DOI: https://doi.org/10.37162/2618-9631-2022-1-108-127

УДК 551.583:633.1(476)

 

 

Определение оптимальных сроков сева
 озимых культур на территории Беларуси
 в условиях современного изменения климата

В.И. Мельник, Ю.А. Бондаренко, Ю.А. Бровка, М.А. Хитриков

Институт природопользования НАН Беларуси, Минск, Беларусь

v.melnik2016@mail.ru

 

На основании данных наблюдений гидрометеорологической сети Беларуси, полученных результатов исследований по кустистости и литературным данным уточнены критерии сумм температур для расчета оптимальных сроков сева озимых зерновых культур (пшеница, тритикале, рожь). Определены периоды сроков сева и средняя температура воздуха за эти периоды, обеспечивающие наиболее тесную связь между началом и окончанием сроков сева озимых зерновых культур. Получены уравнения связи дат начала и окончания сроков сева озимых зерновых культур по пунктам наблюдений в зависимости от средней температуры воздуха. Определены оптимальные сроки сева озимых зерновых культур за 2000–2020 гг. Получено распределение сумм активных температур осеннего периода (районирование) территории Беларуси. Разработан алгоритм учета прогнозируемой температуры воздуха на сентябрь для уточнения оптимальных сроков сева озимых зерновых культур в конкретном году.

Ключевые слова: изменение климата, суммы температур, даты прекращения  вегетации, оптимальные сроки сева озимых зерновых культур

 

 

Determination of optimal sowing periods
for winter crops on the territory of Belarus
in the context of modern climate change

V.I. Melnik, Yu.A. Bondarenko, Yu.A. Brovka, M.A. Khitrykau

Institute of Nature Management of the National Academy of Sciences
 of Belarus, Minsk, Belarus

v.melnik2016@mail.ru

 

Criteria of cumulative temperatures for the calculation of optimal sowing periods for winter grain crops (wheat, triticale, rye) were specified on the basis of monitoring data from the hydrometeorological observation network, results of tilling capacity studies, and literary sources. The optimal sowing periods and average air temperature for these periods were determined, which provide the highest correlation between the beginning and end of the sowing periods for winter crops. The equations of the relationship between the dates of the beginning and end of winter grain crop sowing at the observation stations are derived depending on average air temperature. Optimal periods for sowing winter grain crops were determined for the period from 2000 to 2020. A distribution of cumulative active temperatures (zoning) on the territory of Belarus for the autumn period was obtained. Аn algorithm for specifying optimal sowing periods for winter grain crops in a particular year оn the basis of forecasted temperature for September was developed. 

Keywords: climate change, cumulative temperatures, nongrowing season dates, optimal sowing periods for winter grain crops

 

 

Введение

Последствия изменения климата в Беларуси оказывают существенное влияние на сектор сельского хозяйства. В условиях изменения климата и увеличения теплообеспеченности осеннего периода требуется уточнение сроков сева озимых зерновых культур. Для озимых зерновых культур сроки сева устанавливаются с таким расчетом, чтобы растения до прекращения вегетации хорошо раскустились и приобрели закалку к низким температурам в зимний период. При отклонении сроков сева от оптимальных на 15–20 дней урожайность озимых в зависимости от почвенно-климатических условий района снижается на 15–30 % и более [11]. По другим оценкам, посев озимых до оптимальных сроков сева также ведет к снижению урожая в пределах 1–1,2 % за одни сутки по причине перерастания и более значительного повреждения посевов вредителями и болезнями из-за ухудшения условий перезимовки. Посев озимых после оптимальных сроков снижает урожайность в пределах 0,9–1 % за сутки опоздания из-за плохого осеннего кущения и ухудшения перезимовки [15]. Принято считать, что посев раньше оптимальных сроков приводит к большему недобору зерна, чем посев после них. В условиях Нечерноземной зоны подтверждено, что темпы развития озимых культур в основном определяет температура воздуха. Цель данного исследования – определить оптимальные сроки сева озимых зерновых культур на территории Беларуси в условиях современного изменения климата.

