Текстовые фрагменты публикации
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
АГРОМЕТЕОРОЛОГИЯ
Москва
ИНФРА-М
2020
УЧЕБНИК
Л.Л. ЖУРИНА
Допущено
Министерством сельского хозяйства
Российской Федерации в качестве учебника
для студентов высших учебных заведений
по направлениям подготовки 35.03.03 «Агрохимия
и агропочвоведение», 35.03.04 «Агрономия»
и 35.03.05 «Садоводство»
3-е издание, переработанное и дополненное
УДК 551.5(075.8)
ББК 40.2я73
Ж91
© Журина Л.Л., 2015
Журина Л.Л.
Агрометеорология : учебник / Л.Л. Журина. — 3-е изд., пере-
раб. и доп. — Москва : ИНФРА-М, 2020. — 350 с. — (Высшее образование:
Бакалав риат). — DOI 10.12737/14563.
Изложены теоретические аспекты влияния гидрометеорологических
факторов на рост, развитие и продуктивность сельскохозяйственных культур.
Показана сущность опасных для сельскохозяйственного производства
гидрометеорологических явлений и способы защиты от них. Рассмотрены
методы оценки климата с позиций общего и частного агроклиматического
районирования на основе мезо- и микроклиматических исследований.
Приведены примеры агроклиматического обоснования агротехнических
и агромелиоративных приемов в сельскохозяйственном производстве.
В насто ящем, третьем, издании представлен раздел о глобальном изменении
климата Земли и сценариях возможных экологических последствий для сельского
хозяйства России. Рассмотрен вопрос использования геоинформационных
систем в сельскохозяйственном производстве. Расширена география
примеров частного агроклиматического районирования. Переработаны и дополнены
вопросы и задания к главам.
Предназначен для студентов сельскохозяйственных вузов, также может
быть использован при изучении курсов «Агрометеорология» и «Агроклима-
тология» в других высших и средних учебных заведениях.
УДК 551.5(075.8)
ББК 40.2я73
Ж91
ISBN 978-5-16-010054-8 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-101755-5 (ИНФРА-М, online)
ISBN 978-5-16-010054-8 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-101755-5 (ИНФРА-М, online)
Р е ц е н з е н т ы:
С.П. Савватеев, канд. техн. наук, доцент Российского государственного
гидрометеорологического университета;
Т.И. Завьялова, канд. с.-х. наук, доцент Санкт-Петербургского
аграрного университета;
В.Д. Петрушенко, канд. геогр. наук, доцент Российского государственного
гидрометеорологического университета
Предисловие
Настоящий учебник подготовлен в соответствии с требованиями
Государственного образовательного стандарта высшего профессионального
образования по дисциплине «Агрометеорология» и предназначен
для студентов сельскохозяйственных вузов. Он также может
быть использован при изучении курса «Агрометеорология» в
других высших и средних учебных заведениях.
Цель дисциплины — формирование у будущих специалистов знаний
о метеорологических условиях и их взаимодействии с процессами
роста, развития, продуктивности сельскохозяйственных культур
и агротехнических мероприятий.
В результате изучения дисциплины студент должен иметь представление
о физических основах явлений и процессов, происходящих
как в приземном слое, так и в атмосфере в целом в связи с их
влиянием на объекты и процессы сельскохозяйственного производства.
Учебник представляет собой самостоятельно подготовленное автором
издание. Издания, материал которых использован, перечислены
в конце как основная и дополнительная литература.
Автор приносит благодарность рецензентам: доцентам Т.И. Завьяловой,
С.П. Савватееву и В.Д. Петрушенко за внимательное прочтение
рукописи и советы, направленные на ее улучшение.
Автор также считает своим долгом отметить, что появлению учебника
способствовало многолетнее сотрудничество с замечательным
человеком, профессором Алексеем Петровичем Лосевым, являющимся
автором нескольких учебных пособий по курсу «Агрометео-
рология».
Работа крестьянина напоминает мне шахматную партию,
в которой погода имеет преимущество первого хода.
Своевременный ответный ход возможен в том случае, если
он к нему подготовлен.
Т.С. Мальцев
введеНие
Продуктивность агрофитоценозов зависит от многих факторов
среды их обитания, среди которых климатические и погодные занимают
существенное место.
По климатическим ресурсам тепла и влаги сельское хозяйство в
России почти вдвое менее обеспечено, чем в странах Западной Европы
и Северной Америки. А это означает, что продуктивность, например,
1 га пашни потенциально в России в 1,5...2 раза ниже и для
получения одного и того же урожая в нашей стране необходимы
большие капиталовложения.
Неустойчивость погоды: смена засушливых лет влажными, суровых
зим теплыми — вызывает значительную изменчивость валовых
сборов сельскохозяйственной продукции. По данным научных
учреждений в большинстве сельскохозяйственных регионов России
на долю погодных условий приходится 40...50% общей амплитуды
колебаний урожайности культур и лишь одна треть посевных площадей
расположена в зоне гарантированных урожаев.
