Почвенные засухи в Башкортостане, естественные причины их возникновения и их оценка

Актуальность темы

исследования. Современный этап развития сельскохозяйственного производства нуждается в прогнозировании такого опасного явления природы, как почвенная засуха. Ущерб, наносимый всем отраслям сельского хозяйства, можно сократить до минимума, если вовремя принять меры по предотвращению пагубных последствий засушливых условий. Вопрос о связи солнечной активности и засушливых явлений по территории Республики Башкортостан, при всей своей актуальности в этой плоскости в литературе практически не освещался.

Цели и задачи исследования. Целью данного исследования является систематизация явления почвенной засухи на территории Республики Башкортостан, отражение ее на почвенной влаге и продуктивности сельскохозяйственных культур и возможность прогнозирования их по республике.

Задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели:

1. Выявить наиболее показательные критерии для сельского хозяйства Республики Башкортостан характеристики почвенных засух.

2. Изучить почвенные засухи Республики Башкортостан в режиме почвенной влагообеспеченности яровых хлебов.

3. Систематизировать и характеризовать наблюдавшиеся на территории республики почвенные засухи.

4. Наметить связи между почвенными засухами и солнечной активностью.

5. Изучить возможности прогноза наступления почвенных засух на территории республики. 4.

6. Определить влияние природной цикличности на почвенную влагу и урожайность яровой пшеницы.

Новизна работы и практическая значимость. Впервые явление почвенной засухи рассматривается комплексно для всей территории республики. Солнечная активность и метеорологические данные сопоставляются и анализируются параллельно с данными состояния сельскохозяйственных культур, с данными о почвенной влаге. Найденные связи дают возможность делать прогнозы наступления засушливых явлений по охвату территории и времени наступления, а также по ожидаемому ущербу.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 158 страницах машинописного текста, включает 15 таблицДЗ рисунков, состоит из введения, 5 глав, выводов и 18 приложений.

Список литературы

включает 152 наименований (в том числе 7 на иностранных языках).

Выводы, основанные на богатом русском летописном материале, сделал ученый М. А. Боголепов. Он явно обнаружил 33-летнюю периодичность в ходе климатических факторов. Трижды в столетие, утверждает Боголепов, Русская равнина поражается резкой засухой, которая следует за чрезмерными осадками (цитируется по Борисенкову Е. П., Пасецкому В. М., 1983).

Природная цикличность оказывает очень большое и всестороннее влияние на различные отрасли сельского хозяйства. Об этом влиянии можно судить, прежде всего, как отмечает Дроздов 0-А.(1980), по степени хозяйственной освоенности земельных уго.

64 дий в сухую и влажную фазы. В сухую фазу сокращается урожайность сельскохозяйственных культур. Смена влажных и сухих фаз в 11-летних циклах влияет на урожайность зерновых культур. Именно на сухие фазы, как указывал Максимов А.А.(1989), чаще всего приходятся засухи.

Совокупность явлений погоды по нашим исследованиям (Каша-пов Р. Ш, Власова Т. И., 1997), характерные для Республики Башкортостан, претерпевает из года в год изменения. Основанием для таких выводов является результаты анализа статистических данных по температурному режиму атмосферы и по количеству осадков по территории Республики Башкортостан. Для расчета отклонений температуры воздуха и количества осадков от средних многолетних значений была составлена программа на языке Паскаль. База данных для расчетов формировалась в Mikrosoft Excel. Программа работает на любой ПЭВМ классом не ниже XT 386, версия DOS не ниже 3.0, монитор EGA или VGA, оперативная память не менее 640 Кб, память на винчестере около 8 МГб.

Часто эти изменения мало заметны, но иногда они принимают значительные величины. Это наталкивает на мысль, что климат республики подчинен определенной зависимости от периодов солнечной активности. Работы по установлению этих зависимостей чаще приводят к противоречивым выводам и взаимно уничтожающим результатам. Можно согласится с таким выводом: климат республики сохраняет основные климатические характеристики неизменными, но он периодически претерпевает колебания, иногда очень резкие.

