченка,

географічний факультет, кафедра метеорології та

кліматології, м.Київ

Захист відбудеться “ 6 ” листопада 2003р. о 1000 годині

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.090.01 в

Одеському державному екологічному університеті за адресою:

65016, м.Одеса-16, вул.Львівська,15, ОДЕКУ

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеського державного екологічного університету за адресою, м.Одеса-16, вул.Львівська,15, ОДЕКУ.

Автореферат розісланий “01” жовтня 2003р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Лобода Н.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Наслідки надто безпрецедентно швидкого процесу зміни клімату являють собою широкий спектр різнонаправлених та різномасштабних явищ. Враховуючи інерційний характер такої системи як сільське господарство та залежність від погодних умов, уже зараз необхідне прийняття своєчасних та адекватних рішень щодо складних проблем, обумовлених змінами клімату. Сільське господарство являє собою "цех під відкритим небом", його відрізняє від інших галузей народного господарства особлива вразливість до коливань та змін клімату.

Результати моніторингу кліматологічних полів температури та атмосферних опадів дозволяють стверджувати, що глобальне антропогенне потепління прискорюється. У зв'язку з очікуваним підвищенням температури повітря Північної півкулі продовольча безпека України в значній мірі буде залежати від того, наскільки ефективно адаптується сільське господарство до очікуваних змін клімату, майбутніх агрокліматичних умов вирощування сільськогосподарських культур. Тому проблема оцінки впливу очікуваних змін клімату на агрокліматичні умови вирощування, продуктивність та валові збори зерна головної зернової культури України – озимої пшениці є дуже актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи відповідає основним напрямам наукової діяльності кафедри агрометеорології та агрометеорологічних прогнозів Одеського державного екологічного університету і виконувалась в рамках теми "Оцінка агрокліматичних ресурсів вирощування основних сільськогосподарських культур та розробка рекомендацій по оптимізації структури посівних площ В Україні" (державна реєстрація № 0819U009073), а також в рамках теми "Оцінка впливу зміни та коливань клімату на валові збори зерна озимих в Україні", що виконувалась в Українському гідрометеорологічному центрі в 2001 році на замовлення Українського інституту досліджень навколишнього середовища і ресурсів при Раді Національної Безпеки і Оборони України.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є оцінка впливу можливих змін клімату на продуктивність озимої пшениці в Україні. Основні задачі дослідження:–

дати аналіз тенденції зміни клімату в Україні;–

розробити модель впливу чинників зовнішнього середовища на формування продуктивності озимої пшениці;–

дати оцінку зміни агрокліматичних умов вирощування озимої пшениці у зв'язку з можливою зміною клімату;–

дати оцінку фотосинтетичної продуктивності та урожайності озимої пшениці за різноманітними сценаріями зміни клімату;–

встановити закономірності динаміки середньоЇ обласної урожайності озимої пшениці в Україні;–

дати оцінку коливань валових зборів урожаю озимої пшениці в Україні з врахуванням можливої зміни клімату;–

розробити рекомендації щодо зміни структури посівних площ озимої пшениці з врахуванням фактору можливої зміни клімату в Україні.

Об'єктом дослідження є посіви озимої пшениці в Україні.

Предметом дослідження є агрокліматичні умови вирощування та їх вплив на продуктивність озимої пшениці у зв'язку з можливими змінами клімату в Україні.

Методи дослідження включають методи аналізу часових рядів та математичного моделювання продуційного процесу рослин.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що результати досліджень представляють собою теоретичне узагальнення і розв'язання важливої проблеми оцінки впливу можливих змін клімату на продуктивність головної с.-г. культури України – озимої пшениці, яке спрямоване на агрокліматичне обґрунтування засобів адаптації сільського господарства до факту зміни клімату, що має важливе народногосподарське значення. Автором вперше для умов України:–

адаптовано та модифіковано базову модель продуктивності посівів А.М. Польового стосовно озимої пшениці;–

ідентифіковано параметри моделі формування продуктивності озимої пшениці стосовно грунтово-кліматологічних умов України;–

встановлено кількісні характеристики зміни агрокліматичних умов вирощування та фотосинтетичної продуктивності озимої пшениці у зв'язку з можливою зміною клімату;–

встановлено закономірності динаміки середньої обласної урожайності озимої пшениці в Україні;–

встановлено кількісні характеристики коливання урожайності та валових зборів зерна озимої пшениці за різноманітними сценаріями зміни клімату в Україні;–

розроблено рекомендації щодо зміни структури посівних площ озимої пшениці з врахуванням фактору зміни клімату України.

Практичне значення одержаних результатів полягає в агрокліматичному обґрунтуванні необхідності адаптації сільського господарства України вирощування озимої пшениці у зв'язку з можливими змінами клімату. Модель формування урожайності озимої пшениці впроваджена в практику оперативного агрометеорологічного забезпечення сільського господарства Українського гідрометцентру. Вона включена в систему "АРМ - агрометеоролога - прогнозиста" і використовується для кількісної оцінки агрометеорологічних умов вирощування озимої пшениці та при прогнозуванні її урожайності в Україні.