Несмотря на совершенствование агротехники возделывания культур,
погода по-прежнему остается лимитирующим фактором в сельском
хозяйстве всего земного шара. Не случайно на одной из всемирных
конференций по климату отмечалось, что прогресс в сельском
хозяйстве в долговременной перспективе будет определяться
научно-техническими достижениями не только в биологии и технике,
но и в области совершенствования методов получения и учета
в сельскохозяйственном производстве информации о погоде и климате
и что с повышением научно-технического уровня производства
в сельском хозяйстве роль метеорологических факторов не ослабевает,
а возрастает.
Это связано с тем, что новые высокопродуктивные сорта и гибриды,
имеющие более высокий уровень обмена веществ и энергии,
обладают повышенной чувствительностью к условиям среды и потому
нуждаются в максимальной оптимизации водного, теплового и
пищевого режимов.
Предмет и задачи агрометеорологии
Агрометеорология, или сельскохозяйственная метеорология, –
наука, изучающая метеорологические, климатические, гидрологические
условия в их взаимодействии с объектами и процессами сельскохозяйственного
производства. Иначе говоря, агрометеорология
изучает климат и погоду применительно к запросам сельского хозяйства.
Особенность агрометеорологии как науки заключается в том, что
она находится на стыке различных областей знаний — метеорологии,
климатологии, биологии, почвоведения и др.
Объектами изучения агрометеорологии являются погода, климат,
водный и тепловой режимы почв, сельскохозяйственные культуры и
процессы сельскохозяйственного производства.
Важнейшие задачи агрометеорологии:
• изучение и описание закономерностей формирования метеорологических
и климатических условий сельскохозяйственного
производства в пространстве и времени;
• разработка методов количественной оценки влияния метеорологических
фактов на состояние почвы, развитие, рост и формирование
урожая агрофитоценозов, на развитие и распространение
вредителей и болезней сельскохозяйственных культур;
• разработка методов агрометеорологических прогнозов и усовершенствование
форм агрометеорологического обеспечения сельского
хозяйства;
• агроклиматическое районирование новых сортов и гибридов
сельскохозяйственных культур, агроклиматическое обоснование
агротехнических приемов для наиболее полного и рационального
использования ресурсов климата;
• агроклиматическое обоснование приемов мелиорации земель и
изменения микроклимата полей, внедрения индустриальных
технологий в растениеводстве, в том числе дифференцированного
применения агротехники в соответствии со сложившимися
и ожидаемыми условиями погоды;
• разработка способов защиты от неблагоприятных и опасных для
растений гидрометеорологических явлений.
В сельском хозяйстве используют разнообразную гидрометеорологическую
информацию.
При выборе проектных решений обосновывают рациональное размещение
и специализацию сельского хозяйства, районирование
культур и сортов сельскохозяйственных растений, создание гидромелиоративных
систем и т.д. При этом используют климатическую
и агроклиматическую информацию.
При выработке плановых решений планируют размеры урожаев,
определяют потребности в удобрениях и ядохимикатах, объемы поливной
воды, составляют графики полевых работ и т.д. Здесь в первую
очередь используется текущая оперативная агрометеорологическая
и гидрологическая информация, анализируются сложившиеся
агрометеорологические условия применительно к конкретным полям
и культурам, а также гидрометеорологические прогнозы различной
заблаговременности.
При принятии оперативно-хозяйственных решений разрабатывают
действия непосредственного управления технологическими процессами
в период вегетации растений. Для этого используют оперативную
информацию о фактическом состоянии погоды, почвы, посевов
и гидрометеорологические прогнозы.
методы агрометеорологических исследоваНий
К числу основных методов агрометеорологических исследований
относятся следующие.
Метод сопряженных (параллельных) наблюдений за состоянием, рос-
том, развитием растений и метеорологическими условиями, в которых
произрастают объекты наблюдений. С помощью этого метода
на материалах полевых и лабораторных наблюдений устанавливают
количественные и качественные связи между условиями погоды и
ростом, развитием и формированием продуктивности растений,
выявляют их потребность в основных факторах среды — количестве
света, тепла, влаги, питательных веществ, определяют пороговые
(критические) значения этих факторов для различных культур и
сортов.
Этот принцип (сопряженности) сохраняется в деятельности всей
наблюдательной агрометеорологической сети национальных гидрометеорологических
служб в системе Всемирной метеорологической
организации (ВМО).