Вопрос о том, влияет ли солнечная активность на состояние нижних слоев атмосферы — на погоду и климат, поставлен и исследуется уже несколько десятков лет. Интересен этот вопрос и применительно к климату республики (Чижевский А.А., 1973). Подмечена.

65 корреляция между явлениями на Солнце и явлениями в нижних слоях атмосферы.

Ранее одним из основных возражений против существования такого влияния было то, что энергия, привносимая в атмосферу различными проявлениями солнечной активности, весьма невелика, по сравнению с энергией, затрачиваемой на формирование погоды. Однако, как указывал Федоров Е.К.(1973), в последние 35−40 лет твердо установлено, что атмосферные процессы временами могут приходить в такое неустойчивое состояние, когда и небольшого по энергии воздействия достаточно для того, чтобы изменить характер дальнейшего развития процесса. Таким образом, сам факт воздействия явлений солнечной активности на некоторые процессы в нижнем слое атмосферы не вызывает особых сомнений.

Из большого числа циклов, присущих Солнцу, выделяются основные:! 1-летний (длительностью 9−14 лет), 22-летний, или двойной (18−25 лет), вековой (80−90 лет) и т. д.

Природные циклы с участием солнечной активности могут сочетаться друг с другом. Элементарные природные циклы нельзя считать полностью самостоятельными, не связанными и не соподчиненными с другими, как указывает А. А. Максимов (1989). Они входят составными частями в общий для них природный цикл более высокого ранга и с более длительным периодом, занимая в нем свою территориально — временную нишу (А.А.Максимов 1989).

В пределах каждой ландшафтно-географической зоны республики Башкортостан (лесостепь, степь и др.) существует ведущий для нее природный цикл, свойственный типичному для зоны типу местности. Но здесь могут быть и другие природные циклы.

В зависимости от своеобразия физико-географических условий Республики Башкортостан циклы космоса формируют более узкие местные, чаще всего зональные климаты с присущими им циклами.

Конечно, длина использованного ряда недостаточна для характеристики динамики климата. Поэтому предпочтительнее говорить лишь о некоторых тенденциях, проявляющихся в результате анализа имеющихся данных. Они сводятся к следующему:

— тесной связи засух с активностью Солнца не обнаружено. Они возможны как в годы возрастания, так и в годы понижения активности Солнца. Однако при росте солнечной активности Солнца они случаются чаще,.

— в периоды возрастания чисел Вольфа вероятность годичных засух выше, чем при спокойном Солнце,.

— определенной связи степени интенсивности засух с солнечной активностью установить по нашим данным не удалось. Достаточно сильные засухи возможны на любой фазе цикла солнечной активности, за исключением минимума,.

— при минимальной солнечной активности засухи не зарегистрированы.

Дальнейшее повышение культуры земледелия требует более глубокого изучения зависимости урожайности сельскохозяйственных культур от метеорологических условий и детального учета климатических и погодных особенностей каждого сельскохозяйственного района республики.

Анализ данных солнечной активности, количества осадков с января по сентябрь (Приложение 6) и величины урожая всех зерновых и зернобобовых по республике Башкортостан с 1948 по 1998 год (Приложение 5,10,11, рис.9) обнаруживают определенную степень зависимости. Кроме того, чем больше выпадает осадков за первое полугодие в том или ином районе республики, тем меньше значение относительной изменчивости урожайности яровых зерновых культур.

Пики солнечной активности, сопровождающиеся зачастую резким понижением количества осадков, приводят к уменьшению.

68 урожайности на полях республики на 15−65% от среднемноголетних значений. К засухам принято относить те случаи, когда урожаи яровых зерновых хлебов бывают не менее чем на 20- 25% меньше многолетней величины для данного агроклиматического района [85]. Примером таких потерь урожая могут послужить 1957, 1989 годы.

Конечно, влияние солнечной активности через величину выпавших осадков лишь один из очень многих факторов формирования урожаев. Ранее одним из основных возражений против существования такого влияния был довод о том, что различные проявления энергии солнечной активности очень малы по сравнению с энергией, затрачиваемой на формирование погоды (Селянинов Г. Т., 1958, Руденко А. И., 1958). Последние исследования утверждают, что атмосферные процессы часто принимают столь неустойчивое состояние, что небольшого воздействия достаточно для изменения развития всего атмосферного процесса. Примерами таких потерь урожая могут послужить 1957, 1989 годы (Максимов С. А, 1989, Чижевский А. А., 1973).

