WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Географические закономерности зоны оптимальных гидролого-климатических условий для аграрного природопользования (на примере Западной Сибири)

Автореферат докторской диссертации по географии

 

Мезенцева Ольга Варфоломеевна

ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ

ЗОНЫ ОПТИМАЛЬНЫХ ГИДРОЛОГО-КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ

ДЛЯ АГРАРНОГО ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ

(НА ПРИМЕРЕ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ)

25.00.36 – Геоэкология (Науки о Земле)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

Томск, 2010


Работа  выполнена  на  кафедре  физической  географии  в  Омском  государствен­ном педагогическом университете

Научный консультант:                 Доктор географических наук,

профессор

Карнацевич Игорь Владиславович


Официальные оппоненты:

Ведущая организация:


Доктор географических наук, профессор

Бураков Дмитрий Анатольевич

Доктор географических наук, профессор

Попова Наталья Борисовна

Доктор географических наук, профессор

Калинин Владимир Матвеевич

Институт мониторинга климатических и экологических систем – ИМКЭС СО РАН (г.Томск)


Защита состоится « 6 » октября 2010 г. в 14 – 30 на заседании диссертационного совета Д 212.267.19 при Томском государственном университете по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36, Главный корпус ТГУ, ауд.119

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке ГОУ ВПО «Томский государственный университет» по адресу: г. Томск, пр. Ленина, 34а

Автореферат разослан «___» ______  2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,


к.г.-м.н., доцент


Н.И. Савина


2


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность темы

Сравнительный анализ природных условий при выполнении ландшафтного комплексного и специального районирования и определение географического местоположения различных природных рубежей являются актуальными зада­чами физической географии и геоэкологии. Они являются важным компонен­том мониторинга геосистем, нужны для количественной оценки гидролого-климатических и почвенно-земельных ресурсов и выработки направлений их рационального использования. Географическое местоположение природных рубежей на поверхности Земли и их взаимное расположение связаны с кон­кретными климатическими условиями и структурами балансов тепла и влаги. Географическое местоположение некоторых природных рубежей, являющихся линейными объектами, определено с помощью количественных показателей, является относительно стабильным в пространстве в течение многих тысячеле­тий, хотя и постоянно колеблется около определенного среднего положения. В условиях достаточно длительной относительной стабильности климата послед­них 7–8 тыс.лет сложившиеся природные рубежи определили современный об­лик планеты: снеговая линия, границы распространения сезонной и вечной мерзлоты, древесной растительности на стыке степи и лесостепи, природных зон, областей избыточного и недостаточного увлажнения, границы области, в которой за счет местного стока возникают лишь временные водотоки и др.

Среди этих природных рубежей большой интерес представляют границы зоны оптимальных гидролого-климатических условий для аграрного природо­пользования (рис. 1, 2) и их пространственно-временная динамика. Сама зона оптимальных гидролого-климатических условий для аграрного природопользо­вания является пограничной при переходе от гидролого-климатических усло­вий с верхним уровнем оптимальности увлажнения и переувлажнения к усло­виям с нижним уровнем оптимальности увлажнения для основных сельскохо­зяйственных культур и далее к аридным условиям. Эта зона эмпирически опре­делилась и исторически сложилась в структуре аграрного землепользования.

Исследуемой зоне оптимальных гидролого-климатических условий для аг­рарного природопользования свойственна пространственно-временная динами­ка границ по годам с различной структурой теплового и водного баланса. Она обладает наименьшим потенциалом экологической устойчивости геосистем с точки зрения существующего неустойчивого равновесия между глобальными областями избыточного и весьма недостаточного увлажнения, а также с точки зрения гидролого-климатической безопасности в условиях естественных кли­матических колебаний и антропогенных воздействий. Количественная индика­ция и исследование пространственно-временной динамики рубежей этой зоны представляет научную и практическую проблему.

Очерченный круг вопросов обусловил необходимость решения такой важ­ной задачи современной физической географии и геоэкологии как изучение и количественная оценка ресурсов естественной тепловлагообеспеченности гло­бальной зоны оптимальных гидролого-климатических условий аграрного при-3


родопользования. Эта задача актуальна не только в связи с необходимостью на­учного обоснования путей решения геоэкологических проблем, но также в свя­зи с решением таких практических задач, как хозяйственное освоение террито­рий, планирование рационального природопользования, количественная оценка размеров мелиоративных воздействий и прогнозирование их последствий на функционирование геосистем.

Уточнение представлений о местоположении, природных условиях, гео­графических закономерностях и пространственно-временной динамике зоны оптимальных гидролого-климатических условий аграрного природопользова­ния и ее рубежей помогает в системе географических знаний сформировать об­раз территорий Земли, которые вследствие своих благоприятных природных гидролого-климатических условий находились в тесной коэволюции с социу­мом.

Состояние изученности проблемы

Несмотря на значительные успехи географических наук в изучении при­родных закономерностей территорий, возможности расширения и уточнения научных представлений о важнейших гидролого-климатических природных ре­сурсах остаются и становятся все более актуальными в связи, с одной стороны, с систематическим ежегодным удлинением рядов гидрометеорологических на­блюдений, а с другой – благодаря развитию теоретических исследований в об­ласти климатологии теплового баланса.

Возобновляемые водные и климатические теплоэнергетические природ­ные ресурсы играют важную роль в формировании и развитии человеческой цивилизации. Территориально распределенные теплоэнергетические и водные ресурсы климата являются важнейшими динамическими факторами для фор­мирования ландшафтов. Однако именно данные виды природных ресурсов ко­личественно изучены пока недостаточно полно и точно для отдельных районов планеты. Например, на огромных малозаселенных пространствах степей, полу­пустынь и пустынь, в том числе полярных, нет рек с местным стоком, то есть непосредственно сток измерить невозможно. При этом территориально распре­деленные водные ресурсы почвенного увлажнения, как и тепловые ресурсы, там всегда имеются и даже в определенных условиях позволяют собирать дос­таточно большие урожаи сельскохозяйственных культур.

Настоящая работа выполнена в направлении развития идей Н.Ф. Реймерса, Ю. Одума, Б.В. Виноградова относительно экологии и мониторинга геосистем в процессе аграрного природопользования, К.С. Веселовского, А.И. Воейкова, В.В. Докучаева, А.А. Григорьева, М.И. Будыко, С.В. Калесника, Л.С. Берга, Н.Л. Беручашвили, Б.В. Сочава, В.С. Мезенцева, И.В. Карнацевича, В.Б. Соча-вы, Р.К. Клиге, А.Т. Напрасникова, А.Г. Исаченко, Д.И. Шашко, Н.А. Мосиенко и других исследователей относительно существующих закономерностей фор­мирования тепловлагообеспеченности деятельного слоя земной поверхности применительно к условиям глобальной зоны оптимальных гидролого-климатических условий для аграрного природопользования. Основной акцент в работе   сделан   на   районировании   как   универсальном   методе   упорядочения   и

4


систематизации территориальных систем, широко используемом в географиче­ских науках.

Анализ специальных видов районирования позволил выбрать подходы, ис­

пользуемые    при    гидролого-климатическом   районировании    (Мезенцев,

1957,1961, 1969; Режимы влагообеспеченности…, 1974), в качестве наиболее

соответствующих поставленной цели исследования. Рассмотренные в работе

виды районирования (агроклиматическое, ландшафтно-экологическое и макро-

ландшафтное, рекреационное) позволяют выделить следующие зоны макси­

мальной продуктивности отдельных сельхозкультур, активного земледелия, зо­

ну с наиболее высоким экологическим потенциалом ландшафта, зону с наи­

большей биопродуктивностью и максимальными запасами биомассы ландшаф­

тов, зону с наиболее комфортными для биологических систем и жизне­

деятельности населения климатическими условиями. Все они в той или иной

мере подтверждают наличие зоны оптимальных гидролого-климатических ус­

ловий для земледелия. Во всех вышеперечисленных видах районирования в ка­

честве количественных индикаторов природных рубежей используются показа­

тели тепловлагообеспеченности и рассматривается зона, аналогичная зоне оп­

тимальных гидролого-климатических условий аграрного природопользования,

расположенная между зонами избыточного и весьма недостаточного увлажне­

ния.

Социально-антропологические аспекты проблемы раскрыты в соответст­вии с концепцией Л.Н. Гумилева, который отмечал, что у совместной истории природы и людей (коэволюции природы и общества) имеются свои закономер­ности. Осваивая все новые территории, во избежание исчезновения с историче­ской арены, этнос в целом и его представители стремятся максимально приспо­собиться к окружающему ландшафту, обеспечивая себя необходимым миниму­мом жизненно необходимых ресурсов (водных и теплоэнергетических ресурсов климата, растительной и животной пищи, наиболее легко добываемого вида строительного материала и энергоносителя – древесины). Эмпирическим путем многие этносы определили для своего проживания зону оптимальных гидроло­го-климатических условий аграрного природопользования.

В различных частях этой зоны исторически сформировались древнейшие

земледельческие цивилизации, использующие орошение. Великий шелковый

путь из Азии в Европу пролегал именно в зоне оптимальных гидролого-

климатических условий для развития аграрного землепользования, в межгор­

ных котловинах и в предгорьях Центральной Азии, расположенных по краю

степей, полупустынь и пустынь, где можно было найти родниковую воду, дрова

и пищу по пути следования караванов и имелись поселения, служащие путеше­

ственникам пристанищем на маршруте. Именно вдоль этой зоны в Сибири про­

исходило массовое освоение и заселение малообжитых территорий, прокладка

Сибирского тракта и формирование вдоль него крупных населенных пунктов и

основной полосы расселения. В Северной и Южной Америке, Австралии тер­

ритории с оптимальными гидролого-климатическими условиями для аграрного

природопользования   в     первую    очередь    были     освоены     пионерами-

переселенцами как наиболее пригодные для жизни и сельского хозяйства.

5


Географо-математические, ландшафтно-географические и ландшафтно-гидрологические подходы при выявлении пространственных связей между то­чечной информацией метеорологических станций и бассейновой информацией, реализованные в работах В.Г. Глушкова, М.И. Будыко, А.Н. Бефани, В.С. Ме­зенцева, А.Н. Костякова, В.А. Снытко, Д.А. Буракова, П.С. Кузина и В.И. Баб­кина, А.Н. Антипова, Р.К. Клиге, А.Г. Исаченко, В.М. Котлякова, А.М. Комле-ва, И.В. Карнацевича, Ю.П. Михайлова, М.К. Гавриловой, В.М. Калинина, В.И. Булатова, Ю.П. Селиверстова, Л.М. Корытного, Б.П. Ткачева, В.А. Земцова мо­гут быть дополнены в отношении экстраполяции на неисследованные ланд­шафты результатов гидролого-климатических измерений и расчетов. До сих пор существуют нерешенные вопросы пространственных взаимосвязей между географической информацией точки, линии и поля, которые по нашему мнению могут решаться с помощью ГИС-картографирования полей изолиний.

Необходимость     выделения     зоны     с      оптимальными     гидролого-

климатическими условиями природопользования связана с выбором критериев для количественной индикации ее природных рубежей на картах. Наиболее ге­нетически обоснованно, комплексно и всесторонне вопросы количественной гидролого-климатической характеристики зон увлажнения решаются с исполь­зованием метода ГКР.

Объектом исследования в диссертационной работе является гидролого-климатический процесс, как источник развития геосистем, а также пространст­венно-временные структуры элементов водного и теплового балансов деятель­ной поверхности и приземного слоя атмосферы.

В предметную область исследования входят географические законо­мерности глобальной зоны оптимальных гидролого-климатических условий аг­рарного природопользования, закономерности функционирования ее геосистем, пространственно-временной динамики ее рубежей на суше в связи с возмож­ными изменениями климата, а также исследование условий ее естественной те-пловлагообеспеченности, геоэкологических проблем и направлений рациональ­ного природопользования.