Особистий внесок здобувача. Автором адаптована і модифікована базова модель продуктивності посівів А.М. Польового стосовно озимої пшениці. В модель формування урожайності озимої пшениці включені блоки оцінки посушливих явищ, полягання посівів та "стікання" зерна. Автором виконано ідентифікацію показників моделі стосовно грунтово-кліматологічних умов України. На підставі аналізу тенденцій зміни клімату і розрахунків за допомогою моделі кількісно оцінені зміни агрокліматичних умов вирощування озимої пшениці, коливання урожайності та валових зборів зерна озимої пшениці у зв'язку з різноманітними сценаріями зміни клімату України. Автором розроблені рекомендації щодо зміни структури посівних площ озимої пшениці з врахуванням фактору зміни клімату України.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дослідження доповідались на розширеному науковому семінарі кафедри агрометеорології ОДЕКУ (червень 2003 року), на засіданні вченої ради Українського інституту дослідження навколишнього середовища і ресурсів при Раді національної безпеки і оборони України (листопад 2001 р.), на науково-практичній конференції “Технології та маркетинг в галузі хлібопродуктів” (травень 2002р., м.Київ).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 5 наукових статей. Із них 3 опубліковані у виданнях, рекомендованих ВАК України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел, додатків. Загальний обсяг роботи становить 275 сторінок, містить 23 рисунка, 35 таблиць, додатків на 24 сторінках, список використаних джерел з 216 найменувань.

Автор висловлює глибоку вдячність науковому керівникові дисертації д.г.н., професору А.М.Польовому за надану наукову та методичну допомогу, можливість використання в роботі розробленої ним базової динамічної моделі формування врожаю сільгоспкультур, начальнику відділу агрометеорології Українського гідрометцентру Т.І.Адаменко за допомогу в обробці гідрометеорологічної інформації, д.ф.-м.н., професору В.Ф.Мартазіновій, к.г.н. В.М.Бабіченко та к.г.н. М.Б.Барабаш за використання в дисертації досліджень УкрНДГМІ по зміні клімату в Україні.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність теми дисертації, подається зв’язок роботи з науковими напрямами діяльності ОДЕКУ та Українського гідрометцентру, формулюються мета і задачі дослідження, наукова новизна одержаних результатів, їх практичне значення, наводиться характеристика використаних матеріалів.

У першому розділі викладені біологічні особливості озимої пшениці, аналізуються методи моделювання та прогнозування впливу агрометеорологічних умов на ріст, розвиток та формування її врожаю. Особлива увага приділена довгоперіодичним динамічним моделям формування продуктивності сільськогосподарських культур, оцінці агрокліматичних ресурсів за допомогою фізико-статистичних моделей та моделей продуктивності.

У другому розділі представлені тенденції та можливі сценарії зміни глобального клімату та клімату в Україні на основі публікацій Міжурядової групи експертів по змінах клімату та досліджень українських вчених.

Наводяться головні риси глобального потепління:

-зростання температури від досить низьких значень в кінці ХІХ століття до нинішнього часу;

-швидке зростання температури з середини 1970-х років;

-значні коливання температури від десятиліття до десятиліття;

-регіональна неоднорідність глобального потепління, особливо в холодний період;

-подібні тенденції зростання температури над сушею та океаном;

-зменшення площ льодовиків та снігового покриву;

-тенденція до збільшення кількості атмосферних опадів, зростання інтенсивності небезпечних явищ погоди.

Подаються висновки щодо очікуваних глобальних змін температури, опадів та явищ до 2100 року.

В результаті порівняння кліматологічної норми за весь період спостережень та за період 1961-1990 рр. наводяться висновки щодо зростання середньої річної температури по різних агрокліматичних зонах України, зміни тривалості теплого та холодного періодів, зміни температури по місяцях. Відмічається зменшення річної кількості опадів у Поліссі та у Криму до 20 мм та її зростання у Степу та Лісостепу на таку ж величину. Зміни в кількості опадів мають складний і неоднорідний характер розподілу по окремих регіонах України, існує ряд суттєвих відмінностей для окремих місяців.

З метою розробки сценарієв зміни клімату для території України в дисертації були використані дані розрахунків за такими чисельними моделями загальної циркуляції атмосфери та океану:

-GISS – модель Інституту Годдарда з космічних досліджень, чутливість до подвоєння СО2 – 4.2°С;

-GFDL –модель Лабораторії геофізичної гідродинаміки США, чутливість до подвоєння СО2 -4°С;

-СССМ – модель Канадського кліматичного центру, чутливість до подвоєння СО2 – 3,5°С;

-UKMO – модель Метеорологічного бюро Сполученого Королівства, чутливість до подвоєння СО2 – 3,5°С.

Враховуючи, що моделювання реакції кліматичної системи на поступове зростання вмісту парникових газів має більш реалістичний характер сценарії зміни температури та опадів в Україні будувались також на основі результатів розрахунків по нестаціонарній моделі GFDL з 30% збільшенням концентрації СО2. У табличному вигляді представлені розрахунки очікуваних параметрів температури повітря і сум опадів в Україні.

Третій розділ присвячений опису динамічної моделі продукційного процеса озимої пшениці, представлена модель формування урожаю озимої пшениці в період весняно-літньої вегетації. В основу розробки покладена базова динамічна модель формування урожаю сільськогосподарських культур А.М.Польового, в яку був внесений цілий ряд істотних модифікацій для більш детального обліку впливу на ріст і формування репродуктивних органів таких екстремальних явищ, як посуха та суховії, полягання посівів, „стікання” зерна.