S>

25 Г 5.

5Б5Б57?ВШЮаб263й6Бе5 67 6ВЮЮ7172 73 747Б7Б 77 787ЭЯ)8!аг83й8Б8В87 8В8 990 913г9Вй9Б36 87,9 В Годы рис. 12 Ход солнечной активности, количества осадков с января до сентябрь и урожайности всех зерновых и зернобобовых на территории республики Башкортостан с 1955 по 1998 гг.

1. Солнечная активность (Число Вольфа).

2. Осадки с января по сентябрь, %.

3. Урожайность всех зерновых и зернобобовых на территории Республики Башкортостан.

Не вызывает сомнений тот факт, что воздействие солнечной активности в той или иной мере на формирование урожайности имеет место. Интенсивность такого воздействия зависит от того, в каком состоянии находилась атмосфера к моменту воздействия.

Четкой закономерности, подтверждающей хронологию смен фаз увлажненности по суммам осадков, не обнаруживается. Аномальные по осадкам отдельные годы при анализе такого многолетнего процесса, как смена фаз в 11-летнем цикле, не могут играть существенную роль. Только повторяющиеся несколько лет подряд однотипные отклонения количества осадков от нормы приводят к кардинальным изменениям почвенно-экологических условий.

Признание влияния солнечных циклов помогает в исследовании многих природных процессов, в том числе в исследовании повторяемости засух. Много лет засухи изучали как самостоятельное явление. Между тем засухи надо рассматривать в связи с существующей в Республике Башкортостан сменой фаз природного цикла, абиотической составляющей которого является цикличность солнечной активности. Засуха — элемент одной из этих фаз, и только в таком сочетании можно понять закономерности их развития (Максимов 1989).

Анализируя 11 -летнюю цикличность на территории РБ можно утверждать, что для влажной фазы отмечаются следующие особенности: замедляется созревание яровых культур (на 10−12 дней), что создает угрозу попадания посевов под осенние заморозкиуборка урожая задерживается.

В сухую фазу зерновые убираются со всей засеянной площади. Урожай всех зерновых во влажную фазу бывает в среднем выше на 4−5 цга, чем в годы сухой фазы, но качество полученного зерна резко снижается, как это было в 1997 году.

ГЛАВА 5 Влияние природной цикличности на почвенную влагу и урожай яровой пшеницы.

Объективным подтверждением циклического чередования влажных и сухих фаз в республике Башкортостан служат данные по многолетнему изменению уровня влагосодержания почвы в различных слоях и под различными сельскохозяйственными культурами (Гридасов В.Ф., 1977). В их многолетней динамике наблюдаются подъемы и спады относительно средней многолетней, в целом соответствующие фазам 11 -летнего климатического цикла. Повышение почвенных влагозапасов происходит позже начала влажной фазы, а снижение — идет с еще большим запозданием (Максимов А.А., 1989).

Почва для растений является началом всех жизненных процессов. Из нее растения получают воду и все необходимые для них элементы питания. Почва, как среда обитания сельскохозяйственных растений, изменчива по многим причинам, в том числе и по климатическим (Фокин А.Д., 1986). Реакция растений на изменение среды обитания осуществляется через конкретные жизненные процессы.

Почвенная влага создает внутреннюю среду, в которой происходят все жизненные процессы, растворяет минеральные вещества в почве, подготавливая их к усвоению растениями. Только в водной среде поступают в растения необходимые ему элементы питания. Без водной среды невозможно также протекание физиологических процессов в растительном организме (Ерхов Н.С., 1981, КачинскийН.А., 1978, Кулинцев Ф., 1978).

Вода является регулятором температуры листьев, она предотвращает их перегрев в результате транспирации.

