Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 500, № 1, стр. 88-94

Глобальное потепление сопровождается увеличением повторяемости и интенсивности гидрометеорологических экстремумов во многих регионах. Задача обеспечения продовольствием населения Земли в условиях меняющегося климата является одним из важнейших современных вызовов, стоящих перед человечеством. В докладе Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) подчеркивается, что засухи наносят огромный ущерб сельскохозяйственной отрасли во многих странах [1]. Помимо засух, другие погодные факторы, в том числе экстремальные климатические события, наблюдаемые в различные фазы вегетации сельскохозяйственных растений (культур), а также вне их вегетации, играют немаловажную роль в агро-производстве.

В конце XX века Россия стала крупным экспортером зерна на мировом рынке. По данным Международного совета по зерну, Россия занимает первое место среди стран мира по экспорту пшеницы (http://www.igc.int/). Продолжающееся глобальное потепление может привести к пересмотру ключевых игроков на мировом зерновом рынке. В связи с этим при принятии управленческих решений, направленных на разработку мер по смягчению последствий изменений климата, повышается актуальность оценок сельскохозяйственных рисков, обусловленных этими изменениями.

Рост температуры воздуха на Европейской территории России (ЕТР) в 1976–2012 гг. составил 0.52°C/год, а наибольшим и статистически значимым он был летом и осенью [2]. В то же время на фоне незначительного роста осадков на ЕТР в тот же период существенное их увеличение отмечалось только весной. Наблюдаемые в последние несколько десятилетий изменения климата были позитивными для повышения продуктивности зерновых культур: потепление привело к росту теплообеспеченности посевов, повышению средней температуры холодного периода года, увеличению продолжительности вегетационного периода [3]. Вместе с тем отмечается, что агроклиматические изменения, связанные с засухами, не были одинаково благоприятными для всех регионов юга РФ [4]. Очевидно, что вариации урожайности не могут полностью определяться экстремальностью климата. Однако экстремальные погодные события часто сопровождаются недобором урожая. При наблюдении нескольких неблагоприятных экстремальных погодных событий, как в течение вегетационного сезона, так и вне его, их кумулятивное влияние на продуктивность агроценозов может быть усилено.

В данной работе исследуются связи сезонных экстремумов температурно-влажностного режима с низкой урожайностью пшеницы в регионах юга Европейской территории России. Предлагается новый подход к оценке изменений характеристик экстремального климата, чье совокупное влияние на сезонном и годовом масштабах связано с пониженной агро-продуктивностью.

Положительный тренд урожайности пшеницы на юге ЕТР в последние десятилетия XX–начале XXI века [5] был связан, прежде всего, с агротехническими изменениями. О тесной связи временных рядов средней для юга ЕТР урожайности пшеницы с количеством внесенных минеральных удобрений (рис. 1б) свидетельствует коэффициент корреляции, равный 0.84. В данной статье используется статистика урожайности яровой и озимой пшеницы Федеральной службы государственной статистики (Росстат) РФ (https://rosstat.gov.ru/) в период 1995–2019 гг. Связь экстремальных сезонных климатических показателей и низкой по сравнению с нормой урожайности яровой и озимой пшеницы анализируется в 12 административных субъектах юга ЕТР (рис. 1а). Разделить агротехническую и климатическую составляющие урожайности достаточно сложно. Согласно известной в агроклиматологии методике, рекомендуется оценивать урожайность, удалив из нее тренд [6]. Вклад линейного тренда в изменчивость урожайности в период 1995–2019 гг. был достаточно существенным и варьировался от 16 до 83% в зависимости от рассматриваемого региона. При удалении тренда из временных рядов урожайности для каждого региона исследуемой территории предполагалось, что в целом исключается влияние агротехнических факторов (внесение минеральных удобрений, использование новых прогрессивных технологий и новых сортов с более высоким потенциалом продуктивности). При отрицательных значениях нормированной урожайности она классифицировалась как низкая. Отметим, что экстремальные климатические условия вне сезона вегетации воздействуют на формирование урожая яровой пшеницы опосредованно через формирование запасов весенней почвенной влаги.

Вариативность дат старта посевной кампании и климатические особенности в регионах исследуемой территории приводят к отличиям год от года календарных дат критических периодов развития сельскохозяйственных растений. Что затрудняет выявление прочных связей между урожайностью и влагообеспеченностью, а также и теплообеспеченностью посевов. В некоторые годы уборка урожая во многих субъектах юга ЕТР затягивается до июля, а сев озимых может начаться в сентябре. Август был исключен из рассмотрения как месяц вне сезона вегетации.