У основі моделі лежить система рівнянь радіаційного, теплового, водного балансів та балансу біомаси у рослинному покриві. Розглядається, що рослина складається з чотирьох функціонально пов’язаних узагальнених органів: листя - l, стебла - s, коріння - r, репродуктивні органи (колосся) - p. В колосі розглядається формування зерна - g. Загальна суха біомаса рослин М складається з підсумку біомаси окремих органів: ml, ms, mr, mp.

Динамічна модель формування урожаю озимої пшениці в період весняно-літньої вегетації складається з п'яти блоків:

1. блок вхідної агрометеорологічної інформації;

2. блок початкових даних та шкали часу;

3. блок чинників навколишнього середовища;

4. біологічний блок;

5. блок врожайності.

У свою чергу блок чинників навколишнього середовища містить три підблоки: перший – радіаційного та водно-теплового режимів посівів; другий – функцій впливу температури повітря та вологозабезпеченості посівів на фотосинтез; третій – комплекс оцінок умов формування врожайності в окремі міжфазні періоди, посушливих явищ, полягання посівів, “стікання” зерна.

Біологічний блок включає в себе чотири підблоки: перший – онтогенетичних кривих фотосинтезу та дихання; другий – фотосинтезу, дихання та приросту рослинної маси; третій – динаміки біомаси органів рослини; четвертий – площі листкової поверхні.

У блоці 1 передбачається використання стандартної декадної агрометеорологічної інформації.

У блоці 2 виконуються розрахунки початкових характеристик рослинного покриву, задаються початкові значення оцінок екстремальних умов, проводиться розрахунок часової шкали та суми ефективних температур.

У блоці 3 виконується розрахунок сумарної сонячної радіації за формулою С.І.Сівкова, інтенсивності ФАР, кількості опадів, що досягли поверхні грунту, випаровуваності з посівів озимої пшениці, рівня грунтових вод, запасів продуктивної вологи, величини ГТК Селянинова. Визначається функція впливу температури на інтенсивність фотосинтезу, а також враховується вплив вологозабезпеченості на процес фотосинтезу: через функцію впливу вологості ґрунту та через відношення сумарного випаровування до випаровуваності.

Кількісна оцінка агрометеорологічних умов формування врожаю озимої пшениці розглядається в три періоди:

-декада до виходу в трубку, декада виходу в трубку, наступна декада після виходу в трубку;

-період вихід в трубку – колосіння;

-період колосіння – воскова стиглість.

Врахування посушливих умов проводиться за декади вегетації шляхом поєднання двох методів оцінки посушливих явищ – методу М.С.Кулика та методу О.О. Цубербіллер, які адаптовані стосовно кожної ґрунтово-кліматичної зони України. Проводиться оцінка умов зволоження орного шару ґрунту, суми опадів і дефіциту насичення повітря. Зниження оцінки умов формування урожаю за рахунок посушливих умов знаходиться за співвідношенням виду:

(1)

де n1, n2, n3 – зниження оцінки умов формування врожаю за рахунок посушливих явищ; Wорн. – запаси продуктивної вологи в орному шарі ґрунту; Wcrit1 і Wcrit2 – критичні рівні запасів продуктивної вологи в орному шарі ґрунту, які характеризують настання ґрунтової посухи; dп – дефіцит насичення повітря; dcrit1 і dcrit2 – критичні рівні дефіциту насичення повітря, котрі характеризують настання повітряної посухи; r – сума опадів; rcrit1 – критичні значення суми опадів, які характеризують настання посухи.

Розрахунок дискримінантних функцій, що характеризують настання явища полягання в різні періоди вегетації, проводиться за формулами О.Д.Пасічнюка:

(2)

, (3)

де – середня за періоди вихід в трубку – колосіння і колосіння – воскова стиглість температура повітря; r1 и r2 – суми опадів за ті ж періоди.

Комплексна оцінка втрати урожаю за рахунок полягання проводиться по співвідношенню характеристик густоти стояння рослин до кількості опадів та величини гідротермічного коефіцієнта:

, (4)

де m1, m2, m3 – оцінка втрати врожаю за рахунок полягання; G – густота стояння рослин; Gcrit1, Gcrit2 – критичні значення густоти стояння рослин, при яких можливе полягання посівів; ГТК – гідротермічний коефіцієнт Селянинова;

ГТКcrit1, ГТКcrit2, ГТКcrit3 – критичні значення ГТК, при яких спостерігаються різні рівні втрат урожаю за рахунок полягання; – сума опадів за одну добу періоду; –

критичні величини добових сум опадів, що приводять до втрати урожаю за рахунок полягання.

Оцінка “стікання” зерна проводиться за співвідношенням характеристик дефіциту насичення повітря і суми опадів в період наливу зерна з врахуванням результатів досліджень І.В.Свісюка:

, (5)

де p1, p2, p3 – втрати врожаю за рахунок стікання зерна; – критичні значення суми опадів в період наливу зерна, які викликають різні рівні втрати урожаю за рахунок “стікання”; Dcrit1 – критичне значення дефіциту насичення повітря, що приводить до “стікання” зерна.

У четвертому блоці описуються зміни інтенсивності фотосинтезу і дихання органів в залежності від віку рослини у вигляді онтогенетичних кривих фотосинтезу та дихання, подається кількісна залежність фотосинтезу від концентрації СО2, розраховуються сумарний фотосинтез посівів за світлий час доби, витрати на дихання та приріст біомаси посіву.