Благодаря тургору клеток и тканей растения ориентируются в пространстве, выносят ассимилирующие части к свету, а прорастающие семена преодолевают сопротивление почвы при выходе проростков на поверхность (Панадиади А.Д., 1965, Саноян М. Г., 1982). Вода используется растениями как исходный строительный материал, как источник водорода.

71 и кислорода при синтезе органических веществ, образующихся в результате фотосинтеза. Все биохимические процессы в клетках протекают только при наличии воды. Основной источник поступления воды в растения — почва (Федоров В.Д., 1973, Федосеев А. П., 1974). Источником воды в почве являются атмосферные осадки и грунтовые воды, которые создают запасы продуктивной влаги.

Таким образом, запасы продуктивной влаги в почве являются одним из основных факторов формирования урожая сельскохозяйственных культур.

Поэтому оценка влияния запасов продуктивной влаги на формирование урожая сельскохозяйственных культур является одним из основных вопросов на всех этапах производства сельскохозяйственной продукции в любом районе республики. Но особое значение это приобретает при недостатке влаги. В таком случае оценочные показатели становятся важными критериями для разработки средств борьбы с засухой (Вериго СЛ., 1963).

Обеспеченность растений влагой по дефициту водопотребления лучше отражает результат взаимодействия всей совокупности гидрометеорологических факторов, формирующих условия развития растений.

В настоящее время для оценки влагообеспеченности сельскохозяйственных полей в основном используются три типа показателей — непосредственно влажность почвы, физиологические показатели растений и различные агрометеорологические критерии (Саноян М.Г., 1982). Наиболее естественной характеристикой являются влагозапасы почвы.

С целью оценки влагообеспеченности сельскохозяйственных культур в различные периоды вегетации на 20 метеостанциях Башги-дромета по единой программе и методике проводятся наблюдения за влажностью почвы под ведущими сельскохозяйственными культурами в различных почвенно-климатических зонах республики (Приложение 8). Наблюдения за влажностью почвы на полях яровой пшеницы проводятся на наблюдательных участках, выбираемых согласно «Наставлению.

72 гидрометеорологическим станциям и постам", вып.11. На этих же участках определяются агрогидрологические свойства почв.

Работы по определению агрогидрологических свойств почв на полях яровой пшеницы проводятся по основной программе на каждом наблюдательном участке, где измеряется влажность почвы. На каждом наблюдательном участке указывается также тип почвы по генезису и ее механический состав. Кроме того, на одном из наблюдательных участков каждой метеостанции, ведущей фенологические наблюдения за сельхозкультурами и за яровой пшеницей в том числе, почвы которой относятся преобладающей почвенной разновидности хозяйства, определяется либо наименьшая влагоемкость, либо капилярная влагоемкость. Кроме всего определяется удельная масса, механический состав и степень каменистости почвы, расчет полной влагоемкости. Полевые работы по определению агрогдрологических свойств почв проводятся в теплый период года на полях, на которых в данное время не ведутся сельскохозяйственные работы (вспашка, культивация и т. д.).

Определения агрогидрологических свойств проводятся послойно, в каждом 10-см слое почвы, до глубины, соответствующей взятию проб почвы при наблюдениях за ее влажностью. Влажность устойчивого завя-дания определяется вегетационным способом или расчетом по максимальной гигроскопичности, наимныная влагоемкостьметодом залива площадок, капилярная — методом насыщения. Максимальная гигроскопичность определяется методом Николаева. Механический состав определяется методом Качинского. Полная влагоемкость — расчетным способом, удельная масса почвы — пикнометрическим способом, степень каменистости — методом просеивания.

Наименьшая влагоемкость — максимальное количество капиляр-ной влаги или максимальное количество воды, фактически удерживаемое почвой в природных условиях в состоянии равновесия, когда нет испарения и дополнительного притока. Данные определения проводятся в лесостепной и степной провинциях Республики Башкортостан.

Используя данную методику были рассчитаны следующие значения наименьшей полевой влагоемкости: Таблица 5.1.

Наименьшая полевая влагоемкость по данным метеостанций Республики Башкортостан.

Метеостанции Значения НПВ.

1 2.

1 .Янаул 190.

2. Дуван 229.

З.Емаши 167.