Метод учащенных сроков сева предполагает высев растений через
каждые, например, 5...10 сут., начиная с весны и до конца вегетационного
периода. При этом растения попадают в неодинаковые
условия тепла, влаги и освещенности. Сопряженные наблюдения за
метеорологическими условиями, ростом и развитием растений позволяют
собрать разнообразные сведения о реакции растений на
изменяющиеся условия их произрастания. В результате опыта даже
в течение одного года можно получить информацию о влиянии разных
комплексов метеорологических параметров на исследуемое растение
в данной местности. Этот метод применяется на делянках
одного поля или в лабораторных условиях.
Метод географических посевов применяют в различных почвенно-
климатических зонах страны или одновременно в нескольких странах.
Этот метод позволяет решать ту же задачу, что и метод учащенных
сроков сева, так как посевы данного сорта в разных климатических
зонах находятся в различных условиях увлажнения,
температуры, длины дня и т.д. Этот метод позволяет определить
районы, где данный сорт культуры дает высокие и качественные
урожаи.
Экспериментально-полевой метод, при котором в полевых опытах
с помощью специальных конструкций (камер искусственного климата,
теплиц, газометрических экологических камер и др.) и приемов
изменяют агрометеорологические условия возделывания растений
(регулируют по программе опыта температуру и влажность почвы,
продолжительность и интенсивность освещения, высоту снежного
покрова, нормы вносимых удобрений и т.п.).
Метод дистанционного (неконтактного) определения параметров
состояния подстилающей поверхности (почвы, растительного покрова),
фенологии растений, температуры и влажности, объемов
биомассы, отдельных элементов продуктивности растений и т.д.
предусматривает использование специальной аппаратуры, устанавливаемой
на летательных аппаратах (на самолетах, вертолетах,
а также на искусственных спутниках Земли) или на различных видах
наземного транспорта. Результаты измерений, полученные этим
методом, дают информацию об изучаемых объектах на больших
площадях.
В последние годы создана сеть аэрофотометрических экспедиций,
обследующих состояние посевов и определяющих урожайность естественных
пастбищ на больших площадях с помощью дистанционного
метода.
Картографический метод исследования заключается в использовании
разнообразных карт для выявления климатических и микроклиматических
особенностей территории в их статике и динамике
для наиболее рационального размещения объектов сельскохозяйственного
производства.
Метод математической статистики позволяет обрабатывать массовые
материалы наблюдений для установления связи развития и
формирования продуктивности растений с условиями погоды.
Метод математического моделирования заключается в построении
математической модели, позволяющей с помощью математического
аппарата описывать влияние агрометеорологических условий на рост
и развитие растений, их продуктивность, а также процессы тепло-,
влаго- и энергообмена в системе почва — растение — атмосфера.
исПользоваНие биологических закоНов
земледелия и растеНиеводства в агрометеорологии
Методы агрометеорологических исследований базируются на
использовании основных биологических законов земледелия и растениеводства.
Важнейшие из них следующие.
Закон неравноценности факторов среды для растений. Сущность
его заключается в том, что не все факторы среды оказывают одинаковое
воздействие на растения. Их можно разделить на основные и
второстепенные. Основные факторы (свет, тепло, воздух, влага, поч-
ва) одинаково необходимы растениям, они оказывают непосредственное
и значительное влияние на них. К второстепенным факторам
относятся ветер, облачность, туман, ориентация и крутизна
склонов и пр. Они усиливают или ослабляют действие основных
факторов. Так, ветер смягчает действие заморозков, облачность
уменьшает ночью охлаждение почвы. Основные факторы влияют на
растения в течение всего периода вегетации и на всей территории их
произрастания, второстепенные — лишь в отдельные периоды и на
небольших территориях.
Закон равнозначности (или незаменимости) основных факторов
жизни. Он гласит: «Все факторы значимы и незаменимы». Сущность
его состоит в том, что ни один из необходимых для развития растений
факторов не может быть ни исключен, ни заменен другим. Так,
свет нельзя заменить теплом, тепло — влагой и т.д. Отсутствие любого
из них резко снижает продуктивность и даже приводит к гибели
растений.
Закон минимума (или лимитирующего фактора), согласно которому
при оптимальных прочих условиях урожайность определяется
фактором, находящимся в минимуме. Например, в засушливых районах
лимитирующий фактор урожая — количество влаги. Урожай
растений будет возрастать при устранении этого минимума и до тех
пор, пока в недостатке не окажется другой фактор.
Закон максимума говорит о том, что количественное изменение
параметров экологических условий не может увеличить биологическую
продуктивность экосистемы или хозяйственную производительность
агроценоза сверх вещественно-энергетических лимитов,
определенных наследственными свойствами биологических объектов
и их сообществ.
Закон оптимума (или совокупного действия), согласно которому
наивысшая продуктивность растений обеспечивается только оптимальным
сочетанием всех факторов, влияющих на рост и развитие
растений.