Для опису росту окремих органів рослин скористаємося запропонованими Ю.К. Россом ростовими рівняннями в модифікованому А.М.Польовим вигляді:

(6)

де mi – загальна суха біомаса окремих органів l, s, r, p, g; i – функція перерозподілу “свіжих” асимілятів; i – функція перерозподілу “старих” асимілятів; Сq – частка зерна в масі колосся; nдек. – кількість днів в розрахунковій декаді.

Ріст площі листя посіву визначається при позитивному прирості біомаси листя за формулою :

, (7)

де dL – питома поверхнева площа листя, г/м2.

При від'ємному прирості біомаси листя для опису росту асимілюючої поверхні використовується таке співвідношення:

, (8)

де kc – параметр, що характеризує критичну величину зменшення живої біомаси листя, при якій починається її відмирання.

У п’ятому блоці урожай зерна знаходиться з врахуванням впливу несприятливих агрометеорологічних умов:

Мзерн. = 0,1 mg (Cпосух. Споляг. Сстік.)0,333 . (9)

Ідентифікація параметрів моделі формування врожаю озимої пшениці виконана на основі матеріалів агрометеорологічних спостережень за період 1975-2002рр. та літературних джерел , в яких висвітлюються відповідні проблеми.

Перевірка адекватності моделі проведена двома способами. Перший спосіб полягає в зіставленні розрахованих за допомогою моделі щодекадних кількісних оцінок впливу агрометеорологічних умов на формування урожаю з динамікою середньої за декаду температури повітря та кількості опадів у порівнянні з їх кліматичним ходом. Комплексна кількісна оцінка виконувалася для всіх адміністративних областей України. Для прикладу в роботі наводяться результати для шести областей України розташованих у різних грунтово-кліматичних зонах (Київська, Черкаська, Волинська, Хмельницька, Кіровоградська, Донецька і Херсонська) за період 1998–2002 рр.

Комплексна оцінка впливу погодних умов на формування урожаю культур є багатокомпонентною оцінкою, що включає:–

оцінку впливу температури повітря і умов вологозабезпечення; –

оцінку умов розвитку рослин, проходження окремих міжфазних періодів (відновлення вегетації – вихід у трубку, вихід у трубку – колосіння, колосіння – воскова стиглість); –

оцінку втрат урожаю за рахунок посухи та суховіїв;–

оцінку втрат урожаю за рахунок полягання посівів, викликаного погодними умовами;–

оцінку умов наливу зерна і можливих втрат урожаю за рахунок "стікання" зерна.

У порівнянні із середніми багаторічними комплексними оцінками впливу погодних умов оцінки, отримані у розглянуті роки, змінюються до 50 %. Найбільші зміни оцінок викликані опадами.

Інший спосіб перевірки моделі полягає в порівнянні розрахованої за допомогою моделі середньої обласної урожайності озимої пшениці з фактичною урожайністю. Перевірка проводилась за даними вегетаційних періодів 2000–2002 рр. Оцінювалась абсолютна та відносна похибка розрахунку урожайності.

Відносна похибка розрахунку коливається від 13,5 до 15,4%. Коефіцієнт кореляції розрахованих та фактичних даних становить для 2000 року 0,927, для 2001 року 0,828, а для 2002 року 0,686. При порівнянні розрахункової та фактичної урожайності спостерігається задовільна точність розрахунків.

У четвертому розділі представлені зміни агрометеорологічних умов та оцінки фотосинтетичної продуктивності озимої пшениці у зв’язку з можливою зміною клімату на різних континентах, у різних країнах та в Україні. Розглянуті різні сценарії зміни клімату, розраховані агрометеорологічні показники осінньо-зимового та весняно-літнього періодів вегетації для різних регіонів України.

Згідно з усіма використаними сценаріями суттєво змінюються агрометеорологічні умови осінньо-зимового періоду – більш пізніший термін строків посіву та припинення вегетації озимої пшениці, зростає кількість опадів осіннього періоду на 10-40%, зменшується в кілька разів сума від’ємних температур, підвищення на кілька градусів середньої температури найхолоднішої декади.

Особливо значні зміни агрометеорологічних умов можливі у період весняно-літньої вегетації. Крім того, мають місце суттєві відмінності зміни агрометеорологічних умов за різними сценаріями.

За умов реалізації сценарію GFDL:

-зменшення кількості опадів до 75-90% норми у Поліссі, Ліостепу та деяких областях Північного Степу;

-збільшення кількості опадів до 108-133% норми у Південному Степу;

-зростання середньої температури повітря за період відновлення вегетації – колосіння у Лісостепу на 1°С, за період колосіння – воскова стиглість на 0,9-2,9°С;

-збільшення запасів продуктивної вологи метрового шару грунту у Степу на 10-20%, зменшення в Західному Поліссі;

-зменшення сумарного випаровування у всіх агрокліматичних зонах.