Целью исследования является обоснование метода выделения глобальной зоны оптимальных гидролого-климатических условий для аграрного природо­пользования, изучение ее географических закономерностей и исследование пространственно-временной динамики этой зоны в связи с современными кли­матическими тенденциями.

Для достижения цели исследования решались следующие основные задачи:

  1. Анализ существующих теоретических подходов к изучению тепловлагообо-рота деятельного слоя как важнейшего фактора формирования ландшафта и выбор метода количественной оценки условий естественной тепловлаго-обеспеченности территорий.
  2. Выполнение тепловоднобалансовых расчетов для среднего года и конкрет­ных лет (за период 1936–2006 гг.) по внутригодовым интервалам и обобще­ние результатов расчетов гидролого-климатических характеристик с целью выявления  пространственно-географических  и  временных  закономерностей

6


зоны  оптимальных  гидролого-климатических   условий     аграрного   природо­пользования Западной Сибири.

  1. Составление ГИС-карт и анализ полей изолиний расчетных гидролого-климатических характеристик и гидролого-климатического профиля Запад­но-Сибирской равнины с выделением территорий с оптимальными гидроло­го-климатическими условиями для аграрного природопользования и выпол­нением количественной оценки возобновляемых природных ресурсов и комплексных характеристик естественной тепловлагообеспеченности.
  2. Географическое осмысление проблемы выделения зоны оптимальных гид­ролого-климатических условий природопользования и поиск количествен­ных критериев, позволяющих определить местоположение ее рубежей. Раз­работка метода выделения зоны оптимальных гидролого-климатических ус­ловий природопользования на примере Западно-Сибирской равнины и ви­зуализации ее гидрологических рубежей.
  3. Анализ гидролого-климатического функционирования геосистем в пределах исследуемой зоны и соседней бессточной области Западной Сибири в усло­виях распространения плоско западинного микрорельефа, количественная оценка перераспределения атмосферного увлажнения по его элементам и разработка региональной методики расчета дефицитов увлажнения при оро-сительно-мелиоративном освоении лесостепных и степных ландшафтов юга Западной Сибири в целях решения проблемы продовольственной безопасно­сти.
  4. Исследование географических закономерностей, анализ местных особенно­стей и геоэкологических проблем в пределах глобальной зоны оптимальных гидролого-климатических условий природопользования на континентах. Ко­личественная оценка величины возможных ее пространственных смещений под влиянием климатических колебаний на примере Западной Сибири.

Методы исследования, исходные данные, достоверность и обоснован­ность результатов

Основным подходом диссертационного исследования является принцип совместного анализа процессов преобразования тепла и влаги с учетом соблю­дения фундаментальных законов сохранения энергии и вещества. Реализация данного принципа осуществлена при совместном решении уравнений теплово­го и водного балансов и уравнения связи балансовых элементов, определяюще­го соотношение между гравитационным и тепловым типами дренирования су­ши (стоком и испарением).

В исследованиях был использован метод гидролого-климатических рас­четов (ГКР) (Мезенцев,1957,1993), опыт применения которого для различных по природным условиям территорий России и сопредельных государств пока­зал достаточную точность. Тепло-воднобалансовые расчеты и географический анализ структур теплового и водного балансов выполнялись с использованием современного подхода к оценке теплоэнергетических ресурсов климата и испа­рения, учитывающего для условий криолитозоны сезонные теплоэнергозатраты на нагревание и протаивание снега и мерзлого грунта (Карнацевич,1989,1991).

7


При анализе методов исследования условий естественной тепловлаго-обеспеченности территорий и оценке водных ресурсов водосборов подтайги, лесостепи и степной зоны использовались работы М.А. Великанова, М.И. Бу-дыко, Н.Н. Иванова, С.И. Харченко, А.М. Алпатьева, Б.В. Полякова, Г.Т. Селя-нинова, А.М. Комлева, В.А. Троицкого, К.П. Вознесенского, К.Я. Кондратьева, А.Г. Исаченко, Г.А. Плиткина, В.М. Калинина, В.И. Булатова, В.И. Бабкина, А.Н. Антипова, В.Н. Русакова, Г.В. Белоненко, Д.А. Буракова, С.П. Никитина, В.А. Земцова, Б.П. Ткачева.

При анализе простанственно-временной динамики зоны оптимальных гидролого-климатических условий аграрного природопользования в связи с возможным изменением климата использованы работы Г.В. Грузы, Э.Я. Рань-ковой, С.Г. Добровольского, А.А. Величко, Ю.А. Израэля, А.В. Павлова, О.Д. Сиротенко, П.А. Каплина, А.О. Селиванова, Р.К. Клиге, Л.С. Евсеевой, Э.Г. Ко-ломыца, К.Я. Кондратьева, К.Я. Котлякова, И.Г. Грингофа, И.М. Школьника, В.П. Мелешко, В.М. Катцова, Н.И. Базилевич, Ю.И. Винокурова, В.А. Понько, В.П. Галахова, Н.И. Быкова, а также материалы Международной группы экс­пертов по проблеме изменения климата и Четвертого национального сообще­ния об изменениях климата.

Исходные и полученные в ходе расчета ряды элементов водного и тепло­вого балансов и гидролого-климатических характеристик проверены общепри­нятыми статистическими методами на однородность, нормальность распреде­ления, цикличность, статистические тренды, а теснота связей и значимость по­лученных эмпирических зависимостей оценена с помощью коэффициентов корреляции и стандартных критериев.

В диссертации использованы актинометрические, метеорологические, климатологические, геокриологические и гидрологические материалы, опубли­кованные в кадастровых изданиях, справочниках, бюллетенях, атласах, моно­графиях, периодических изданиях. Исходными данными для воднобалансовых расчетов и последующей количественной индикации местоположения гидроло­гических рубежей зоны в условиях Западной Сибири послужили материалы ре­гиональных УГМС. На их основе были получены результаты средних годовых, ежегодных, месячных и декадных (за период инструментальных наблюдений с 1936 по 2006 г.) расчетов элементов водного баланса и тепловлагообеспеченно-сти для 238 метеостанций (элементарных водосборов) Западно-Сибирской рав­нины и 240 метеостанций Салаиро-Кузнецкого междуречья Оби и Енисея (1936–1979 гг.).

Автором использованы материалы, полученные в ходе работы над канди­датской диссертацией (Одесский ГМИ, 1980–1983 гг.), материалы составлен­ных при участии соискателя отчетов по научно-исследовательской работе ка­федры сельскохозяйственного водоснабжения и гидрологии Омского государ­ственного аграрного университета (ОмСХИ) за 1984–1988 гг. и кафедры физи­ческой географии Омского государственного педагогического университета за 2004–2008 гг.

При    исследовании    географического    местоположения     гидролого-

климатических   рубежей   были   использованы   карты   Физико-географического,

8


Агроклиматического, Большого атласов мира, Экологического и Национально­го атласов РФ и Атласа мирового водного баланса.

При построении карт полей изолиний гидролого-климатических характе­ристик использованы: метод векторной картографии, картографические воз­можности программных продуктов Surfer, Mapinfo и базы данных гидролого-климатической информации, полученной в ходе тепло-воднобалансовых расче­тов. В ходе этих расчетов использовалась программа на языке Visual Basic в Excel, составленная А.А. Распоповым (2003).

Научная новизна работы

  1. Впервые на основе обобщения информации, полученной в ходе тепло-воднобалансовых расчетов по методу ГКР, дано обоснование и разработан метод выделения глобальной зоны оптимальных гидролого-климатических условий для аграрного природопользования (на примере Западной Сибири). Проанализированы геоэкологические проблемы функционирования геосис­тем в различных частях этой глобальной зоны, связанные с ее возможной пространственной миграцией в результате колебаний климата.
  2. Для визуализации этой зоны на картах впервые предложены пространствен­но-динамические рубежи – гидролого-климатический и гидрографический, выявлена и количественно обозначена их пространственная взаимосвязь. Исследована взаимосвязь зоны оптимальных гидролого-климатических ус­ловий аграрного природопользования и ее гидрологических рубежей с дру­гими                                  видами   районирования              (агроклиматическим,             ландшафтно-экологическим, физико-географическим, рекреационным) с целью дополне­ния географического образа территорий
  3. Впервые предложена гидролого-почвенно-мелиоративная квазиконстанта для количественной индикации на картах местоположения гидрографиче­ского рубежа зоны оптимальных гидролого-климатических условий аграр­ного природопользования.
  4. Впервые для оценки распределения по зонам увлажнения возобновляемых гидролого-климатические ресурсов Западной Сибири (комплекса генетиче­ски взаимосвязанных характеристик естественной тепловлагообеспеченно-сти) использованы пространственные горизонтальные градиенты, а сами ха­рактеристики представлены в виде ГИС-карт полей изолиний и гидролого-климатического профиля
  5. Соискателем разработана региональная методика расчета норм гидромелио­ративного освоения ландшафтов зоны в целях решения проблемы продо­вольственной безопасности в условиях Западной Сибири и предложены ре­зультаты количественной оценки перераспределения атмосферного увлаж­нения по элементам плоско-западинного микрорельефа ее южной части.
  6. Впервые с помощью статистических трендов элементов водного баланса и комплексных гидролого-климатических характеристик на примере зональ­ных ландшафтов Западной Сибири изучена пространственно-временная ди­намика зоны оптимальных гидролого-климатических условий аграрного природопользования. Впервые тренды генетически взаимосвязанных эле­ментов теплового и водного балансов и комплексных характеристик естест-9

венной тепловлагообеспеченности использованы для анализа пространст­венно-временной изменчивости границ природных зон. Сделаны выводы о стабильности местоположения границ природных зон на юге Западной Си­бири за период 1973–2006 гг.

Практическая значимость работы

Результаты работы востребованы практикой тепловоднобалансовых ис­следований и расчетов применительно к территориям как отдельных регионов, так и суши в целом, в процессе решения ряда проблем, таких как проблема из­менения климата, проблема рационального природопользования и решения продовольственной задачи путем гидромелиорации ландшафтов в условиях глобального потепления, проблема изучения естественных условий увлажнения и теплообеспеченности   полосы основного расселения Земли.

Практическим итогом работы явились: основные положения метода вы­деления зоны оптимальных гидролого-климатических условий природопользо­вания и ее гидрологических рубежей с помощью количественных индикаторов; систематизация результатов водно-балансовых расчетов, их интерпретация и географический анализ в пределах глобальной зоны оптимальных гидролого-климатических условий аграрного природопользования; исследование времен­ных тенденций элементов водного и теплового балансов и характеристик теп-ловлагообеспеченности, исследование пространственно-временной динамики зоны (на примере Западной Сибири); количественная оценка перераспределе­ния влаги по элементам микрорельефа и методика расчета дефицитов увлажне­ния для гидромелиоративного освоения ландшафтов выделенной зоны.

Внедрение материалов исследований

Теоретические разработки, методические и практические рекомендации автора использованы в научном обеспечении экологической экспертизы Проек­та Южно-Омской оросительной системы (Омский государственный аграрный университет, факультет водохозяйственного строительства, 1984–1988 гг.); в ходе работы по теме НИР «Исследования и картографирование важнейших во­зобновляемых природных ресурсов Западной Сибири» (Омский государствен­ный педагогический университет, географический факультет, 2004–2008 гг.); используются в виде отчетов, монографий, учебных пособий, атласов в Омском региональном отделении Русского географического общества (ОРО РГО), в Федеральном Государственном учреждении «Территориальный фонд информа­ции о природных ресурсах» (ФГУ ТФИ по Омской области), а также в учебном процессе Омского государственного педагогического университета.