В современной мировой гидрометеорологической практике широко используются предложенные группой экспертов по обнаружению изменений климата и индексам МГЭИК (Expert Team on Climate Change Detection and Indices, ETCCDI) количественные показатели, характеризующие экстремальные режимы температуры воздуха, а также суточного количества атмосферных осадков [7]. Одна часть экстремальных показателей определяется на основе 10-го и 90-го перцентилей – “хвостов” функции распределения вероятности случайной величины температуры воздуха или атмосферных осадков за базовый период. Другая часть показателей рассчитывается с помощью пороговых значений, основанных на эмпирических оценках. 26 экстремальных показателей, рекомендованных ETCCDI, были рассчитаны за каждый год каждого сезона по данным минимальных, средних и максимальных температур воздуха, а также суточных сумм осадков из архива ВНИИГМИ-МЦД с данными наблюдений на метеостанциях сети Российской Гидрометслужбы (http://meteo.ru). Использованы данные 45 метеостанций, расположенных на юге ЕТР, для которых пропущенные наблюдения составляли не более 10%. Анализ сезонных изменений экстремальных показателей выполнялся для периода 1991–2019 гг. по сравнению с 1961–1990 гг. В качестве базового периода для вычисления перцентилей использовался период 1961–1990 гг.

В данной статье предлагается новый интегральный индекс экстремумов температуры и осадков, созданный с учетом негативной реакции продуктивности пшеницы на совокупность таких экстремумов. Отбор рассмотренных экстремальных сезонных климатических показателей для включения в индекс осуществлялся на основе оценки влияния их изменений на областную урожайность на юге ЕТР (описание шести выбранных экстремальных показателей представлено в табл. 1). Показатель принимался во внимание, только если его влияние на урожайность было однонаправленным во всех рассмотренных субъектах, и нормированные отклонения показателя от среднего ассоциировались с пониженной урожайностью как озимой, так и яровой пшеницы на юге ЕТР не менее чем в 60% лет периода 1995–2019 гг. (табл. 2). Например, положительное отклонение от нормы показателя SU летом в 63 и 67% случаев приводило к низкой урожайности озимой (рис. 2а) и яровой пшеницы (рис. 2б ) соответственно (табл. 2). Интегральный экстремальный климатический показатель (Cumulative Extreme Climate Indicator, CECI) рассчитывался следующим образом:

где P_ijs – экстремальный показатель, norm ( ) – нормирование показателя вычитанием среднего и делением на стандартное отклонение за базовый период, n_s – количество показателей, включенных в данный сезон года s, m – количество метеостанций в данном регионе, s – сезон года.

Перед получением интегральных оценок CECI на территории исследования сезонные областные показатели были усреднены для всех метеостанций в каждом из 12 рассмотренных регионов. Учет знака экстремального показателя при расчете CECI в формуле (1) осуществлялся на основе оценки наибольшей положительной (или отрицательной) его связи с урожайностью ниже нормы (табл. 2). Среди экстремальных сезонных климатических показателей, существенно коррелирующих друг с другом (т.е. если статистически значимые на уровне 0.05 коэффициенты корреляции по модулю превышали 0.6), отбирался только один показатель, наиболее часто сопровождающийся низкой урожайностью. Таким образом, положительные значения CECI отражают неблагоприятные экстремальные климатические условия во все сезоны года, в 80% случаев приводящие к низкой урожайности пшеницы на юге ЕТР в период 1995–2019 гг. (рис. 1в).

Результаты исследования выявили сезонные особенности влияющих экстремумов. Так, зимой экстремумы минимальной температуры являются наиболее важными для урожайности в текущем году. Установлено, что урожайность пшеницы ниже нормы на юге ЕТР чаще всего ассоциировалась с высокой продолжительностью очень холодных периодов зимой (CSDI), а также небольшой долей экстремально теплых минимальных температур (TN90p) (описание показателей климатических экстремумов приведено в табл. 2). Наблюдаемые низкие температуры в сочетании с малоснежными зимами являются сильным стрессом для озимых и способны привести к их вымерзанию. Поскольку даже кратковременное понижение температуры почвы на глубине узла кущения ниже критической, формирующейся под влиянием совместного действия температуры воздуха и снежного покрова, приводит к повреждению или в некоторых случаях даже гибели растений [8].