За умов реалізації сценарію UKMO:

-малозмінний режим опадів у південному Степу, зменшення кількості опадів на решті території;

-зростання середньої температури на 1-2°С, лише у Південному Степу деяке зниження;

-збільшення запасів продуктивної вологи метрового шару грунту у більшості областей на 15-35%;

-зменшення ФАР до 58-98% норми;

-зменшення сумарного випаровування на 10-35%

За умов реалізації сценарію GFDL - 30%:

-зменшення кількості опадів лише на заході Полісся та півдні Лісостепу;

-несуттєві зміни середньої температури, лише у Південному Степу ймовірне її зниження;

-збільшення запасів продуктивної вологи до 145% норми, лише у Передкарпатті та на Закарпатті вона зменшиться на 5-10%;

-зменшення суми ФАР та сумарного випаровування в усіх грунтово-кліматичних зонах.

Розрахована фотосинтетична продуктивність озимої пшениці за різними сценаріями зміни клімату по грунтово-кліматичних зонах України. Наведені результати розрахунків по різних сценаріях, що дають підстави стверджувати про можливе зростання приросту загальної сухої біомаси, деяке зменшення фотосинтетичного потенціалу, зростання урожаю загальної біомаси, несуттєву зміну коефіцієнту господарської ефективності та зростання урожаю біомаси зерна.

У п’ятому розділі наводяться результати аналізу динаміки сучасної тенденції урожайності озимої пшениці в Україні, детальна оцінка коливання урожайності та валових зборів зерна при реалізації різних сценаріїв зміни клімату з різним ступенем ймовірності.

Проаналізовані зміни тенденції урожайності озимої пшениці за період 1961-2000рр. по п’ятиріччях. Розглядались дві характеристики: абсолютний приріст тенденції урожайності і темп росту тенденції урожайності.

Максимальні значення абсолютного приросту тенденції урожайності до 3,7 9,5 ц/га приходяться в Поліссі і Степу (за винятком Донецької області) на період 1966–1970 рр. У Лісостепу, Прикарпатті та Закарпатті період максимальних приростів охоплює три п'ятиріччя (1966–1970; 1971–1975; 1976–1980). У ці ж періоди відмічається максимальний темп росту тенденції урожайності, який досягав в Поліссі 126,8–139,4 %, в Лісостепу 115,1–138,6 %, в Степу 114,2–142,4 %, а в Прикарпатті та Закарпатті 121,7–130,7%. Починаючи з 1986 р. в половині областей Полісся і в більшій частині областей Степу, а з 1991 р. в Лісостепу, а також в Прикарпатті та Закарпатті він стає стійко негативним. Потрібно особливо відмітити ту важливу обставину, що негативна тенденція в динаміці урожайності не подолана і впродовж двох, а в деяких областях і трьох п'ятиріч продовжувала посилюватися. В останньому п'ятиріччі періоду, що розглядається 1996–2000 рр., сталося значне сповільнення темпу росту тенденції, а негативний приріст тенденції урожайності озимої пшениці склав за абсолютною величиною в Поліссі 0,6–3,8 ц/га, в Лісостепу 2,7–8,8 ц/га, в Степу 1,9–8,6 ц/га, у Прикарпатті та Закарпатті 5,9–8,7 ц/га.

Аналіз результатів модельних розрахунків коливання урожайності озимої пшениці у зв’язку з очікуваними змінами клімату за сценаріями GFDL, GFDL-30%, UKMO показує суттєву зміну врожаїв як по абсолютній величині, так і по відношенню до сучасного рівня урожайності (табл.1).

У більшості областей за всіма сценаріями слід очікувати зростання врожайності від 10 до 42%. Найбільше зростання у південних та деяких центральних регіонах України. Зменшення врожайності можливе на Закарпатті та в Івано-Франківській області, незначні зміни в окремих областях Полісся.

На основі розмірів посівних площ 2001 року розраховані коливання валових зборів зерна озимої пшениці за середніми багаторічними даними та за різними сценаріями з ймовірністю 99%, 95% та 99,9%.

За кліматичними даними мінімальний валовий збір зерна озимої пшениці може знижуватись до 9,95млн. т, а максимальний – підвищуватись до 25,39 млн. т. При зміні кліматичних умов за моделями GFDL і UKMO (подвоєння вмісту СО2 в атмосфері) та GFDL - 30 % (збільшення СО2 на 30 % в атмосфері) мінімальний валовий збір зерна озимої пшениці з імовірністю 99 % може складати 14,71-14,20 млн. т. По відношенню до середніх кліматичних умов можна очікувати зростання мінімального валового збору в цілому по Україні до 114-143 %. При таких умовах максимальний валовий збір зерна озимої пшениці з імовірністю 99 % може скласти 27,01-29,85 млн.т. Мінливість за всіма сценаріями коливатиметься в межах 2,83 млн. т. По відношенню до середніх кліматичних даних можна очікувати зростання максимального валового збору зерна озимої пшениці в цілому по Україні до 106-118 %.