4.Верхнеяркеево 175.

5.Бирск 161 б. Бакалы 180.

7 .Ку шнаренково 190.

8.Буздяк 196.

9.Чишмы 167.

10 .Архангельское 190.

11 .Учалы 198.

12.Стерлитамак 190.

13.Федоровка 226.

14.Мелеуз 220.

15.Мраково 200.

16.Акъяр 180.

17.Зилаир 166.

18.Туймазы 180.

Капилярная влагоемкость — максимальное количество влаги, удерживаемое над уровнем грунтовых вод капилярными силами. Она выражается в процентах от массы или объема почвы. Определение капиляр-ной влагоемкости производится путем насыщения влагой монолита почвы, установленного на поверхности воды.

Капилярная влагоемкость определяется в районах с близким залеганием уровня грунтовых вод, в основном в лесной зоне Республики Башкортостан.

Влажность устойчивого завядания растенийэто влажность, при которой растения начинают обнаруживать признаки завядания, не исче.

74 зающие при их перенесении в атмосферу, насыщенную водяным паром. Определение этого параметра наиболее интересны при изучении явления засухи на территории Республики Башкортостан. Влажность устойчивого завядания определяют:

— лабораторно-вегетационным методом — выращиванием растений в стаканах с почвой до устойчивой потери тургора и последующим определением влажности в сосуде в этот момент;

— расчетным способом — умножением значения максимальной гигросопичности на определенный коэффициент. Этот коэффициент зависит от типа почвы по генезису, механическому составу, от ее засоренности и т. д. и изменяется в широких пределах (от 1 до 2). Чаще всего используется коэффициент 1,34.

Лабораторно-вегетационный метод является основным методом определения этого свойства почвы на полях Башкортостана. Данные вычислений по максимальной гигроскопичности служат для проверки значений, полученных методом, или при отсутствии их — для временного пользования. Для определения влажности устойчивого завядания лабораторно-вегетационным методом в республике берется овес.

Кроме вышеперечисленных гидрологических свойств почвы в лаборатории агрогидроконстант Башгидромета определяется максимальная гигроскопичность — это наибольшее количество влаги, которое почва может сорбировать из воздуха, почти насыщенного водяным паром (при относительной влажности воздуха более 94%). Количество этой влаги зависит от температуры, влажности воздуха, механического состава почвы. Гигроскопическая влага удерживается в почве поверхностно-адсорбционными силами, она не доступна для растений. Поглощение воды происходит тем быстрее, чем меньше давление воздуха. Поэтому определение максимальной гигроскопичности проводят при давлении 46,7 кПа, что соответствует 30−50мм рт.ст. Насыщенная парами воды атмосфера создает над раствором 10%-й серной кислоты или насыщенным раствором сернокислого калия.

Если почва после окончания насыщения над 10%-м раствором серной кислоты будет оставлена в помещении с влажностью воздуха около 60%, наиболее встречающейся в помещениях, она начнет быстро подсыхать до влажности воздушно-сухой почвы.

Отношение массы твердой фазы почвы к массе воды в том же объеме при +4°С называют удельной массой почвы, которая выражается в граммах на 1куб.см. Удельная масса используется при вычислении полной влагоемкости, скважности, а также при определении механического состава почвы. Удельная масса минеральных почв колеблется от 2,60 гсм3 до 2,80 гсм3, а органических — около 1,40 гсм3.

Определение удельной массы почвы производят пикнометриче-ским методом на образцах, взятых в поле, после того как почва в них достигнет воздушно-сухого состояния.

Твердая фаза почв и почвообразующих пород состоит из частиц различного размера, которые называются механическими элементами. Относительное содержание в почве или породе фракций механических элементов называется механическим или гранулометрическим составом.

Определение механического состава производят пипеточным методом. Вначале определяют удельную массу и максимальную гигроскопичность почвы. Результаты этих определений дадут материалы для суждения о том, нужно ли определять механический состав в образцах, вынутых из всех 10-см слоев, или можно ограничиться определением в образцах из разных генетических подгоризонтов. Максимальная гигроскопичность, почвы в значительной мере зависит от механического состава, и поэтому изменение ее значения в образцах одного генетического под-горизонта позволяет предположить о наличии изменений механического состава и необходимости определения его в том или ином слое.