Соискателем получены акты о внедрении материалов научных исследо­ваний: при разработке экспозиции по разделу «Природа Омской области» в Го­сударственном учреждении культуры Омской области Омском государствен­ном историко-краеведческом музее; в проектной фирме ООО Инженерный кон­салтинговый центр «Промтехбезопасность» (научное консультирование проек­та низконапорных плотин на р. Иртыш); в Омском региональном отделении Русского географического общества (научно-экологическая экспертиза пред­ложений Омского регионального отделения Русского географического общест­ва по созданию в Муромцевском районе Омской области национального парка);

10


при составлении отчетов в ОАО «Омская геологоразведочная экспедиция». На основе материалов диссертационной работы автором разработаны и читаются на кафедре физической географии ОмГПУ лекционные курсы. Результаты на­учных исследований соискателя используются в учебном процессе и при разра­ботке учебных пособий для студентов специальности География.

Личный вклад автора

Диссертационная работа является продолжением и развитием темы кан­дидатской диссертации (1983 г.), а также теоретическим обобщением работы автора в рамках научно-исследовательской тематики кафедр ОмГАУ (1984– 1988 гг.) и ОмГПУ (2004–2010 гг.) в направлении экстраполяции на глобальном уровне выявленных региональных географических закономерностей зоны оп­тимальных гидролого-климатических условий аграрного природопользования. Исследование выполнено при финансовой поддержке ОмГПУ в рамках гос­бюджетной тематики научных исследований. Автору в рамках данной диссер­тационной работы принадлежит постановка цели, задач исследования и их реа­лизация. Соавторство оговорено в соответствующих разделах диссертации и в списке публикаций.

Наиболее существенные результаты, полученные лично автором: – автором диссертации предложен метод выделения зоны оптимальных гидро­лого-климатических условий аграрного природопользования, обладающей наи­более подходящими для сельскохозяйственного использования гидролого-климатическими характеристиками, разделяющей области избыточного и весь­ма недостаточного увлажнения,

– автором предложены гидролого-почвенно-мелиоративные квазиконстанты для количественной индикации гидрологических рубежей исследуемой зоны на картах, позволяющие определять местоположение этих рубежей и дополнить географический образ территорий,

– впервые с помощью современной ГИС-картографии на основе информации Атласа мирового водного баланса и информации, полученной в ходе водноба-лансовых расчетов, выполнена визуализация местоположения глобальной зоны оптимальных гидролого-климатических условий аграрного природопользова­ния (на примере Западной Сибири),

– установлена закономерная последовательность чередования геосистем и сходство их гидролого-климатического функционирования в различных частях глобальной зоны оптимальных гидролого-климатических условий аграрного природопользования,

– обобщен опыт количественной оценки перераспределения атмосферной влаги по элементам плоско-западинного микрорельефа при гидролого-климатическом функционировании геосистем юга Западной Сибири в пределах бессточных об­ластей исследуемой зоны и сопредельных территорий,

– разработана региональная методика расчета дефицитов увлажнения для пла­нирования оросительно-мелиоративного освоения лесостепных и степных ландшафтов юга Западной Сибири,

– впервые по природным зонам юга Западной Сибири выполнен анализ трендов полученных в ходе расчетов по методу ГКР элементов водного баланса и ком-11


плексных характеристик естественной тепловлагообеспеченности, который по­казал, что в условиях современных климатических тенденций при переходе от периода относительного похолодания (1936–1972 гг.) к периоду относительно­го потепления (1973–2006гг.) местоположение границ природных зон юга За­падной Сибири пока остается неизменным.

Апробация результатов исследования

Основные теоретические положения и практические результаты доклады­

вались на конференциях и научных семинарах в Омском государственном пе­

дагогическом и аграрном университетах (2006–2010), в Алтайском государст­

венном университете (2007), заседаниях Омского отдела Русского географиче­

ского общества (2008). Консультации и обсуждения также имели место в Ал­

тайском, Тюменском и Томском государственных университетах (2007,2009).

Результаты и выводы диссертации докладывались автором и обсуждались на

международных, всероссийских и межрегиональных научно-практических

конференциях в Одессе (1983), Усть-Каменогорске (1990), Перми (1993), Таре

(1995),      Челябинске      (2006),            Тюмени      (2007),      Омске      (1984–

1994,1999,2002,2004,2006–2010), Москве, МГУ (2006), Пензе (2007, 2008), Ир­кутской сельхозакадемии (2009) и Томском ГУ (2009).

Основные теоретические положения и результаты исследования опубли­кованы в семи статьях в журналах списка ВАК, в разделах четырех моногра­фий, в зарубежном журнале «Вестник Брестского ГТУ» (2009), обсуждались на Международных высших гидрологических курсах ЮНЕСКО (Москва, МГУ, 1993), на международных конференциях: Международной научной конферен­ции «Геоэкологические аспекты хозяйствования, здоровья и отдыха» (Пермь, 1993); Международной научно-практической конференции, посвященной 125-летию Омского регионального отделения РГО (Омск, 2002); Международной научно-практической конференции «Проблемы управления и рационального использования водных ресурсов бассейна реки Иртыш» (Омск, 2004); Между­народной научно-практической конференции «Современные проблемы реки Иртыша и водообеспечения Омской области: пути их решения» (Омск, 2006); XII-ой Международной научно-практической ландшафтной конференции, Сек­ция «Ландшафтоведение и образование» (Москва, 2006); VI-ой Международной научно-практической конференции «Природно-ресурсный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России» (Пенза, 2008); I, II, III Международной научно-практических конференциях «Эколого-экономическая эффективность природопользования на современном этапе развития Западно-Сибирского ре­гиона» (Омск,2006, 2008, 2010); Международной научно-практической конфе­ренции «Климат, экология, сельское хозяйство Евразии» (Иркутск,2009); VIII Международной научно-практической конференции «Сибирская деревня: исто­рия, современное состояние и перспективы развития» (Омск, 2010), а также других конференциях всероссийского и регионального масштабов.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит введения, основного текста диссерта­ции, изложенного в 5 главах на 285 страницах, заключения, списка литературы и приложения из 8 таблиц.

12


Автор выражает глубокую благодарность и признательность за советы и рекомендации научному консультанту д.г.н., профессору И.В. Карнацевичу, профессорам – А.Н. Антипову, А.Т. Напрасникову, В.В. Козину, Р.К. Клиге, В.С. Ревякину, Г.В. Белоненко, Н.Б. Поповой, Д.А. Буракову, В.М. Калинину, Н.А. Калиненко, Л.В. Березину, В.Н. Русакову, В.А. Земцову, Б.П. Ткачеву. Всю научную деятельность соискателя в значительной мере определило неоце­нимое влияние, которое на раннем этапе научных исследований было оказано д.г.н., профессором В.С. Мезенцевым. Большая помощь и поддержка на ранних этапах была оказана также профессорами А.Н. Бефани, Н.Ф. Бефани, А.Г. Ива­ненко, Е.Д. Гопченко. Представленная работа была бы невозможна без под­держки руководства Омского государственного педагогического университета, президиума Омского отделения РГО и поддержки коллег по факультетам гео­графии ОмГПУ, водохозяйственного строительства и землеустройства ОмГАУ. Всем специалистам и коллегам автор выражает глубокую благодарность.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Метод выделения зоны оптимальных гидролого-климатических усло­

вий для аграрного природопользования позволяет дополнить и уточ­

нить        современные научные представления по вопросам агроклима­

тического, физико-географического, рекреационного и ландшафтно-

экологического районирования, дополнить географический образ тер­

ритории

Автором выполнен анализ истории развития представлений о зоне опти­мальных гидролого-климатических условий для аграрного природопользова­ния, рассматриваемой при проведении агроклиматического, ландшафтно-экологического, физико-географического, рекреационного и других видах рай­онирования. Изложены принципы гидролого-климатического районирования, используемого в данной работе для обоснования выделяемой зоны. Изложена концепция, метод выделения зоны и подходы к топологической индикации ру­бежей граничной зоны между областями избыточного и весьма недостаточного увлажнения как зоны оптимальных гидролого-климатических условий аграрно­го природопользования (рис. 1, 2). Впервые для выполнения гидролого-климатического районирования использованы поля изолиний балансовых эле­ментов, полученные с помощью ГИС.

Одним из природных рубежей глобальной зоны оптимальных гидролого-климатических условий для аграрного природопользования является гидролого-климатический рубеж – граница оптимума между областями избыточного и недостаточного увлажнения – линейное местоположение на карте естественных условий, при которых наблюдается полностью оптимальное соотношение ре­сурсов влаги и тепла. Эти условия пространственно соответствуют единичному значению среднего годового коэффициента увлажнения (KX/Zm=1,0) или ну-13


левому значению среднего годового дефицита увлажнения (AH=KX-Zm=0) и являются верхним уровнем оптимальности увлажнения для большинства сель­скохозяйственных культур на уровне средней годовой влажности наименьшей влагоемкости (Wcp=Wim или Vcp=Wcp/Wim=l,0).


а


б


6


Рисунок 1 - Схема взаимного расположения гидролого-климатического,

гидрографического рубежей зоны оптимальных гидролого-климатических

условий для аграрного природопользования для равнин (а) и предгорий (б)

  1. - гидролого-климатический рубеж - линейное местоположение на суше оптимального со­четания тепла и влаги;
  2. - динамическая граничная зона оптимального соотношения тепла и влаги - область про­странственной миграции изолинии оптимального увлажнения по годам с различной структу­рой водного и теплового балансов повторяемостью не реже 1 раз в 5 лет, то есть сухих и влажных лет с обеспеченностью 20 и 80% соответственно;
  3. - гидролого-почвенно-мелиоративная квазиконстанта, принятая в качестве количественно­го индикатора гидрографического рубежа - среднее значение нормы годового стока в интер­вале Y=15…45мм/год (нормы годового модуля стока М=0,5… 1,5л/(с·км2)), соответствующее предельному минимально оптимальному сочетанию влаги и тепла на уровне ?н=0,6… 0,7 при средней годовой влажности деятельного слоя средних по мехсоставу почв на уровне от влажности разрыва капиллярных связей до влажности завядания, Vср=0,6… 0,7;
  4. - гидрографический рубеж - линейное местоположение на суше границы бессточных об­ластей, на которой прерывается речная сеть с постоянным местным стоком;
  5. - динамическая гидрографическая граничная зона - область пространственной миграции главного гидрографического рубежа по годам с различной структурой водного и теплового балансов повторяемостью не реже 1 раз в 5 лет, то есть сухих и влажных лет с обеспеченно­стью 20 и 80%;

2, 5, 6 - зона оптимальных гидролого-климатических условий для аграрного природопользо­вания, область, заключенная между крайними положениями гидролого-климатического (1) и гидрографического рубежей (4) с учетом их пространственных колебаний по годам с различ­ной структурой водного и теплового балансов.

14


Рисунок 2 – Области увлажнения и пограничная зона оптимальных гидролого-климатических условий для аграрного природопользования

    • – область избыточного увлажнения;
    • зона оптимальных гидролого-климатических условий для аграрного природопользования;
    • – область аридная с весьма недостаточным увлажнением, ограниченная главным гидрогра­фическим рубежом, в которой за счет местного стока образуются только временные водото­ки и бессточные озера, а транзитные реки не получают местного речного притока (Большой атлас мира,1999);
    • главный гидролого-климатический рубеж, линейное местоположение на суше оптималь­ного сочетания тепла и влаги, пространственно соответствует изолинии нулевого значения дефицита увлажнения по М.И.Будыко по карте увлажнения (Атлас мирового водного балан-са,1974);
    • главный гидрографический рубеж, линейное местоположение на суше границы бессточ­ных областей, на которой прерывается речная сеть с постоянным местным стоком, простран­ственно соответствует изолинии среднего годового слоя стока Y=30мм/год, среднего в ин­тервале значений Y=15…45мм/год по карте стока (Атлас мирового водного баланса,1974);
    • – места формирования древнейших цивилизаций.