Таблиця 1

Оцінка очікуваної урожайності озимої пшениці по відношенню до сучасного рівня у зв'язку з можливими змінами клімату за різноманітними сценаріями

Грунтово - кліматична зона, область | Посівна площа озимої пшениці на рівні 2001 р. (тис. га.) | Сценарії

GFDL | GFDL, 30% | UKMO

Полісся

Волинська | 90 | 0,98 | 1,26 | 1,13

Рівненська | 97 | 1,10 | 1,13 | 1,08

Житомирська | 137 | 1,08 | 0,95 | 1,00

Чернігівська | 123 | 1,09 | 1,12 | 1,03

Лісостеп

Львівська | 86 | 0,97 | 1,15 | 1,14

Тернопільська | 151 | 1,20 | 1,19 | 1,13

Хмельницька | 272 | 1,14 | 1,10 | 1,03

Вінницька | 353 | 1,16 | 1,20 | 0,90

Київська | 232 | 1,10 | 0,97 | 1,03

Сумська | 181 | 1,11 | 1,22 | 1,16

Черкаська | 237 | 1,19 | 1,15 | 1,01

Полтавська | 253 | 1,26 | 1,22 | 1,08

Харківська | 298 | 1,20 | 1,24 | 0,96

Степ

Кіровоградська | 320 | 1,13 | 1,31 | 1,08

Дніпропетровська | 346 | 1,17 | 1,39 | 1,02

Донецька | 262 | 1,04 | 1,13 | 0,98

Луганська | 137 | 1,08 | 1,18 | 0,99

Одеська | 511 | 1,40 | 1,31 | 1,10

Миколаївська | 449 | 1,24 | 1,30 | 1,31

Запорізька | 407 | 1,34 | 1,36 | 1,37

Херсонська | 385 | 1,42 | 1,38 | 1,21

АР Крим | 303 | 1,32 | 1,39 | 1,35

Закарпаття та Передкарпаття

Закарпатська | 13 | 0,86 | 0,70 | 0,80

Івано-Франківська | 44 | 0,90 | 0,93 | 0,82

Чернівецька | 57 | 1,20 | 1,05 | 1,13

Таблиця 2

Оцінка структури посівних площ озимої пшениці в зв'язку з можливими змінами клімату в порівнянні з сучасною структурою посівних площ

Грунтово-кліматична зона, область | Посівна площа озимої пшениці на рівні 2001 р. | За кліматичними сценаріями по відношенню до сучасної посівної площі озимої пшениці в області | За кліматичними сценаріями по відношенню до загальної площі озимої пшениці в Україні

тис. га | по відно-шенню до загальної площі оз. пшениці | GFDL | GFDL, 30% | UKMO | GFDL | GFDL, 30% | UKMO

Полісся

Волинська | 90 | 0,016 | 1,10 | 1,04 | 1,33 | 0,017 | 0,016 | 0,021

Рівненська | 97 | 0,017 | 0,88 | 0,84 | 0,79 | 0,015 | 0,014 | 0,013

Житомирська | 137 | 0,024 | 0,99 | 0,95 | 0,90 | 0,024 | 0,023 | 0,022

Чернігівська | 123 | 0,021 | 1,10 | 1,05 | 1,00 | 0,024 | 0,022 | 0,021

Лісостеп

Львівська | 86 | 0,015 | 1,10 | 1,05 | 1,00 | 0,017 | 0,016 | 0,015

Тернопільська | 151 | 0,026 | 1,15 | 1,21 | 1,28 | 0,030 | 0,032 | 0,034

Хмельницька | 272 | 0,047 | 0,95 | 1,00 | 1,06 | 0,045 | 0,048 | 0,050

Вінницька | 353 | 0,061 | 0,93 | 0,99 | 0,72 | 0,057 | 0,061 | 0,045

Київська | 232 | 0,040 | 1,13 | 1,18 | 1,26 | 0,046 | 0,048 | 0,051

Сумська | 181 | 0,32 | 0,97 | 0,92 | 0,88 | 0,030 | 0,029 | 0,028

Черкаська | 237 | 0,041 | 1,01 | 1,07 | 1,13 | 0,042 | 0,044 | 0,046

Полтавська | 253 | 0,044 | 1,45 | 1,53 | 1,61 | 0,064 | 0,067 | 0,071

Харківська | 298 | 0,052 | 1,31 | 1,38 | 0,66 | 0,068 | 0,072 | 0,034

Степ

Кіровоградська | 320 | 0,056 | 0,91 | 0,64 | 0,61 | 0,050 | 0,036 | 0,034

Дніпропетровська | 346 | 0,060 | 1,29 | 1,05 | 1,44 | 0,078 | 0,063 | 0,087

Донецька | 262 | 0,046 | 0,50 | 0,48 | 0,46 | 0,023 | 0,022 | 0,021

Луганська | 137 | 0,024 | 0,50 | 0,47 | 0,45 | 0,012 | 0,011 | 0,011

Одеська | 511 | 0,089 | 0,91 | 0,96 | 0,52 | 0,081 | 0,085 | 0,046

Миколаївська | 449 | 0,078 | 0,47 | 0,45 | 1,08 | 0,037 | 0,035 | 0,084

Запорізька | 407 | 0,071 | 1,25 | 1,32 | 1,39 | 0,089 | 0,094 | 0,099

Херсонська | 385 | 0,067 | 1,29 | 1,37 | 1,44 | 0,087 | 0,092 | 0,096

АР Крим | 303 | 0,053 | 0,90 | 0,95 | 1,00 | 0,048 | 0,050 | 0,053

Закарпаття та Прикарпаття

Закарпатська | 13 | 0,002 | 1,08 | 1,08 | 1,00 | 0,002 | 0,002 | 0,002

Івано-Франківська | 44 | 0,008 | 1,07 | 1,02 | 0,98 | 0,008 | 0,008 | 0,007

Чернівецька | 57 | 0,010 | 0,89 | 0,95 | 1,00 | 0,009 | 0,009 | 0,010

Отримані також аналогічні оцінки коливання валових зборів зерна озимої пшениці за різними сценаріями з ймовірністю 95 % та 99,9 %.