 

Материалы и методы исследований

Исходными данными для выполнения работы являются данные Государственного климатического кадастра, агрометеорологические наблюдения государственной сети гидрометеорологических наблюдений Республики Беларусь. Анализ материалов, построение рисунков, таблиц выполнено с применением программного пакета MS Office Excel. Для анализа пространственных особенностей изменения средних значений температуры и осадков в период потепления климата 2000–2020 гг. использован разработанный в Институте природопользования НАН Беларуси сеточный архив метеорологических данных государственной сети гидрометеорологических наблюдений Республики Беларусь с 1945 по 2020 год. Для расчета оптимальных сроков сева озимых зерновых культур на территории Беларуси (по полученным уравнениям связи дат начала и окончания сроков сева озимых зерновых культур по пунктам наблюдений в зависимости от средней температуры за периоды) использована созданная в среде MATLAB специальная компьютерная программа.

 

Результаты и их обсуждение

Оценка теплообеспеченности осеннего периода на территории Беларуси в условиях современного изменения климата

В условиях современного потепления климата теплообеспеченность растений осенью улучшилась. Прирост тепла обусловлен не только повы-шением температурного режима, но и увеличением продолжительности осенней вегетации. Сроки перехода средней суточной температуры воздуха через +5 °С осенью за период потепления сместились на более поздние. По средним многолетним данным за период 2000–2020 гг. почти на всей территории Брестской, в западной половине Гродненской и Гомельской областей переход среднесуточной температуры воздуха через +5 °С сместился на первую декаду ноября. Позже всего данный переход осуществляется в крайних юго-западных районах Брестской областиис. 1).

Рис. 1. Дата устойчивого перехода средней суточной температуры воздуха осенью через +5 °С за 2000–2020 гг.

Fig. 1. Date of sustainable transition of average daily temperature below +5 °С in autumn in 2000–2020.

 

В сравнении с периодом до потепления (1960–1988 гг.), за последнее двадцатилетие переход среднесуточной температуры воздуха через +5 °С осенью на большей территории Беларуси происходит в среднем на 2–4 дня, в Могилевской и на юго-западе Брестской области – на 5–7 дней позже.

Увеличение сумм температур в период осенней вегетации в условиях изменения климата более ярко выражено в последнем двадцатилетии. Суммы активных температур выше +5 °С за период с 1 сентября до даты перехода среднесуточной температуры воздуха через +5 °С за 2000–2020 гг. в сравнении с периодом до потепления на большей территории страны увеличились в среднем на 60–90 °С, на юге Брестской области – на 100 °С [6]. Территория, на которой за период осенней вегетации накапливается 600 °С и более активных температур выше +5 °С, за последнее двадцатилетие заметно расширилась. В Гомельской, на большей части территории Брестской и в западной половине Гродненской области сумма активных температур выше +5 °С за период с 1 сентября до даты перехода среднесуточной температуры воздуха через +5 °С в среднем за 2000–2020 гг. составляет 600–650 °С, в крайних южных и западных районах Брестской области – более 650 °С, максимум в Бресте – 735 °С (рис. 2).

 

Рис. 2. Распределение сумм температур (ºС) осеннего периода за 2000–2020 гг. на территории Беларуси.

Fig. 2. Distribution of sums of temperatures (ºС) for autumn period in Belarus in 2000–2020.

 

Приведенные данные распределения сумм температур осеннего периода могут быть использованы при планировании работ по севу озимых зерновых культур в районах, не имеющих пунктов наблюдений.

Оценки увлажнения осеннего периода территории Беларуси подробно изложены в [6]. В целом отмечается улучшение агрометеорологических условий осеннего периода для сева и последующего роста и развития озимых зерновых культур.

Вызвано это прежде всего ростом температур и увеличением количества осадков за сентябрь–октябрь. Начало сева и последующая вегетация озимых культур в осенний период проходит в целом при достаточном почвенном увлажнении, за исключением отдельных лет, когда сроки посева могут задерживаться из-за отсутствия продуктивной влаги в пахотном слое почвы.

 

Исследования условий кустистости озимых культур
 осенью по суммам температур при разных сроках сева

На многочисленных опытах показано, что степень кустистости растений зависит от многих агрономических причин: сроков и способов осеннего сева, качества семян, нормы высева и глубины заделки семян, типа почвы и уровня ее плодородия, а также от агрометеорологических условий – режимов влажности и температуры почвы [11]. В зависимости от погодных условий для достижения кустистости 1,0 требовались суммы температур от 360 до 460 °С. По данным пунктов наблюдений гидрометеорологической сети за 2010–2020 гг. кустистость растений озимой пшеницы в зависимости от сроков сева и погодных условий осеннего периода изменялась от 1,3 до 4,4 побегов на растение. Суммы температур за период от сроков сева на момент ухода растений в зимовку изменялись от 330 до 630 °С.