    Вторым рубежом выделяемой зоны является гидрографический рубеж – линейное местоположение на карте естественных условий, при которых исчеза­ет речная сеть, образованная местным стоком, и наблюдается минимально оп­тимальное для растениеводства соотношение ресурсов влаги и тепла, обеспе­чивающее влажность почвы на уровне разрыва капилляров почвы (практически равном влажности завядания для большинства сельхозкультур).

    15


    Пограничная зона оптимальных гидролого-климатических условий для аг­рарного природопользования отделяет область избыточного увлажнения от аридной области с весьма недостаточным увлажнением. В этой зоне складыва­ются благоприятные природные условия для сельскохозяйственного освоения: достаточные теплоэнергетические ресурсы климата для выращивания сельско­хозяйственных культур, коэффициент увлажнения от верхнего до нижнего уровня оптимальности, средняя годовая влажность почвы на уровне от наи­меньшей влагоемкости до влажности завядания и разрыва капиллярных связей в почве, благоприятные условия для формирования естественных ландшафтов с растительностью от древесной до травянистой и выращивания большинства сельскохозяйственных культур. В этой зоне в ходе естественной эволюции при­родных комплексов сформировались благоприятные для пахотного земледелия почвенно-земельные ресурсы, а также имеется не только транзитный, но и ме­стный речной сток для водообеспечения населенных пунктов и развития гид-ромелиораций, что также является необходимым условием для освоения терри­торий и развития аграрного землепользования.

    В средний год на территории Западной Сибири зона оптимальных гидро­лого-климатических условий аграрного природопользования охватывает юг лес­ной зоны – подтайгу, а с учетом колебания увлажнения в сухие и влажные годы с различной структурой водного и теплового баланса (при обеспеченности 20 и 80 %) она включает также   лесостепь и южную тайгу.

    Предложены количественные критерии для оценки географического ме­стоположения гидрологических рубежей зоны оптимальных гидролого-климатических условий аграрного природопользования на примере Западной Сибири и континентов (рис.1, 2, 3). На основе использования полей изолиний характеристик естественной тепловлагообеспеченности исследована взаимо­связь этих рубежей с предложенными гидролого-почвенно-мелиоративными квазиконстантами и агроклиматическими показателями (табл. 1).

    Зона оптимальных гидролого-климатических условий аграрного природо­пользования Западной Сибири характеризуется повышенными градиентами по­лей гидролого-климатических характеристик по сравнению с прилегающими зонами (табл. 2), мигрирует вслед за колебанием местоположения гидролого-климатического и гидрографического рубежей (рис. 3) в соответствии с клима­тическими циклами, характеризуется определенными количественными значе­ниями балансовых элементов и шириной в зависимости от конкретных условий.

    На гидролого-климатическом рубеже зоны имеются условия для формиро­вания наибольшей фитомассы и биопродуктивности древесной растительности, складываются комфортные гидрологические и климатические условия для проживания населения и освоения природных ресурсов. На ее гидрографиче­ском рубеже сформированы самые плодородные почвы, имеются земельные ре­сурсы и складываются наиболее благоприятные природные предпосылки для земледелия, осуществляется активная хозяйственная деятельность при одно­временной возможности обеспечения нужд водоснабжения и орошения за счет как транзитного, так и местного речного стока. Визуализация этой зоны выпол­нена с помощью карт (рис. 2, 3) и гидролого-климатического профиля (рис. 4).

    16


    60                  72

    84

    96    в.д.

    11

    ^/    /           з|

    »,      ы       |

    ^т"\Ш

    )           VН     н^н

    У~-    Салехарду (     \/

    Щш

    it

    64

    1      о^^^Г

    г™^ -^-Ут~\С/

    11_

    ^iiнi

    \(   \   Vx

    <-L'ннfi

    ^Нижневартовск^t

    ---Л

    Тюменьр^ОЧ^B^

    "Т-«<—^/

    ^^р~

    56

    /КурганТ^^^ТР

    "^ТкТомск.

    ^pКемерово

    с.ш.

    [   Т\\      ^       "Омск\Г

    н  ГГ""    E»

    ^i     >^      >>^^4Барнаул

    3

    4

    5

    ^Г*  ¦

    8

    9

    10

    У/


    11


    Рисунок   3 – Гидролого-климатические зоны, риродные зоны и зона оптимальных гидролого-климатических условий аграрного природопользования Западно-Сибирской равнины

    Природные зоны 1–тундра; 2–лесотундра; 3–северная и средняя тай­га; 4–южная тайга; 5–смешанные леса; 6–мелколиственные леса;

    7–северная лесостепь;

    8–центральная лесостепь;

    9–южная лесостепь; 10

    степь


    Гидролого-климатические зоны ( по данным Мезенцев В.С., Карнацевич И.В.,1969) А – зона избыточного увлажнения в средний и влажные годы и оптимального увлажнения в сухой год повторяемостью не реже 1 раз в 5 лет;

    B – зона избыточного увлажнения и недостаточной теплообеспеченности во влажный год повторяемостью 1 раз в 5 лет и оптимального увлажнения в средний и сухой год повторяе­мостью не реже 1 раз в 5 лет;

    C – зона оптимального увлажнения и теплообеспеченности в средний и влажный год повто­ряемостью не реже 1 раз в 5 лет и недостаточного увлажнения в сухой год повторяемостью не реже 1 раз в 5 лет;

    D – зона недостаточного увлажнения и избыточной теплообеспеченности в средний и сухой год повторяемостью не реже 1 раз в 5 лет и оптимального увлажнения во влажный год по­вторяемостью не реже 1 раз в 5 лет;

    E – зона весьма недостаточного увлажнения в средний и сухие годы и оптимального увлаж­нения во влажный год повторяемостью не реже 1 раз в 5 лет;

    A1 – зона весьма избыточного увлажнения и недостаточной теплообеспеченности; E1 – зона весьма недостаточного увлажнения и избыточной теплообеспеченности.

    Зона оптимальных гидролого-климатических условий аграрного природопользования А, В, C, D зона оптимальных гидролого-климатических условий аграрного природопользо­вания с учетом среднего, а также сухих и влажных лет повторяемостью не реже 1 раз в 5 лет;

    11  гидролого-климатический рубеж зоны в средний год и сухие год повторяемостью 1 раз

    в 5 и 20 лет;

    12 гидрографический рубеж зоны в средний и влажные годы повторяемостью 1 раз в 5 и 20

    лет.

    17


    мм

    800 600 400 200

    0

    - 200 400


    70 град


    65


    Вкх год       Wср./Wнв 05-08

    60


    55


    с.ш.


    1

    2

    3а                              3в

    4

    5

    6

    Природные

    7

    зоны

    А

    В

    C

    D

    E

    Гидролого-климатические зоны

    600-700

    120-300

    150-200

    120-360

    Ширина гид.-кл. зон км

    Зона весьма избыточного увлажнения

    Зона избыточного

    увлажнения

    Зона опт.гидр.-клим.

    усл.природопольз.

    в ср.год и сух./влаж.годы

    повторяемостью 1р.в 5лет

    Зона весьма недост.

    увлажнения,

    исчезновение рек

    с местным клим.стоком


    ¦   8


    А    9


    Рисунок 4 - Гидролого-климатический профиль Западной Сибири 75°в.д. Природные зоны: 1 - тундра, 2 - лесотундра, 3 а - северная и средняя тайга, 3 в - южная тайга, 4 - смешанные леса, 5 - мелколиственные леса, 6 - лесостепь, 7 - степь Гидролого-климатические зоны (по данным Мезенцев ВС, 1957) А - зона избыточного увлажнения в средний и влажные годы и оптимального увлажнения в сухой год повторяемостью не реже 1 раз в 5 лет; В - зона избыточного увлажнения и недос­таточной теплообеспеченности во влажный год повторяемостью не реже 1 раз в 5 лет и оп­тимального увлажнения в средний и сухой год повторяемостью не реже 1 раз в 5 лет; С - зо­на оптимального увлажнения и теплообеспеченности в средний и влажный год повторяемо­стью не реже 1 раз в 5 лет и недостаточного увлажнения в сухой год повторяемостью не ре­же 1 раз в 5 лет; D - зона недостаточного увлажнения и избыточной теплообеспеченности в средний и сухой год повторяемостью не реже 1 раз в 5 лет и оптимального увлажнения  во влажный год повторяемостью не реже 1 раз в 5 лет; Е - зона весьма недостаточного увлаж­нения в средний и сухие годы и оптимального увлажнения во влажный год повторяемостью 1 раз в 5 лет

    Показатели оптимальности увлажнения и их широтная привязка по 75°в.д.

    8 - среднее положение гидролого-климатического рубежа (условий оптимума увлажнения

    для вегетационного периода) (57°с.ш.):

    •    оптимальная относительная влажность почвы за вегетационный период среднего года

    Vcp 05-08 = Wcp 05-08 AVHB = 1,0

    •    оптимальное испарение за вегетационный период pz os–os = Z/Zm = 0,75… 0,79, при кото­

    ром нет перерасхода теплоэнергетических ресурсов на испарение или турбулентный теп­

    лообмен

    9 - среднее положение гидролого-климатического рубежа (оптимума увлажнения для годо­

    вого интервала) (58°с.ш.).

    18


    Таблица 1 – Диапазоны значений норм элементов водного и теплового баланса, характеристик тепловлагообеспеченности в пределах зоны оптимальных гидро­лого-климатических условий аграрного природопользования Западной Сибири

    Норма количественной характеристики для годового и вегетационного периодов среднего года

    Диапазон с С на Ю

    Положительная составляющая радиационного баланса R+, МДж/(м2·год)

    1100...2000

    Положительная составляющая турбулентного теплообмена P+, МДж/(м2·год)

    60...20

    Теплоэнергетические ресурсы климата в средний год TK=R++P+, МДж/(м2·год)

    1850...2000

    Сезонные криогенные затраты теплоэнергетических ресурсов климата TKРИО, МДж/(м2·год)

    370...210

    Теплоэнергетические ресурсы испарения Т2=Тк-ТКрио, МДж/(м2тод)

    1570...1600

    Криоклиматический коэффициент уКрио= ТКрио/ Тк , доли ед.

    0,19...0,12

    Климатический коэффициент адвекции aadv=P+/TK , доли ед.

    0,03... 0,00

    Средние годовые затраты тепла на испарение LZ, МДж/(м2тод)

    1170... 1000

    Отрицательный турбулентный теплообмен Р    МДж/(м2тод)

    400... 600

    Водный эквивалент теплоэнергетических ресурсов испарения Zm=TZ/L, мм/год

    600... 700

    Сумма атмосферных осадков KX, мм/год

    600... 400

    Суммарное испарение Z, мм/год

    460...380

    Суммарный климатический сток Y, мм/год

    150...30

    Годовой коэффициент стока ?=Y/KX, доли ед.

    0,25... 0,05

    Коэффициент увлажнения в средний год pH=KX/Zm, доли ед.

    1,0...0,65

    Средняя годовая относительная влажность почвы Vср=Wср/Wнв, доли ед.

    1,0...0,65

    Годовой дефицит атмосферного увлажнения ДКХ, мм/год

    0...-280

    Водный эквивалент теплоэнергетических ресурсов климата и испарения за ве­гетационный период среднего года Zm05-08, мм/май-август

    480...550

    Сумма атмосферных осадков за вегетационный период KX05-08, мм/май-август

    350...250

    Суммарное испарение за вегетационный период среднего года Z05-08, мм/май-август

    360...300

    Коэффициент увлажнения за вегетационный период рн о5-о8,долиед./май-август

    1,00...0,65

    Средняя относительная влажность почвы за вегетационный период Vср05-08, доли ед./май-август

    1,00...0,65

    Относительное испарение за вегетационный период среднего года ?Z 05-08=Z05-08/Zm05-08, доли ед./май-август

    0,85...0,45

    Дефицит атмосферного увлажнения за вегетационный период ?Н05-08, мм/май-август

    0... -300

    Таблица 2 – Пространственные градиенты гидролого-климатических характе­ристик для областей увлажнения Западной Сибири (на 100км по 75°в.д.)