Максимальная гигроскопичность почвы одного механического состава изменяется до 2%. Например, легкие суглинки имеют максимальную гигроскопичность 3−5%, тяжелые суглинки 6−8%. Поэтому если в.

76 пределах генетического подгоризонта максимальная гигроскопичность изменяется не более чем на 2%, механический состав можно определить лишь в одном 10-см слое этого подгоризонта.

Свойства почвы, определяемые нами, зависят в первую очередь от размера элементарных почвенных частиц разных размеров. Определение механического состава преследует цель выявить процентное соотношение фракций по размерам.

Влажность почвы в процентах от массы абсолютно сухой почвы определяется в четырех точках наблюдательного участка размером в 1 га, послойно через 10 см ежедекадно в течение теплого периода до метровой глубины. Отбор образцов производится с помощью бура. Образцы сушатся в термостате при 105 °C. (Грингоф И.Г., 1983). Объемная масса почвы определяется с помощью буров БП-50 (конструкции Васильева) или АМ-7 (конструкции Качинского). Использование объемной массы дает возможность рассчитывать влагозапасы в миллиметрах водного слоя, что позволяет сравнивать их с количеством выпадающих осадков, запасами воды в снеге, рассчитывать поливные и промывные нормы. Кроме того, это дает возможность разделить почвенную влагу на непродуктивную и продуктивную. Содержание последней в почве определяет степень влагообеспеченности сельскохозяйственных культур. Для более правильной оценки степени влагообеспеченности сельскохозяйственных культур на территориии Республики Башкортостан необходимо знать свойства почвы, характеризующие ее влагоемкость — количество влаги, которое может удерживаться в почве в тех или иных условиях, а также нижний и верхний пределы почвенной влаги, при которых урожаи сельскохозяйственных культур снижаются.

Фактически влажность в процентах от массы абсолютно сухой почвы, объемная масса в гсм3 и влажность завядания в процентах от массы абсолютно сухой почвы являются основными параметрами для расчета доступных влагозапасов в различных слоях почвы, а погрешности.

77 их определений — основными источниками погрешности определяемых влагозапасов.

Для получения дополнительной информации о влагозапасах в почве проводятся постоянные и эпизодические автомаршрутные обследования сельскохозяйственных посевов. Для прогнозирования или оценки влагообеспеченности сельскохозяйственных культур по республике используются осредненные данные о влагозапасах. При оценке влагообе-сеченности влагозапасы сравниваются с наименьшей или капилярной влагоемкостью, с одной стороны, и с 60−80% наименьшей влагоемкостис другой.

Материалы о почвенных влагозапасах на полях республики подчиняются основным требованиям. Данные требования состоят в следующем: погрешность измерений влажности почвы и влажности завядания на отдельных полях и по площади не должна превышать 1%, объемной массы — 0,1гсм3- измерения влажности должны производится на площадях, выделенных с учетом типов почв, их разновидностей, климатических факторовчисло полей на таких площадях должно быть равно 25 при определении влажности и 10 при определении агрогидрологических свойств почвыпри оценке влагообеспеченности влагозапасы необходимо сравнивать с оптимальным увлажнением почвграницы оптимального увлажнения должны определяться с учетом вида и фазы развития сельскохозяйственных культур.

Для анализа почвенной засухи на территории Республики Башкортостан были использованы материалы о влагозапасах большего количества станций (Приложение 14, 15, 16). Ряд наблюдений за влагозапасами почвы у некоторых метеостанций начинается с 1936 года (Чишмы, Аксакове, Стерлитамак, Акъяр). Большинство станции начали наблюдать за влагозапасами в 60-е годы. Отдельные метеостанции, такие как Аскино, Стерлибашево, имея продолжительный ряд наблюдений, в данный момент не ведут этот вид наблюдений.

По данным материалов 7 метеостанций найдена корреляционная связь между почвенной влагой по слоям в различные фазы развития яровой пшеницы и урожайностью.