При этом следует отметить, что не всегда самой высокой кустистости соответствовали самые большие значения сумм температур воздуха, хотя тенденция увеличения числа побегов с ростом сумм температур воздуха имеет место [6] (рис. 3).

Оценка урожайности зерна озимой пшеницы в условиях Центральной зоны Беларуси в зависимости от сроков сева в опытах, проведенных в 2019–2020 гг. на опытном поле РУП «Научно-практический центр НАН Беларуси по земледелию», показала, что наибольшей урожайности все сорта озимой пшеницы достигали при посеве их в начале третьей декады сентября. При этом кустистость растений перед уходом в зимовку изменялась от 1,0 до 2,6 и составила в среднем 1,7 [4].

 

 

 а)

 б)

Рис. 3. Зависимость кустистости озимой пшеницы (а) от сумм температур (ºС) перед уходом в зимовку (по данным пунктов наблюдений за 2010–2020 гг. и полевых опытов за 2019–2020 гг.) и озимой ржи (б) по данным пунктов наблюдений за 2010–2020 гг.

Fig. 3. Dependence of the bushiness of winter wheat (a) on the sum of temperatures (°C) before going into winter (according to data from observation points from 2010 to 2020 and field experiments in 2019–2020) and winter rye (б) (according to data from observation points from 2010 to 2020).

 

Обоснование сумм температур, необходимых для проведения
 оптимальных сроков сева озимых культур

Для расчета оптимальных сроков сева озимых зерновых культур, обеспечивающих 2–4 побега, ряд авторов используют суммы эффективных температур 200–300 °С (выше +5 °С) от посева до прекращения вегетации [1, 5, 7, 10], другие авторы используют суммы активных температур воздуха за указанный период [1–3, 9, 12, 14]. В Беларуси в последние годы оптимальные сроки начала и конца сева озимых зерновых культур установлены исходя из следующих показателей достижения сумм температур от посева до прекращения вегетации: озимая пшеница (580, 620–350 °С), озимая рожь (520–290 °С), тритикале (550–320 °С). При таких сроках сева растения могут достигнуть кустистости не менее четырех побегов [12, 13].

В нашем исследовании наряду с литературными данными использованы данные фенологических наблюдений за фазами развития озимых зерновых культур на наблюдательных участках пунктов гидрометеорологических наблюдений за период 1989–2020 гг. За указанный период выбраны годы со сроками сева озимых культур, обеспечивающими наступление кущения только в осенний период. По данным многолетних наблюдений за фазами развития, кущение озимых осенью наступало при достижении в среднем сумм температур от посева до прекращения вегетации 294–430 °С для озимой ржи и 359–479 °С для озимой пшеницы. Суммы температур, необходимые для начала кущения при поздних сроках сева, полученные по данным наблюдений за фазами развития в пунктах метеорологических наблюдений, хорошо согласуются с имеющимися литературными данными (290 °С для озимой ржи и 340–350 °С для озимой пшеницы). Объясняется это тем, что посев в более поздние сроки (окончание посева) происходит при умеренных температурах воздуха и достаточных запасах влаги.

На основании литературных источников, полученных результатов исследований по кустистости, данных пунктов наблюдений гидрометеорологической сети за фазами развития озимых культур осеннего периода, в данном исследовании приняты следующие критерии сумм активных температур: для озимой пшеницы – 465 °С (начало сева) и 350 °С для периода «посев – начало кущения» (конец сева ), для озимого тритикале – 435–320 °С соответственно, озимой ржи – 405–290 °С. Принятые суммы температур обеспечивают не менее 2–3-х побегов к моменту прекращения вегетации озимых культур. С учетом дат прекращения вегетации и установленных критериев сумм температур, необходимых для достижения начала и массового кущения озимых, были рассчитаны средние многолетние сроки начала и окончания сева озимых культур за период 2000–2020 гг. (табл. 1).

 

 

Таблица 1. Оптимальные сроки сева озимых зерновых культур по областям Беларуси за 2000–2020 гг.