    Гидролого-климатическая характеристика (норма)

    Горизонтальный градиент

    Область увлажнения

    избыт.

    оптим.

    недост.

    Водный эквивалент теплоэнергетических ресурсов испа­рения Zm год, мм/год/100км

    17,5

    20,0

    17,5

    Сумма атмосферных осадков КХгод, мм/год/100км

    25,0

    37,5

    16,0

    Суммарное испарение Zгод, мм/год/100км

    5,0

    15,0

    10,0

    Суммарный климатический сток Угод,мм/год/100км

    22,5

    25,0

    10,0

    Коэффициент увлажнения рнгод,доли ед./год/ЮОкм

    0,08

    0,10

    0,05

    Водный эквивалент теплоэнергетических ресурсов испа-

    12,5

    15,0

    12,0

    19


    рения за вегетационный период Zm0508, мм/май–август/100км

    Сумма атмосферных осадков за вегетационный период КХ0508, мм/май–август/100км

    45,0

    25,0

    10,0

    Суммарное испарение за вегетационный период Z0508, мм/май–август/100км

    5,0

    11,8

    10,0

    Суммарный климатический сток за вегетационный период Y0508 , мм/май–август/100км

    22,5

    25,0

    10,0

    Коэффициент увлажнения за вегетационный период ?н0508, доли ед./май–август/100км

    0,08

    0,08

    0,05

    Относительная влажность почвы за вегетационный пери­од Vср0508, доли ед./май–август/100км

    0,65

    0,68

    0,30

    Относительное испарение за вегетационный период ?z0508, доли ед./май–август/100км

    0,025

    0,100

    0,038

    2. Рубежи выделяемой зоны топологически связаны между собой и пред­ставляют собой не линии, а динамические зоны. Количественная инди­кация гидрологических рубежей с помощью гидролого-почвенно-мелиоративных квазиконстант позволяет определять их местоположе­ние на гидролого-климатических картах

    Изменение местоположения гидрологических рубежей выделяемой зоны оп­тимальных гидролого-климатических условий аграрного природопользования на картах изолиний характеристик естественной тепловлагообеспеченности в годы определенной повторяемости (обеспеченности) дает представление о ру­бежах как о взаимосвязанных динамических зонах. С использованием полей изолиний характеристик естественной тепловлагообеспеченности проведена количественная индикация этих рубежей при помощи гидролого-почвенно-мелиоративных квазиконстант. Эти квазиконстанты отражают пространствен­ную взаимосвязь интервалов стоковых, влажностных и мелиоративных количе­ственных показателей, характерных для рубежей выделяемой зоны (рис. 1, 2).

    Обобщение полученных в ходе расчетов энергетических характеристик климата и водных эквивалентов теплоэнергоресурсов испарения в виде полей изолиний на примере Западной Сибири (рис. 5, 6) позволили изучить геогра­фические закономерности их пространственного распределения и временную изменчивость, определить гидролого-почвенно-мелиоративные константы для индикации рубежей исследуемой зоны. С помощью анализа по методу И.В. Карнацевича полей структурных характеристик теплового баланса (коэффици­ента тепловой адвекции aаdv и криоклиматического коэффициента Укрио), теп­лоэнергетических ресурсов процесса испарения Тz и Zm уточнены представле­ния о структурах теплового баланса северной части Евразии и территории За­падной Сибири (рис. 7). Для характеристики структуры теплового баланса (табл. 3) наряду с адвективной составляющей Р+ теплоэнергоресурсов климата ТК предложено использовать показатели тепловой адвекции ocаdv и континен­тальности климата as, полученные в ходе теплобалансовых расчетов. Для ха­рактеристики криогенности климата и оценки сезонных криогенных затрат Ткрио получено поле криоклиматического коэффициента уКРИО (рис. 5).

    20


    Таблица 3 – Средние годовые элементы теплового баланса и коэффициенты структуры уравнения теплового баланса для Западной Сибири

    Стан-ция

    Р+

    МДж/м2

    Тк

    МДж/м2

    ТZ

    МДж/м2

    Ткрио= Tk-Tz

    МДж/м2

    Укрио= Ткрио/Тк

    0Cadv=

    Р/Тк

    0Cs= 1-OCadv

    Кхр

    Zm= ТZ/L

    мм

    Салехард

    110

    1573

    1079

    494

    0,31

    0,07

    0,93

    0,87

    419

    Тарко-Сале

    140

    1558

    1155

    403

    0,26

    0,09

    0,91

    0,86

    389

    Сургут

    87

    1747

    1310

    437

    0,25

    0,05

    0,95

    0,88

    529

    Тобольск

    60

    1910

    1630

    280

    0,15

    0,04

    0,96

    0,88

    649

    Омск

    39

    1936

    1670

    266

    0,14

    0,02

    0,98

    0,88

    691

    Кустанай

    15

    2044

    1919

    125

    0,06

    0,01

    0,99

    0,90

    764

    Павлодар

    10

    2070

    1994

    76

    0,04

    0,00

    1,00

    0,91

    793

    На примере Западной Сибири также исследована структура водного баланса (рис. 8), географические закономерности полей элементов водного баланса и гидролого-климатических характеристик естественной тепловлагообеспеченно-сти (часть из которых представлена на рис. 9–11), в том числе при различной толщине деятельного слоя и с учетом влияния грунтовых вод на процесс сум­марного испарения и стока (табл. 4 – 7). Исследованы географические законо­мерности территориального распределения полученных в ходе расчетов эле­ментов водного баланса и характеристик естественной тепловлагообеспеченно-сти, их временная изменчивость и влияние ее на функционирование ландшаф­тов Западной Сибири.

    Количественная индикация рубежей выделяемой зоны с помощью гидроло­го-почвенно-мелиоративных квазиконстант позволяет определять местополо­жение гидрологических рубежей на гидролого-климатических картах.

    Таблица 4 – Режимы элементов теплового и водного балансов среднего года,мм

    Характеристи­ка

    Зима

    10-04

    Апр

    04

    Май

    05

    Июнь

    06

    Июль

    07

    Авг

    08

    Сент

    09

    Окт

    10

    Лето

    05-08

    Год

    Ст. Салехард

    Н

    10

    -

    46

    206

    230

    132

    57

    -

    613

    681

    Zm

    10

    -

    20

    79

    139

    117

    54

    -

    152

    419

    Z

    8

    -

    19

    76

    126

    94

    42

    -

    314

    365

    Y

    3

    -

    27

    130

    104

    38

    15

    -

    298

    316

    Vср.

    1,05

    1,05

    1,73

    1,90

    1,40

    1,08

    1,04

    1,05

    1,53

    1,29

    Ст. Омск

    Н

    30

    120

    120

    35

    57

    73

    51

    34

    54

    438

    Zm

    30

    12

    95

    149

    173

    147

    98

    17

    564

    691

    Z

    7

    9

    72

    94

    91

    67

    41

    8

    325

    398

    Y

    1

    2

    16

    10

    5

    2

    1

    0

    32

    36

    Vср.

    0,72

    0,91

    0,95

    0,78

    0,67

    0,61

    0,57

    0,62

    0,75

    0,72

    Таблица 5 – Средние многолетние годовые элементы водного баланса и

    21


    характеристики увлажнения при различном положении уровня грунтовых вод

    Т = hг/hк

    Т= hг/hк

    Zm, мм

    KX, мм

    G,

    мм

    HG,

    мм

    ZG,

    мм

    YG,

    мм

    Ph g= =HG /Zm

    PZ G=

    =ZG /Zm

    VсрG

    Томск   n = 3,0; r = 2,35; Wнв = 352 мм

    5,0

    643

    637

    0

    637

    508

    129

    0,991

    0,790

    0,996

    3,0

    0

    638

    508

    130

    0,992

    0,791

    0,996

    2,0

    6

    643

    511

    132

    1,001

    0,794

    1,000

    1,5

    42

    679

    524

    155

    1,056

    0,815

    1,023

    1,0

    290

    928

    584

    344

    1,442

    0,909

    1,169

    Барнаул   n = 3,0; r = 1,7; Wнв = 280 мм

    5,0

    673

    613

    0

    613

    508

    105

    0,911

    0,755

    0,947

    3,0

    14

    627

    515

    112

    0,932

    0,765

    0,960

    2,0

    93

    706

    547

    159

    1,049

    0,812

    1,028

    1,5

    262

    875

    54

    281

    1,301

    0,883

    1,167

    1,0

    705

    1318

    646

    672

    1,958

    0,959

    1,485

    Таблица 6 – Средняя годовая и летняя влажность почвы Vср по слоям при различном положении уровня грунтовых вод Т = hг/hк

    Станция

    hслоя, см

    Год

    05 - 08

    T = 5,0

    2,0

    1,0

    5,0

    2,0

    1,0

    Томск

    0-100

    0,99

    1,03

    1,41

    1,01

    1,05

    1,39

    0-50

    0,97

    1,00

    1,32

    0,96

    0,98

    1,29

    0-25

    0,96

    0,97

    1,20

    0,93

    0,94

    1,18

    Барнаул

    0-100

    0,89

    0,98

    1,44

    0,93

    1,01

    1,47

    0-50

    0,86

    0,96

    1,44

    0,88

    0,98

    1,45

    0-25

    0,86

    0,96

    1,44

    0,85

    0,95

    1,44

    hг – глубина залегания уровня грунтовых вод; hк – высота капиллярной каймы, см.

    Таблица 7 – Средняя влажность метрового слоя Vср0-100 за год и летний период при глубоком залегании уровня грунтовых вод Т= hг/hк ?5,0 в годы различной обеспеченности по влажности почвы

    Станция

    CvVср

    Vср0-100

    5%

    10%

    20%

    50%

    80%

    90%

    95%

    Томск

    Год

    0,073

    0,90

    0,93

    0,96

    1,02

    1,08

    1,12

    1,14

    05-08

    0,101

    0,89

    0,93

    0,98

    1,07

    1,16

    1,21

    1,25

    Тобольск

    Год

    0,085

    0,80

    0,82

    0,86

    0,93

    1,00

    1,04

    1,06

    05-08

    0,120

    0,77

    0,79

    0,86

    0,96

    1,06

    1,11

    1,15

    Тюмень

    Год

    0,087

    0,72

    0,74

    0,78

    0,84

    0,90

    0,94

    0,96

    05-08

    0,120

    0,69

    0,71

    0,77

    0,86

    0,95

    1,00

    1,03

    Омск

    Год

    0,130

    0,57

    0,59

    0,64

    0,72

    0,80

    0,85

    0,87

    05-08

    0,160

    0,55

    0,58

    0,65

    0,75

    0,85

    0,92

    0,95

    Барнаул

    Год

    0,126

    0,72

    0,74

    0,81

    0,91

    1,01

    1,04

    1,10

    05-08

    0,157

    0,76

    0,78

    0,83

    0,96

    1,08

    1,14

    1,16

    Кокчетав

    Год

    0,127

    0,53

    0,56

    0,60

    0,67

    0,74

    0,79

    0,81

    05-08

    0,140

    0,54

    0,57

    0,62

    0,70

    0,78

    0,83

    0,86

    22


     


    V-Куст        J Омск

    f   Барнаул"


    Рисунок 5 -

    Криоклиматический

    показатель укрио,

    характеризующий

    сезонные криогенные

    затраты ТЭР климата в

    весенний период

    среднего года

    (1936-2006 гг.)


     


    Рисунок 6 –

    Максимально

    возможное испарение

    Zm0508

    за вегетационный

    период среднего года

    (1936–2006 гг.),

    мм/(05–08)


    23


     


    Рисунок 7 –

    Структура

    теплового баланса

    Западной Сибири

    в средний год

    (1936–2006 гг.)