У шостому розділі викладаються рекомендації щодо зміни структури посівних площ озимої пшениці та врахування фактору зміни клімату у сфері виробництва зерна в Україні. Задача оптимізації структури посівних площ виглядає наступним чином:

, (10)

при таких граничних умовах:

, (11)

та

, (12)

де N – номер області; xi – посівна площа озимої пшениці в і-й області; Pi – можлива урожайність озимої пшениці при реалізації кліматичного сценарію;

– мінімально або максимально можлива площа озимої пшениці в і-й області; Sбаз – загальна посівна площа озимої пшениці в Україні, яка прийнята за

базову. Результати оптимізації структури посівних площ озимої пшениці у зв’язку з можливими змінами клімату наведені в табл.2.

Підготовлені рекомендації щодо врахування фактору зміни клімату у сфері виробництва зерна в Україні, з яких випливає необхідність суттєвих змін оптимальних строків сівби та строків збирання врожаю, вибору найоптимальнішого сценарію зміни клімату для вироблення стратегії політики в аграрному секторі, суттєвого перегляду складу вирощуваних сортів озимої пшениці, перегляду розподілу спеціалізованих зон насінництва.

ВИСНОВКИ

Результати виконаних досліджень представляють собою теоретичне узагальнення і розв'язання важливої проблеми оцінки впливу можливих змін клімату на продуктивність головної сільськогосподарської культури України – озимої пшениці. Дослідження були спрямовані на агрокліматичне обґрунтування засобів адаптації сільського господарства до факту зміни клімату, що має важливе народногосподарське значення. Основні результати дослідження полягають у наступному.

1. Дано аналіз сучасного стану досліджень зміни глобального клімату та аналіз тенденції зміни клімату в Україні. Надаються характеристики сучасної зміни режиму температури повітря та опадів в Україні, сценарії зміни регіонального клімату основних грунтово-кліматичних зон України.

2. Адаптовано та модифіковано базову модель продуктивності посівів А.М. Польового стосовно озимої пшениці. Для основних грунтово-кліматичних зон України (Полісся, Лісостеп, Пінічний та Південний Степ, Прикарпаття та Закарпаття) ідентифіковані параметри моделі формування урожаю озимої пшениці. Виконана перевірка адекватності моделі формування урожайності озимої пшениці.

3. Модель формування урожайності озимої пшениці впроваджена в практику оперативного агрометеорологічного забезпечення сільського господарства в Українському гідрометцентрі.

4. На підставі вибраних сценаріїв зміни клімату дана оцінка зміни агрокліматичних умов осінньо-зимового періоду вирощування озимої пшениці у зв'язку з можливою зміною клімату для основних грунтово-кліматичних зон України.

5. Оцінка агрокліматичних умов весняно - літньої вегетації озимої пшениці при реалізації різних сценаріїв клімату дозволила встановити строки настання фази воскової стиглості зерна озимої пшениці.

6. Виконана оцінка впливу агрокліматичних умов весняно - літньої вегетації озимої пшениці при реалізації різних сценаріїв клімату на фотосинтетичну продуктивність озимої пшениці.

7. Встановлено закономірності динаміки тенденції середньої обласної урожайності озимої пшениці в Україні в розрізі грунтово-кліматичних зон.

8. Дано оцінку коливання урожайності озимої пшениці в Україні у зв'язку зі зміною клімату.

9. Дано оцінку коливань валових зборів озимої пшениці в Україні у зв'язку з можливими змінами клімату, яка показала, що найбільш сприятливі умови вирощування культури складуться при реалізації сценаріїв GFDL та GFDL - 30 %, при яких валовий збір зерна пшениці (при посівних площах на рівні 2001 року) становитиме 21,67-21,81 млн. т. При реалізації сценарію UKMO валовий збір при тих же посівних площах складатиме 20,01 млн. т.

10. Розроблено рекомендації щодо оптимізації структури посівних площ озимої пшениці в Україні з врахуванням нових можливих умов клімату. Сформульовані рекомендації щодо врахування фактору зміни клімату при розробці державної політики в сфері виробництва зерна озимої пшениці.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Полевой А.Н., Кульбида Н.И. Моделирование формирования урожая озимой пшеницы в период весенне-летней вегетации в Украине // Міжвідомчий науковий збірник України. –Метеорологія, кліматологія та гідрологія. – Одеса -2001. – Випуск 43. –с.127-135.

2.Кульбида Н.И. Динамика тенденции урожайности озимой пшеницы в Украине // Міжвідомчий науковий збірник України. – Метеорологія, кліматологія та гідрологія. – Одеса. -2001. – Випуск 44. –с.95-102.

3.Польовий А.М., Трофимова І.В., Кульбіда М.І., Адаменко Т.І. Оцінка коливань валових зборів озимої пшениці в Україні за різними сценаріями зміни клімату // Збірник наукових праць. – Екологія і ресурси. – Київ.-2003.-Випуск 5. –с.106-113.

4.Кульбіда М.І. Сценарії змін клімату в Україні та оцінка їх впливу на фотосинтетичну продуктивність озимої пшениці (регіональні та міжнародні аспекти) //серія міжнародні відносини. – Вісник Львівського університету. – Львів. – 2002. – Випуск 8. с.138-148.