Весной повышается роль климатических экстремумов, связанных с осадками. Установлено, что низкая урожайность пшеницы на юге ЕТР чаще всего сопровождалась положительными отклонениями от нормы продолжительности очень сухих периодов (CDD) весной. С другой стороны, пшеница чувствительна как к “холодным”, так и к “теплым” весенним температурным экстремумам. Так, переизбыток как экстремально холодных дней (FD), так и жарких дней (SU) приводил к низкой урожайности. Дефицит весенней почвенной влаги часто связан с существенным замерзанием почвы в особенно холодные зимы [9]. Кроме того, рост экстремально высоких температур весной вызывает бурное таяние снега, в результате чего из-за замерзшей почвы талая вода, не успевая просачиваться в почву, попадает в сток. Подобная ситуация сложилась весной в 2010 г. в южной половине ЕТР, что в дополнении к недостатку атмосферной влаги привело к формированию засушливых условий уже в мае [10]. Сильные атмосферные засухи с мая по июнь способны замедлить общую тенденцию роста зерновых культур вследствие повышения культуры земледелия, как это произошло в некоторых регионах Поволжья в 2005–2019 гг. по сравнению с 1990–2004 гг. [11]. Отмечается, что на фоне улучшения условий перезимовки озимой пшеницы, увеличения продолжительности вегетационного сезона, засухи в сезон вегетации стали играть более существенную роль в формировании урожая на юге ЕТР [3]. Установлено, что среди летних экстремумов наибольший негативный отклик урожайности наблюдался на изменение числа жарких дней (SU). Значительные положительные отклонения продолжительности экстремально теплых периодов (WSDI) от нормы осенью, как правило, приводили к низкой урожайности пшеницы в следующем году. Экстремально теплый температурный режим может способствовать образованию сухого слоя почвы и формированию осенней почвенной засухи, что не позволяет получить полноценные всходы озимых и затрудняет их развитие осенью.

Отрицательные тренды CECI зимой и весной в период 1961–2019 гг. на рис. 2в свидетельствуют о том, что изменения экстремальных условий, наиболее важных для формирования урожайности пшеницы на юге ЕТР, были в целом благоприятными в последние десятилетия по сравнению с началом периода исследования. Полученные результаты согласуются с выводами, сделанными в [12, 13] о том, что повторяемость дней с экстремально высокими суточными температурами в зимний период в начале XXI века в регионах южной части ЕТР заметно выросла. С другой стороны, результаты анализа экстремальных сезонных температур свидетельствуют об увеличении с середины 1970-х годов абсолютных значений температуры и самых холодных, и самых теплых аномалий на большей части территории России (в том числе, на ЕТР) в соответствии с общим ростом средней сезонной температуры [14].

Как показано на графике на рис. 2г, тенденции изменений рассмотренных экстремальных показателей летом и осенью в последние десятилетия были неблагоприятными для продуктивности пшеницы на территории. Это согласуется с результатами, полученными в предыдущих работах авторов. В [15] установлено, что, начиная с середины 1990-х годов, сильные летние засухи на юге ЕТР стали наблюдаться чаще из-за увеличения повторяемости атмосферных блокингов при ослаблении зональной региональной циркуляции в Атлантико-Европейском секторе [16]. Тренды изменений CECI были статистически значимыми во все сезоны года, кроме весны. На том же рис. 2г показано, что положительный значимый тренд годового CECI свидетельствует о негативных изменениях экстремальных режимов в среднем за год в последние десятилетия. Наиболее отчетливо выделяется период 2006–2013 гг., в течение которого наблюдалась группировка следующих друг за другом лет (прервавшаяся лишь в 2008 г.) с неблагоприятными для продуктивности пшеницы экстремальными режимами температуры и осадков в течение нескольких сезонов (рис. 2г). В этот период сельскохозяйственная отрасль на исследуемой территории испытывала наибольшее давление меняющегося климата: практически во все года периода наблюдались отрицательные отклонения урожайности (в среднем –0.52 ц/га) как озимой, так и яровой пшеницы от тренда.

Продолжающееся антропогенное потепление заставляет, и будет далее вынуждать отрасль существовать и развиваться в условиях постоянного приспособления к изменениям климата, в первую очередь, продолжая улучшать культуру земледелия, разрабатывать новые селекционные программы и внедрять устойчивые к погодным экстремумам новые сорта пшеницы. Разработанная методика будет полезна как при заблаговременном прогнозировании урожайности на следующий год, так и при получении перспективных оценок на более длительные периоды с использованием численных экспериментов с климатическими моделями.