    Рисунок 8 –

    Структура

    водного   баланса

    Западной Сибири

    в средний год

    (1936–2006 гг.)


    24


    Рисунок 9 -

    Коэффициент

    увлажнения рн 05-08

    за вегетационный

    период в средний год

    (1936-2006 гг.)

    на юге Западной

    Сибири



    Рисунок 10 –

    Климатический сток Y

    в средний год

    (1936–2006 гг.)

    на юге Западной

    Сибири, мм/год


    25


    хЛКемерово овосибирс"   *

    ЪхУ

    JrO^Барн

    '^О^Барнаул

    Курга

    У Омск

    Кустанай и

    [{


    i


    /<      \


    Рисунок 11 а –

    Средняя за

    вегетационный период

    влажность деятельного

    слоя Vср05–08

    в долях наименьшей

    влагоемкости на юге

    Западной Сибири

    в средний год

    (1936–2006 гг.)


     


    Рисунок 11 б –

    Изменение влагозапасов

    (W2 W1) 05 08

    в метровом слое

    почвогрунта

    на юге Западной Сибири

    за вегетационный

    период среднего года

    (1936–2006 гг.),

    мм/(05 – 08)


    26


    3. Ландшафты глобальной зоны оптимальных гидролого-климатических

    условий аграрного природопользования во всех ее частях закономерно

    сменяют     друг    друга    в     определенном    интервале     гидролого-

    климатических характеристик

    Изучена пространственная взаимосвязь исследуемой зоны с геосистемами

    природных        зон    континентов,     рассмотрены    вопросы    их        гидролого-

    климатического функционирования (рис. 12 а,б). Географическое положение зоны оптимальных гидролого-климатических условий природопользования на континентах тесно связано с глобальной криолитозоной (Данилов,1998; Совре­менные изменения…,2006), а также контролируется со стороны области рас­пространения современных пустынь и территорий, на которых наблюдается процесс опустынивания (Лавров, Гладкий,1999; Современные изменения…,2006).

    Особенно четко это можно проследить на территории южных материков

    (рис. 12 а), где область криолитозоны находится в основном в высокогорной

    части области переувлажнения, а процесс опустынивания происходит в основ­

    ном в области весьма недостаточного увлажнения. На северных материках (рис.

    12 б) в связи с их размерами, широтными особенностями расположения суши и

    континентальностью климата внутренних районов наблюдается наложение об­

    ластей распространения криолитозоны и опустынивания. Это можно просле­

    дить в пределах аридных территорий Северной Америки и Евразии с весьма

    недостаточным увлажнением и также в пределах зоны оптимальных гидролого-

    климатических     условий     аграрного    природопользования    центрально-

    континентальных районов, подвергаемых значительному антропогенному

    влиянию. Зона циклически смещается по годам с различной структурой водного и

    теплового баланса. Эта пространственно-временная динамика может расширять

    интервалы местоположения ее границ – главных гидрологических рубежей – в за­

    висимости от принятой в расчетах повторяемости сухих и влажных лет (1 раз в

    5, 10, 20 лет). На данный естественный циклический процесс могут оказывать

    воздействия и климатические тенденции, вызванные антропогенными факторами.

    Проблемы опустынивания, деградации криолитозоны, естественных и ан­тропогенных изменений климата связаны с вопросами пространственно-временной динамики главных гидрологических рубежей глобальной зоны оп­тимальных гидролого-климатических условий аграрного природопользования. Выполнен анализ тепловлагообеспеченности процесса функционирования гео­систем зоны на континентах и геоэкологическая оценка антропогенного воз­действия на геосистемы зоны. Отмечено, что при различных местных особен­ностях ландшафтов (рельеф; климатические условия; особенности циркуляции атмосферного воздуха; теплоэнергетические ресурсы; особенности структуры теплового и водного балансов; типы растительности и почв) в пределах гло­бальной зоны оптимальных гидролого-климатических условий аграрного при­родопользования объективно существуют: сходное чередование условий ув­лажнения, способствующих закономерной смене ландшафтов от лесных до степных; условий водно-воздушного режима почвогрунтов для формирования зональных типов почв; условий обеспечения растительного покрова почвенной

    27


    влагой; условий для накопления биомассы, а также условий для формирования постоянного местного речного стока.

    Ландшафты глобальной зоны оптимальных гидролого-климатических ус­

    ловий природопользования закономерно сменяют друг друга от влажных степ­

    ных, лесостепных до лесных в определенном интервале значений комплексных

    характеристик тепловлагообеспеченности, общем для всех частей глобальной

    зоны значениями гидролого-климатических характеристик: рн = KX/Zm =

    0,65…1,0; Y min = 30 мм/год; АКХ min = 0; Vcp = Wcp/Wim = 0,65 1,0; n

    min = Y/KX = 0,03…0,05._______________________________________

    28


    Рисунок 12 б –

    Области увлажнения,

    распространения

    криолитозоны

    и опустынивания

    северных материков


    1


    2


    3


    4


    5



    6


    7


    8


    29


    4. При планировании мелиоративного освоения лесостепных и степных ландшафтов юга Западной Сибири следует учитывать результаты количественной оценки перераспределения атмосферного увлажнения по элементам микрорельефа и использовать региональную методику расчета дефицитов увлажнения сельскохозяйственных культур

    В качестве примера практического применения результатов расчета эле­ментов водного баланса рассмотрена количественная оценка перераспределения атмосферной влаги по элементам микрорельефа в условиях западинного рель­ефа на юге Западной Сибири (табл. 8, рис. 13) и описаны ландшафтно-гидрологические закономерности этого процесса.

    В ходе моделирования и численного эксперимента при заданных парамет­рах (относительных уровнях оптимальности увлажнения понижений рельефа и их водосборов V0 = 0,7; 0,8; 0,9; 1,0, соотношении их площадей F/f = 5; 15; 20, уровнях залегания грунтовых вод в долях от высоты капиллярной каймы Т) расчетным путем были получены естественные и искусственные режимы влаж­ности метрового слоя почвогрунта для понижений рельефа и осушаемых ими водосборных территорий.

    На графике (рис. 13) показаны в сравнении режимы влажности почвы в различные по водности годы в самом понижении рельефа и на водосборной площади микропонижения. В годы с суровыми зимами, когда происходит зна­чительное промерзание грунта и медленное его оттаивание весной, в апреле-июне инфильтрация талых вод затруднена. Естественный дренаж путем по­верхностного и подземного стока из-за влияния небольших уклонов и влияния микрорельефа также затруднен. Это приводит к значительному переувлажне­нию микропонижений, длительному стоянию луж, затрудняет выполнение ве­сенних агротехнических мероприятий.

    Количественная оценка перераспределения атмосферного увлажнения по элементам микрорельефа для юга Западной Сибири позволила получить отно­сительные и абсолютные величины избытков влаги для микропонижений и их водосборов ?Vср и ?Wср в различные по увлажненности годы. Поэтому при проектировании строительства линейных объектов и сельскохозяйственного использования земель, особенно при орошении, необходимо предусматривать систематический дренаж во избежание подъема уровня грунтовых вод и засо­ления почв, так как даже в естественных условиях (без орошения) на юге За­падной Сибири наблюдается переувлажнение микропонижений до уровней выше капиллярной Vкв и полной влагоемкости Vпв. Характерная для зоны оп­тимальных гидролого-климатических условий аграрного природопользования значительная изменчивость условий увлажнения деятельного слоя по годам с различной структурой теплового и водного баланса связана с необходимостью создания систем двухстороннего регулирования влажности почвы для поддер­жания на необходимом уровне зеркала грунтовых вод и капиллярной каймы.

    30


    Vcp

    /    \1966 г.

    -------    лужа

    --- водосбор

    2,0

    /                       \

    VnB

    /        \1969 г.      \

    1,5

    — /                \                 \

    Vkb

    V------ ..1966 г\                 \

    1,0

    /'^гЧ96'^-

    \vhb

    1976 г>. ^Ч/Ч

    * ¦ *           ^^^


    Рисунок 13 – Естественный режим влажности почвы микропонижений и их водосборов для ст. Русская Поляна в годы с различной структу­рой теплового и водного балансов


    04       05        06       07       08       09       10


     


    100 50

    Рисунок 14 -

    Средняя многолетняя

    гидромелиоративная   норма

    (дефицит увлажнения)

    t =05-08, т >5,0)

    (мм/05-08)

    приУ0 = 1,0

    для периода вегетации

    с 1.05 по 31.08

    при глубоком положении

    уровня грунтовых вод

    hr > 5,0hK


    31


    Таблица 8 - Естественный режим увлажнения почвы на водосборах (В) и в микропонижениях (П) в отдельные годы при глубоком положении грунтовых вод (при hr=6 м; T=hr/hK? 5,0;   F/f =10;   Whb 0-ioo=260 мм)

    V=W/Whb

    04

    05

    06     1     07     1     08

    09

    10

    ьAWcp

    1966 г. (многоводный)

    VcpВ

    1,34

    1,30

    1,12

    0,83

    0,62

    0,46

    0,45

    VcpП

    1,91

    2,26

    2,64

    1,78

    1,05

    0,68

    0,59

    AVcp

    0,57

    0,96

    1,52

    0,95

    0,43

    0,22

    0,14

    AWcp,мм

    148

    328

    395

    247

    112

    57

    36

    1323

    1969 г. (средний по увлажнению

    год)

    VcpВ

    1,14

    1,07

    0,81

    0,67

    0,72

    0,63

    0,74

    VcpП

    1,53

    1,76

    1,41

    0,99

    0,94

    0,83

    0,90

    AVcp

    0,39

    0,69

    0,60

    0,32

    0,22

    0,08

    0,16

    AWcp,мм

    101

    179

    156

    83

    57

    21

    42

    639

    1976 г. (маловодный год)

    VcpВ

    0,83

    0,70

    0,57

    0,55

    0,50

    0,44

    0,54

    VcpП

    0,96

    0,86

    0,68

    0,62

    0,55

    0,48

    0,57

    AVcp

    0,13

    0,16

    0,11

    0,07

    0,05

    0,04

    0,03

    AWcp,мм

    34

    42

    29

    18

    13

    10

    8

    154

    Значения избытков влаги Avcp =VcpП -VcpВ , AWcp =AVcpWim

    Разработанная автором региональная методика определения дефицитов увлажнения сельскохозяйственных культур (гидромелиоративных норм) в аг-роландшафтах позволяет оценить размеры рационального мелиоративного воз­действия на ландшафты в пределах зоны оптимальных гидролого-климатических условий аграрного природопользования и сопредельных терри­торий юга Западной Сибири.

    Составными компонентами региональной методики являются эмпириче­ские формулы (1, 2) и таблицы коэффициентов (табл. 9, 10) для расчета при за­данных параметрах среднего многолетнего значения нормы дефицита увлажне­ния M(vo, t, т) и его коэффициента вариации, а также карта изолиний исходного дефицита увлажнения (рис. 14) за вегетационный период (с 1 мая по 31 августа) при глубоком залегании уровня грунтовых вод и уровне оптимальности увлаж­нения деятельного слоя, равном наименьшей влагоемкости. Методика позволя­ет с достаточной точностью определять проектные гидромелиоративные нормы для сельскохозяйственных культур с различным сроком вегетации и потребном уровне оптимальности увлажнения деятельного слоя, при различном задавае­мом уровне грунтовых вод для лет различной обеспеченности, в условиях от­сутствия исходной агроклиматической информации.

    Общее представление о многолетних колебаниях дефицитов суммарного увлажнения (оросительных норм) основных сельскохозяйственных культур при глубоком залегании грунтовых вод можно получить по данным табл. 11. По­ливной режим для сельхозкультур (поливные нормы и даты поливов) устанав-

    32


    ливается с помощью суммарной кривой недостатков увлажнения теплого пе­риода года с учетом периода и фаз вегетации культуры путем регулирования величины поливной нормы и необходимой глубины промачивания деятельного слоя.