5.Ромащенко М.І., Собко О.О., Савчук Д.П., Кульбіда М.І. Про деякі завдання аграрної науки у зв’язку зі змінами клімату //Наукова доповідь – інформація. – Київ. – 2003.

АНОТАЦІЇ

Кульбіда М.І. Агрометеорологічні умови і продуктивність озимої пшениці при зміні клімату в Україні. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук. – Спеціальність 11.00.09 – метеорологія, кліматологія, агрометеорологія. Одеський державний екологічний університет, Одеса, 2003.

Дисертація присвячена оцінці впливу можливих змін клімату на продуктивність озимої пшениці в Україні. Приведена кількісна оцінка впливу агрометеорологічних умов на формування врожаю озимої пшениці та оцінка агрокліматичних ресурсів. Викладаються тенденції та можливі сценарії зміни глобального клімату та клімату в Україні. Розглядається моделювання впливу чинників зовнішнього середовища на формування продуктивності озимої пшениці. Дана кількісна оцінка фотосинеттичної продуктивності озимої пшениці у зв’язку з можливою зміною клімату. Викладаються зміни агрокліматичних умов вирощування озимої пшениці в осінньо-зимовий та весняно-літній період. Приводиться оцінка коливань урожайності та валових зборів зерна озимої пшениці за різними сценаріями зміни клімату з різною ймовірністю. Розроблені рекомендації щодо зміни структури посівних площ озимої пшениці та врахування фактору зміни клімату у сфері виробництва зерна в Україні.

Ключові слова: озима пшениця, зміна клімату, модель, продуктивність, урожайність, валовий збір.

Кульбида Н.И. Агрометеорологические условия и продуктивность озимой пшеницы при изменении климата в Украине. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук. – Специальность 11.00.09 – метеорология, климатология, агрометеорология. – Одесский государственный экологический университет, Одесса, 2003.

Диссертация посвящена оценке влияния возможных изменений климата на продуктивность озимой пшеницы в Украине. Проанализировано современное состояние количественной оценки влияния агрометеорологических условий на формирование урожая озимой пшеницы и оценка агроклиматических ресурсов. Исследованы биологические особенности озимой пшеницы, рассмотрены методы моделирования и прогнозирования влияния агрометеорологических условий на рост, развитие и урожайность озимой пшеницы.

Разработана модель формирования урожая озимой пшеницы в период весенне-летней вегетации на основе базовой динамической модели формирования урожая сельскохозяйственных культур, в которую был внесен ряд модификаций по учету влияния на урожайность таких экстремальных явлений, как засуха и суховеи, полегание посевов, “стекание” зерна. Учет засушливых условий проводится за все декады вегетации путем объединения оценок увлажнения пахотного слоя почвы, суммы осадков и дефицита насыщения воздуха. Расчет дискриминантных функций, которые характеризуют наступление явлений полегания, проводится в зависимости от средней температуры воздуха и критических сумм осадков за периоды выход в трубку-колошение и колошение-восковая спелость. Комплексная оценка потерь урожая за счет полегания выполняется с учетом характеристик густоты стояния растений. Оценка “стекания” зерна проводится по характеристикам дефицита насыщения воздуха и сумм осадков в период налива зерна в сравнении с критическими значениями сумм осадков этого периода. Модель состоит из пяти блоков:

-блок входной агрометеорологической информации;

-блок начальных данных и шкалы времени;

-блок факторов окружающей среды;

-биологический блок;

-блок урожайности.

Излагаются тенденции и возможные сценарии изменения глобального климата и климата в Украине. Сделан вывод, что динамика изменений климата в Украине в значительной степени повторяет динамику изменений глобального климата, что подтверждается подобностью хода аномалии глобальной и региональной температуры воздуха.

С целью построения сценариев изменений климата в Украине были использованы расчеты по таким численным моделям общей циркуляции атмосферы и океана:

-GISS – модель Института Годдарда по космическим исследованиям;

-GFDL – модель Лаборатории геофизической гидродинамики США;

-СССМ – модель Канадского климатического центра;

-UKMO –модель Метеорологического бюро Соединенного Королевства.

С учетом того, что моделирование реакции климатической системы на постепенное увеличение концентрации парниковых газов имеет более реалистический характер, сценарии изменений температуры и осадков в Украине строились также на основе нестационарной модели GFDL при 30% увеличении концентрации СО2.

Приводится количественная оценка фотосинтетической продуктивности озимой пшеницы. Излагаются изменения агроклиматических условий выращивания озимой пшеницы в осенне-зимний и весенне-летний периоды при условии реализации различных сценариев изменения климата. Выполнена оценка колебаний урожайности и валовых сборов зерна озимой пшеницы за различными сценариями, показана динамика современной тенденции урожайности озимой пшеницы в Украине. Сделан вывод о возможном увеличении урожайности озимой пшеницы в большинстве регионов Украины при всех сценариях изменения климата с максимальным значением в южных областях (до 42% по отношению к современному уровню). Разработаны рекомендации по изменению структуры посевных площадей озимой пшеницы и учета фактора изменений климата в сфере производства зерна в Украине.

Ключевые слова: озимая пшеница, изменение климата, модель, продуктивность, урожайность, валовой сбор.

Kulbida M.I. Agrometeorological conditions and