К.А. Тимирязев и Д.Н. Прянишников неоднократно подчеркивали,
что наивысшей продуктивности растение достигает при непре-
рывном притоке всех необходимых факторов жизни в оптимальном
количестве и в соответствии с потребностями каждого вида и сорта.
Даже при незначительном отклонении условий среды от оптимальных
в тот или иной период роста растений потенциально возможная
биологическая продуктивность не достигается, а при аномальных
условиях погоды и недостатке питания растений отдельные
элементы продуктивности (побеги, колоски в колосе, цветки, зерновки)
погибают и урожайность падает особенно сильно.
Закон критических периодов сводится к тому, что в жизни каждого
растения имеются отдельные периоды онтогенеза, когда оно наиболее
чувствительно к какому-либо фактору среды (температуре,
влаге, солнечной радиации и пр.).
Закон фотопериодической реакции (или физиологических часов) гласит,
что растения реагируют на продолжительность дня и ночи, ускоряя
или замедляя развитие при изменении длины дня.
Закон плодосмена заключается в чередовании культур в пространстве
и времени (севооборот), что позволяет при прочих равных условиях
получать более высокие урожаи, чем при повторных посевах
одной и той же культуры на одном месте (монокультура).
осНовНые этаПы развития агрометеорологии
Регулярно наблюдать за погодой в России стали в XVII в. при
царе Алексее Михайловиче, который вменил в обязанность караульным
на Кремлевской стене ежедневно записывать сведения о погоде.
По указу Петра I в 1722 г. были организованы метеорологические
наблюдения в Петербурге.
Первая в мире сеть метеорологических станций была организована
в Сибири около 300 лет назад (в 1733 г.) участниками Великой
северной экспедиции. Она охватывала территорию от Екатеринбурга
до Якутска.
Большой вклад в развитие метеорологии внес М.В. Ломоносов.
Он первый (в 1759 г.) указал на необходимость организации широкой
сети метеорологических станций в различных частях света, а также
на важность предсказания погоды для сельского хозяйства. Кроме
того, он считал необходимым изучение верхних слоев атмосферы и
для этих целей сконструировал оригинальную «машину» для подъема
самопишущих термометров в верхние слои воздуха.
Одним из крупных мероприятий по развитию метеорологии была
организация в 1849 г. Главной физической (ныне геофизической) обсерватории.
Она явилась первым в мире государственным научным
учреждением, руководившим метеорологическими наблюдениями.
Развитие метеорологии предопределило возникновение сельскохозяйственной
метеорологии.
Крупнейшие русские ученые-агрономы А.Т. Болотов (1738–1833),
И.М. Комов (1750–1792) вели систематические наблюдения за состоянием
культурных растений и условиями погоды, изучали климатические
условия страны. Опубликованные Болотовым издания
«Нечто о погодах», «О засухах», «О действии мороза на огородные
растения и о средствах к сохранению их от оного» не потеряли актуальности
и в наше время.
Родиной агрометеорологии явилась Россия. Основоположниками
агрометеорологии как науки были ученые Александр Иванович Воейков (
1842–1916) и Петр Иванович Броунов (1852–1927).
А.И. Воейков впервые доказал возможность и необходимость
применения знаний о климате в сельском хозяйстве. В своей книге
«Климаты земного шара, в особенности России» (1884) он подробно
описал взаимосвязь между климатом и растительностью, оценил
климатические ресурсы России для сельскохозяйственного производства.
А.И. Воейков сделал важный вывод о значении снежного покрова
как климатообразующего фактора, целесообразности проведения
снегозадержания как агротехнического приема для улучшения
условий влагообеспеченности и перезимовки озимых культур.
В 1885 г. А.И. Воейковым были организованы первые в России
12 агрометеорологических станций и разработана программа, в которой
были заложены основополагающие принципы полевых наблюдений,
не утративших своего значения и в наши дни. Он также
установил ряд важнейших положений о влиянии метеорологических
факторов на развитие растений, указав, что «в каждой фазе своего
развития растение требует известное количество солнечной теплоты,
и недочет ее тотчас же отражается на ходе дальнейших фаз».
П.И. Броунов сформулировал принципиальные основы методики
агрометеорологических наблюдений. Ему принадлежит открытие
закона о критических периодах в развитии растений, им выявлены
критерии засушливости и вероятности наступления засушливых декад
в европейской части России, выделены климатические и сельскохозяйственные
районы России.
В 1897 г. по инициативе и при активном участии П.И. Броунова
при Департаменте земледелия России было организовано Метеорологическое
бюро — первое в стране и мире научное агрометеорологическое
учреждение. Его руководителем был назначен П.И. Броунов.
Первые итоги агрометеорологических исследований были обоб-
щены в 1912 г. в монографии П.И. Броунова «Полевые культуры и
погода».
Немалая роль в развитии агрометеорологии и в организации агрометеорологических
станций принадлежит А.В. Клоссовскому
(1846–1917).