    M(vo, t, т) =А-{а-М(vo=i,o, t =05-08, т>5,о) + b} + В(1,0 -V0 ) + С,    (г = 0,97±0,01) (1)

    CvM = [0,88-(l + V0>(45 + hr/hK)] / M(vo, t,T>     (s/o = 0,311)    (2)

    Таблица 9 – Значения параметров       a, b     для формулы   (1)

    Т = hr/hK

    a

    b

    Т = hr/hK

    a

    b

    0

    0

    со

    2,0

    0,93

    30

    1,0

    0,62

    370

    3,0

    0,99

    5

    1,5

    0,80

    125

    5,0

    1,0

    0

    Таблица 10 - Значения параметров    А, В, С    для формулы (1)

    Период вегетации сельхозкультуры   t

    А

    В

    С

    1

    2

    3

    4

    1.05 - 31.07

    0,823

    724

    -23

    1.05 - 15.08

    0,912

    802

    -11

    1.05 - 31.08

    1,000

    880

    0

    1.05 - 15.09

    1,064

    937

    8

    1.05 - 30.09

    1,128

    993

    16

    1.06 - 31.07

    0,618

    544

    -30

    1.06 - 15.08

    0,705

    621

    -18

    1.06 - 31.08

    0,792

    697

    -6

    1.06 - 15.09

    0,855

    752

    2

    1.06 - 30.09

    0,917

    807

    11

    15.05 - 31.07

    0,721

    634

    -26

    15.05 - 31.08

    0,896

    789

    -3

    15.05 - 30.09

    1,023

    900

    13

    15.05 - 15.08

    0,809

    712

    -15

    15.05 - 15.09

    0,960

    845

    5

    15.06 - 31.07

    0,456

    402

    -22

    15.06 - 31.08

    0,630

    555

    3

    15.06 - 30.09

    0,760

    669

    18

    15.06 - 15.08

    0,543

    478

    -10

    15.06 - 15.09

    0,695

    612

    10

    1.07 - 15.08

    0,381

    336

    0

    1.07 - 31.08

    0,468

    412

    13

    1.07 - 15.09

    0,536

    472

    19

    1.07 - 30.09

    0,603

    531

    25

    33


    Таблица 11 – Гидромелиоративные нормы МP% (мм) для ст. Посевная в годы с различной структурой теплового и водного баланса (различной расчетной обеспеченности) при Т = hг/hк?5,0

    Сельхоз культура

    Период

    веге-

    тации

    t

    Vo

    M

    (VO =1,0, t =05-08,

    Т ?5,0)

    мм

    Дефициты суммарного увлажнения в годы

    сухие

    средн

    влажн

    10%

    25%

    50%

    75%

    90%

    Ст. Посевная

    Пшеница яр.

    1.05 - 15.08

    0,85

    -200

    -164

    -110

    -51

    8

    62

    Кукуруза на силос

    15.05 - 10.08

    0,90

    -180

    -126

    -67

    -8

    46

    Люцерна

    20.06 - 30.09

    0,95

    -239

    -185

    -126

    -67

    13

    Капуста

    10.06 - 15.09

    0,95

    -226

    -172

    -113

    -54

    0

    Картофель

    20.06 - 31.08

    0,85

    -158

    -104

    -45

    14

    68

    Огурцы

    1.06 - 31.08

    0,90

    -196

    -142

    -83

    -24

    30

    Томаты

    10.06 - 15.08

    0,90

    -162

    -108

    -49

    10

    64

    5. Границы природных зон Западной Сибири в пределах выделенной зо­

    ны оптимальных гидролого-климатических условий аграрного приро­

    допользования сохраняют стабильность при переходе от периода отно­

    сительного похолодания 1936–1972 гг. к периоду относительного поте­

    пления       1973–2006 гг.

    На примере Западной Сибири автором исследована естественная про­

    странственно-временная      миграция      зоны      оптимальных      гидролого-

    климатических условий природопользования в годы с различной структурой

    теплового и водного балансов. Приводятся палеогеографические, историко-

    археологические, палинологические данные специалистов, свидетельствующие

    о естественной пространственно-временной динамике зоны оптимальных гид­

    ролого-климатических условий природопользования и соответствующих ей в

    прошлом геосистем.

    Рассматривается проблема современных климатических флуктуаций и точности существующих моделей прогнозирования возможных изменений климата на глобальном и региональном уровнях применительно к территории Западной Сибири. Изучена пространственно-временная миграция зоны опти­мальных гидролого-климатических условий природопользования в аспекте проблемы продовольственной безопасности, адаптивного аграрного природо­пользования и устойчивого функционирования ландшафтов.

    Для анализа информации по климатическим тенденциям теплообеспечен-ности и осадков использован свободно доступный в сети Интернет архив CDAS (Climat Data Assimilation System) по Северному полушарию, являющийся ча­стью системы ретроспективного анализа NOAA NCEP/NCAR Reanalysis, со­держащий среднемесячные данные по приповерхностной температуре воздуха и атмосферным  осадкам, оперативно пополняемый с  небольшим запаздывани-

    34


    ем. Сравнение данных этого архива с используемыми данными УГМС показало их расхождения, но анализ коэффициентов корреляции между ними показал наличие значимой статистической связи по критерию Стьюдента между темпе­ратурой воздуха Западной Сибири и Северного полушария. В дальнейших ис­следованиях материалы архива CDAS были использованы для выделения одно­родных по температурным тенденциям периодов. Предварительный анализ для Западной Сибири средних годовых значений температуры воздуха за время на­блюдений (по 2006 г.) показал, что этот период может быть разделен на два от­носительно однородных в зависимости от тенденций колебания теплообеспе-ченности промежутка: 1936–1972гг. – период относительного похолодания, а 1973–2006гг. –   период интенсивного потепления.

    Для анализа были выбраны 22 станции с наиболее длинными рядами ис­ходной информации, распределенных по зональным ландшафтам в пределах зоны оптимальных гидролого-климатических условий аграрного природополь­зования Западной Сибири. Дальнейший анализ колебаний рассчитанных эле­ментов водного и теплового балансов и характеристик естественной тепловла-гообеспеченности по природным зонам Западной Сибири проводился с учетом указанных выше относительно однородных по тенденциям промежутков вре­мени.

    Для каждой природной зоны были получены осредненные временные ря­ды элементов теплового и водного балансов, а также характеристик естествен­ной тепловлагообеспеченности. Затем для этих периодов вычислены статисти­ческие характеристики (среднее значение, коэффициент вариации, минималь­ное и максимальное значения и размах колебаний). Результаты этой статисти­ческой обработки представлены в табл. 12, где видно, например, что в зоне южной тайги средняя величина Zm за период 1973 – 2006 гг. повысилась на 16 мм по сравнению с предыдущим периодом. Такой рост связан с повышением как минимального, так и максимального значений при небольшом изменении размаха колебаний. Еще большее повышение Zm (на 25 мм) отмечается в под­таежной зоне. В лесостепи также имеет место рост Zm (на 14 мм). В степной зоне увеличение средней величины Zm составило 15 мм. Остальные характери­стики также статистически оценены по периодам.

    Таблица 12 – Осредненные по природным зонам статистические характеристи­ки   временных рядов элементов теплового и водного балансов и характеристик естественной тепловлагообеспеченности   для зоны оптимальных гидролого-климатических условий аграрного природопользования Западной Сибири

    Интервалы врем. ряда

    Среднее значение

    Коэффициент вариации

    Мин. знач.

    Макс. знач.

    Размах колеб.

    Водный

    эквивалент т

    еплоэнергетических ресурсов и

    спарения Zm, мм

    Южная тайга

    1936 - 1972

    680

    0,05

    603

    754

    151

    1973 - 2006

    696

    0,06

    618

    770

    152

    Подтайга

    1936 - 1972

    698

    0,05

    622

    768        1          148

    35


    1973 - 2006      1         723         |             0,06             |         646        |         795

    149

    Лесостепь

    1936 - 1972

    723

    0,04

    664

    785

    121

    1973 - 2006

    737

    0,05

    677

    800

    123

    Степь

    1936 - 1972

    752

    0,04

    685

    812

    127

    1973 - 2006

    767

    0,05

    697

    825

    128

    Годовые суммы атмосферных осадков КХ, мм

    Южная тайга

    1936 - 1972

    582

    0,20

    389

    823

    434

    1973 - 2006

    596

    0,20

    403

    833

    430

    Подтайга

    1936 - 1972

    545

    0,177

    305

    774

    469

    1973 - 2006

    550

    0,20

    310

    786

    476

    Лесостепь

    1936 - 1972

    502

    0,21

    260

    700

    440

    1973 - 2006

    502

    0,22

    258

    703

    445

    Степь

    1936 - 1972

    363

    0,26

    227

    546

    319

    1973 - 2006

    371

    0,27

    235

    555

    320

    Годовые величины суммарного испарения Z, мм

    Южная тайга

    1936 - 1972

    473

    0,11

    377

    586

    209

    1973 - 2006

    477

    0,12

    381

    591

    210

    Подтайга

    1936 - 1972

    462

    0,11

    343

    560

    217

    1973 - 2006

    464

    0,12

    345

    563

    218

    Лесостепь

    1936 - 1972

    438

    0,13

    310

    529

    219

    1973 - 2006

    439

    0,14

    309

    530

    221

    Степь

    1936 - 1972

    341

    0,17

    237

    469

    232

    1973 - 2006

    355

    0,18

    250

    485

    235

    Годовые величины климатического стока У, мм

    Южная тайга

    1936 - 1972

    109

    0,53

    36

    260

    224

    1973 - 2006

    112

    0,55

    38

    264

    226

    Подтайга

    1936 - 1972

    83

    0, 44

    39

    182

    143

    1973 - 2006

    84

    0,46

    40

    184

    144

    Лесостепь

    1936 - 1972

    78

    0,59

    14

    147

    133

    1973 - 2006

    77

    0,63

    15

    148

    133

    Степь

    1936 - 1972

    21

    0,94

    2

    90

    88

    1973 - 2006

    27

    0,98

    2

    96

    94

    Годовые величины коэффициента суммарного увлажнения ?Н

    Южная тайга

    1936 - 1972

    0,99

    0,13

    0,91

    1,11

    0,20

    1973 - 2006

    0,99

    0,14

    0,90

    1,12

    0,22

    36


    Подтайга

    1936 - 1972

    0,97

    0,15

    0,85

    1,06

    0,21

    1973 - 2006

    0,96

    0,16

    0,85

    1,07

    0,22

    Лесостепь

    1936 - 1972

    0,75

    0,18

    0,64

    0,88

    0,22

    1973 - 2006

    0,74

    0,19

    0,63

    0,87

    0,24

    Степь

    1936 - 1972

    0,61

    0,25

    0,51

    0,72

    0,21

    1973 - 2006

    0,62

    0,25

    0,50

    0,70

    0,20

    Величины относительной влажности почвы

    Vср 05-08

    Южная тайга

    1936 - 1972

    0,90

    0,12

    0,73

    1,13

    0,40

    1973 - 2006

    0,89

    0,12

    0,72

    1,12

    0,40

    Подтайга

    1936 - 1972

    0,83

    0,12

    0,66

    1,08

    0,42

    1973 - 2006

    0,81

    0,13

    0,64

    1,07

    0,43

    Лесостепь

    1936 - 1972

    0,76

    0,17

    0,52

    1,03

    0,51

    1973 - 2006

    0,74

    0,18

    0,50

    1,02

    0,52

    Степь

    1936 - 1972

    0,66

    0,18

    0,51

    0,89

    0,38

    1973 - 2006

    0,67

    0,20

    0,52

    0,91

    0,38

    Годовые величины дефицитов увлажнения

    ?Н, мм

    Южная тайга

    1936 - 1972

    88

    0,90

    137

    26

    111

    1973 - 2006

    78

    0,98

    149

    19

    130

    Подтайга

    1936 - 1972

    -19

    4,63

    88

    -118

    206

    1973 - 2006

    -18

    4,89

    85

    -125

    210

    Лесостепь

    1936 - 1972

    -109

    0,81

    -12

    -252

    240

    1973 - 2006

    -105

    0,80

    -8

    -236

    228

    Степь

    1936 - 1972

    -345

    0,25

    -250

    -440

    190

    1973 - 2006

    -353

    0,25

    -256

    -452

    196

    В работе также рассмотрены особенности формирования временных трендов всех этих характеристик в пределах природных зон (рис.15). В табл. 13 приведены осредненные внутри природных зон оценки градиентов трендов Tr и их вклад в дисперсию исходного процесса (R2, %). Результаты показывают, что наиболее интенсивное потепление последних 34 лет (1973–2006 гг.) обеспечило градиенты тренда Zm по природным зонам в интервале 7,25…14,93 мм /10 лет (R2= 2,8…9,5%) с максимальным значением в зоне подтайги. При этом во всех природных зонах происходит незначимое увеличение атмосферных осадков КХ. Градиенты трендов осадков КХ значимы только в степной зоне и состав­ляют там 13,62 мм /10 лет (при R2=3,7%); градиенты трендов испарения Z так­же получились значимы только в степной зоне и составляют 8,46 мм /10 лет (R2=3,4%); градиенты трендов климатического стока У знакопеременны и не­значимы (R2 ? 1%). Градиенты трендов  комплексных характеристик  тепловла-