Table 1. Optimal sowing terms for winter crops for administrative regions of Belarus in 2000–2020

Область

Озимые
зерновые

В том числе

озимая пшеница

озимая тритикале

озимая рожь

Витебская

2–20 IX

2–16 IX

5–17 IX

7–20 IX

Минская

5–23 IX

5–19 IX

7–20 IX

10–23 IX

Гродненская

6–26 IX

6–22 IX

8–23 IX

10–26 IX

Могилевская

4–21 IX

4–17 IX

6–19 IX

8–21 IX

Брестская

10 IX–3 X

10–29 IX

12–30 IX

14 IX –3 X

Гомельская

9–28 IX

9–24 IX

11–25 IX

13–28 IX

Примечание. Суммы накопленных температур для озимой пшеницы –465–350 °С, тритикале – 435–320 °С, озимой ржи – 405–290 °С.

 

 

Приведенные в табл. 1 оптимальные сроки сева озимых культур рассчитаны по многолетним данным. Планирование оптимальных сроков начала сева озимых культур требует возможности оценок и учета изменения температуры воздуха в осенний период в каждом конкретном году. Для этого были разработаны расчетные методы определения оптимальных сроков сева озимых культур.

 

Определение оптимальных сроков сева озимых по уравнениям

В 80-х годах прошлого столетия агрометеорологами Беларуси была установлена зависимость между оптимальной датой начала сева озимых культур и средней температурой воздуха за осенний период (с 25 августа по 25 октября), которая выражается полиномом второй степени [7]. В современный период изменения климата зависимость сроков сева озимых зерновых культур от средней температуры воздуха за период третья декада августа – третья декада сентября для северных районов Нечерноземной зоны – получена российскими учеными и хорошо описывается полиномом третьей степени [10]. Нами для расчета оптимальных сроков сева с помощью установленных критериев по суммам температур, необходимых для наступления кущения озимых культур осенью до даты прекращения вегетации, были рассчитаны ежегодные оптимальные сроки сева. Проведенный анализ материалов за 2000–2020 гг. (рассмотрено более 1000 годо-случаев; расчеты оптимальных сроков сева за каждый год
велись с использованием компьютерной программы, созданной в среде
MATLAB) помог установить наиболее тесную связь между средней
температурой воздуха за осенний период с 10 сентября по 15 ноября и оптимальным сроком начала сева озимых (озимой пшеницы) (рис. 4).

 

Рис. 4. Зависимость даты начала сева озимой пшеницы от средней температуры воздуха (ºС) за период c 10 сентября по 15 ноября (по данным пунктов наблюдений) за 2000–2020 гг.

Fig. 4. Dependence of the beginning date of winter wheat sowing from average air temperature (ºС) from September 10th to November 15th (according to the data from observation points) in 2000–2020.

 

 

Уравнение этой зависимости имеет следующий вид:

                                   (1)

где D – искомая дата начала оптимального срока сева озимой пшеницы (количество дней, прошедших с 20 августа); T – средняя температура воздуха за текущий период (с 10 сентября по 15 ноября) на ближайшей станции.

Аналогичные зависимости были установлены между средней температурой воздуха за период с 10 сентября по 15 ноября и оптимальным сроком начала сева озимого тритикале, а также между средней температурой воздуха за период с 15 сентября по 15 ноября и оптимальным сроком начала сева озимой ржи (уравнения 2, 3):

                                   (2)

                                (3)

где D – искомая дата начала оптимального срока сева озимого тритикале (2), озимой ржи (3), считается по количеству дней, прошедших с 20 августа); T – средняя температура воздуха за текущий период (с 10 сентября по 15 ноября для озимого тритикале и с 15 сентября по 15 ноября для озимой ржи) на ближайшей станции.

Коэффициенты детерминации (уравнения 1–3), соответственно, равны , , , что характеризует высокую зависимость дат начала сева от средних температур воздуха за указанные периоды.

Аналогичным способом были рассчитаны и оптимальные сроки окончания сева озимых культур. В качестве критериев были использованы следующие суммы температур: озимая пшеница – 350 °С, озимое тритикале – 320 °С, озимая рожь – 290 °С. Связь между средней температурой за период и оптимальными датами окончания сева озимых выражается уравнениями:

                                              (4)

                                               (5)

                                              (6)

где D – искомая дата окончания срока сева озимой пшеницы (4); озимого тритикале (5); озимой ржи (6). Считается по количеству дней, прошедших с 20 августа); T – средняя температура воздуха за период с 20 сентября по 10 ноября.

Коэффициенты детерминации (уравнения 4–6), соответственно, равны ,