    37


    гообеспеченности рн, АН и Vcp 05-08 знакопеременны по периодам и зонам и незначимы (их вклад в дисперсию исходного процесса менее 1%).

    Выявлены особенности формирования трендов характеристик естествен­ной тепловлагообеспеченности по природным зонам Западной Сибири за пери­од 1936-2006 гг. Так, в период интенсивного потепления 1973-2006 гг. рост Zm в пределах зоны оптимальных гидролого-климатических условий природополь­зования происходил повсеместно (во всех ее природных зонах) в основном за счет зимнего периода года. При этом во всех природных зонах происходит не­значимое увеличение атмосферных осадков (за счет летнего периода года) и испарения, которое пока не сказывается на их взаимном местоположении. Ана­лиз свидетельствует о том, что лишь в степной зоне Западной Сибири в на­стоящее время наблюдается некоторый отклик гидролого-климатических ха­рактеристик естественной тепловлагообеспеченности на положительные трен­ды современных климатических тенденций к потеплению, связанный прежде всего с ростом в степной зоне атмосферного увлажнения и суммарного испаре­ния. Подобные изменения в ландшафтах исследуемой зоны оптимальных гид­ролого-климатических условий природопользования не прослеживаются. Ме­стоположение границ природных зон остается неизменным при переходе от пе­риода относительного похолодания (1936-1972 гг.) к периоду интенсивного по­тепления (1973-2006 гг).

    Полученные незначимые и разнонаправленные линейные тренды харак­теристик естественного увлажнения и теплообеспеченности свидетельствуют о том, что регистрируемая в крупных городах тенденция к потеплению скорее всего связана с проявлением цикличности природных явлений, на которую на­кладывается фактор расширения городских территорий.

    Относительно небольшая продолжительность рядов инструментальных метеонаблюдений, многофакторность и стохастический характер климатиче­ских величин позволяют сделать вывод об отсутствии достоверного климатиче­ского тренда коэффициента увлажнения на юге Западной Сибири на перспекти­ву ближайших десятилетий.

    По теории ошибок, при малых значениях коэффициента вариации и не более 100-200 числе членов ряда достоверности трендов в многолетних рядах температуры и осадков настолько малы, что не позволяют говорить об измене­ниях климата, а только лишь позволяют делать вывод о его возможных колеба­ниях, скорее всего естественного характера. Но даже при очень большой длине выборки возникает неопределенность поведения линии тренда, поскольку ме­сто выборки на фоне генеральной совокупности не определено.

    Наблюдаемая в последние десятилетия растущая ветвь климатического циклического колебания, приводящая к некоторому смещению границ агрок­лиматических зон, показывает вариации элементов климата в пределах стати­стики метеонаблюдений и не вызвала пока смещения ландшафтных границ и масштабной трансформации природных систем, одним из ведущих динамиче­ских компонентов которых является климат.

    38


    Совместный анализ полученных трендов характеристик увлажнения KX/Zm, теплообеспеченности Zm и графика роста зерновых культур за период с 1883 г. урожайности в Омской области (Березин и др., 2008) в определенной степени свидетельствует о положительном влиянии увеличения тепловых ре­сурсов на процесс увеличения биопродуктивности зерновых культур. Выпол­ненные исследования свидетельствуют о наличии в южной части Западной Си­бири естественных условий для устойчивого развития сельскохозяйственного производства даже при возможных климатических тенденциях к потеплению.

    ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

      • Анализ пространственно-временного распределения тепла и влаги на земной поверхности позволил по-новому представить географический образ про­странственного поля на основе отображения точечной гидролого-климатической информации и выполнить районирование с выделением гло­бальной зоны оптимальных гидролого-климатических условий аграрного природопользования. Полученные результаты воднобалансовых расчетов, картографических обобщений, геоэкологического анализа наглядно иллюст­рируют возможности примененных подходов.
      • Визуализация местоположения глобальной зоны оптимальных гидролого-климатических условий аграрного природопользования с помощью методов современной картографии на основе информации Атласа мирового водного баланса и информации, полученной в ходе воднобалансовых расчетов, по­зволила исследовать гидролого-климатическое функционирование ландшаф­тов этой зоны, выделить общие географические закономерности в различных ее частях.
      • Рубежи этой зоны с учетом изменчивости соотношения влаги и тепла в годы с различной структурой водного и теплового балансов представляют собой не линии, а узкие динамические зоны, топологически связанные между со­бой. Предлагаемая в диссертации количественная индикация рубежей зоны с помощью гидролого-почвенно-мелиоративных квазиконстант позволяет оп­ределять их местоположение на картах.
      • Зона оптимальных гидролого-климатических условий природопользования и соответствующие ей геосистемы, подвергаемые наиболее интенсивному ан­тропогенному воздействию, обладают низким потенциалом экологической устойчивости при климатических колебаниях. Поэтому мониторинг про­странственного положения рубежей этой зоны в дальнейшем может сыграть существенную роль в оценке влияния современных климатических тенден­ций на глобальную геоэкологическую ситуацию.
      • Количественная оценка перераспределения атмосферного увлажнения по элементам плоско-западинного микрорельефа и разработанная региональная методика расчета дефицитов увлажнения при оросительно-мелиоративном освоении лесостепных и степных ландшафтов юга Западной Сибири дают представление о конкретных возможностях практического применения ре­зультатов исследования.

      Совместный анализ полученных трендов характеристик увлажнения KX/Zm, теплообеспеченности Zm и графика роста зерновых культур за период с 1883 г. урожайности в Омской области (Березин и др., 2008) в определенной степени свидетельствует о положительном влиянии увеличения тепловых ре­сурсов на процесс увеличения биопродуктивности зерновых культур. Выпол­ненные исследования свидетельствуют о наличии в южной части Западной Си­бири естественных условий для устойчивого развития сельскохозяйственного производства даже при возможных климатических тенденциях к потеплению.

      ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

        • Анализ пространственно-временного распределения тепла и влаги на земной поверхности позволил по-новому представить географический образ про­странственного поля на основе отображения точечной гидролого-климатической информации и выполнить районирование с выделением гло­бальной зоны оптимальных гидролого-климатических условий аграрного природопользования. Полученные результаты воднобалансовых расчетов, картографических обобщений, геоэкологического анализа наглядно иллюст­рируют возможности примененных подходов.
        • Визуализация местоположения глобальной зоны оптимальных гидролого-климатических условий аграрного природопользования с помощью методов современной картографии на основе информации Атласа мирового водного баланса и информации, полученной в ходе воднобалансовых расчетов, по­зволила исследовать гидролого-климатическое функционирование ландшаф­тов этой зоны, выделить общие географические закономерности в различных ее частях.
        • Рубежи этой зоны с учетом изменчивости соотношения влаги и тепла в годы с различной структурой водного и теплового балансов представляют собой не линии, а узкие динамические зоны, топологически связанные между со­бой. Предлагаемая в диссертации количественная индикация рубежей зоны с помощью гидролого-почвенно-мелиоративных квазиконстант позволяет оп­ределять их местоположение на картах.
        • Зона оптимальных гидролого-климатических условий природопользования и соответствующие ей геосистемы, подвергаемые наиболее интенсивному ан­тропогенному воздействию, обладают низким потенциалом экологической устойчивости при климатических колебаниях. Поэтому мониторинг про­странственного положения рубежей этой зоны в дальнейшем может сыграть существенную роль в оценке влияния современных климатических тенден­ций на глобальную геоэкологическую ситуацию.
        • Количественная оценка перераспределения атмосферного увлажнения по элементам плоско-западинного микрорельефа и разработанная региональная методика расчета дефицитов увлажнения при оросительно-мелиоративном освоении лесостепных и степных ландшафтов юга Западной Сибири дают представление о конкретных возможностях практического применения ре­зультатов исследования.

          Совместный анализ полученных трендов характеристик увлажнения KX/Zm, теплообеспеченности Zm и графика роста зерновых культур за период с 1883 г. урожайности в Омской области (Березин и др., 2008) в определенной степени свидетельствует о положительном влиянии увеличения тепловых ре­сурсов на процесс увеличения биопродуктивности зерновых культур. Выпол­ненные исследования свидетельствуют о наличии в южной части Западной Си­бири естественных условий для устойчивого развития сельскохозяйственного производства даже при возможных климатических тенденциях к потеплению.

          ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

            • Анализ пространственно-временного распределения тепла и влаги на земной поверхности позволил по-новому представить географический образ про­странственного поля на основе отображения точечной гидролого-климатической информации и выполнить районирование с выделением гло­бальной зоны оптимальных гидролого-климатических условий аграрного природопользования. Полученные результаты воднобалансовых расчетов, картографических обобщений, геоэкологического анализа наглядно иллюст­рируют возможности примененных подходов.
            • Визуализация местоположения глобальной зоны оптимальных гидролого-климатических условий аграрного природопользования с помощью методов современной картографии на основе информации Атласа мирового водного баланса и информации, полученной в ходе воднобалансовых расчетов, по­зволила исследовать гидролого-климатическое функционирование ландшаф­тов этой зоны, выделить общие географические закономерности в различных ее частях.
            • Рубежи этой зоны с учетом изменчивости соотношения влаги и тепла в годы с различной структурой водного и теплового балансов представляют собой не линии, а узкие динамические зоны, топологически связанные между со­бой. Предлагаемая в диссертации количественная индикация рубежей зоны с помощью гидролого-почвенно-мелиоративных квазиконстант позволяет оп­ределять их местоположение на картах.
            • Зона оптимальных гидролого-климатических условий природопользования и соответствующие ей геосистемы, подвергаемые наиболее интенсивному ан­тропогенному воздействию, обладают низким потенциалом экологической устойчивости при климатических колебаниях. Поэтому мониторинг про­странственного положения рубежей этой зоны в дальнейшем может сыграть существенную роль в оценке влияния современных климатических тенден­ций на глобальную геоэкологическую ситуацию.
            • Количественная оценка перераспределения атмосферного увлажнения по элементам плоско-западинного микрорельефа и разработанная региональная методика расчета дефицитов увлажнения при оросительно-мелиоративном освоении лесостепных и степных ландшафтов юга Западной Сибири дают представление о конкретных возможностях практического применения ре­зультатов исследования.

         





© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.