Статья: Анализ системы осадки – почва – дренаж в условиях изменения климата на Северо-Западе России

Агрофизический научно-исследовательский институт

Анализ системы «осадки - почва - дренаж» в условиях изменения климата на северо-западе России

И.Б. Усков, К.Г. Моисеев, М.В. Николаев, О.В. Кононенко, А.О. Усков

Санкт-Петербург, Российская Федерация

Аннотация

Цель: анализ почвенно-климатических и техногенных причин снижения осушительной эффективности закрытого гончарного трубчатого дренажа на мелиорированных землях Северо-Запада России при наблюдаемых местных погодных условиях на фоне глобальных изменений климата. Материалы и методы. Объектами исследования являются сезонные режимы осадков, мелиорированные земли и осушительные системы закрытого трубчатого дренажа. В исследованиях использованы методы прикладной математической статистики, модернизированный авторами ансамблевый метод обработки и обобщения климатических прогнозов Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК). Данные мониторинга изменения физических свойств почв мелиорированных земель при длительной их эксплуатации получены с помощью лабораторных агрофизических методов исследования образцов, отбираемых в полевых условиях. Результаты. Показано, что в условиях наблюдаемых климатических изменений увеличиваются частота, интенсивность и экстремальность атмосферных осадков. Длительная эксплуатация земель при промывном режиме дренажа сопровождается изменениями гидрофизических свойств почв, так, коэффициент неоднородности текстуры подпахотных горизонтов почв автоморфного генезиса уменьшился с 26 до 6. Система «атмосферные осадки - почва - дренаж» в климатически аномальных погодных условиях, превышающих по уровню осадков первоначальный расчетный режим на 10-20 %, неспособна обеспечить отвод избыточной влаги из корнеобитаемого слоя. Выводы: рекомендуется при создании и реконструкции подобных мелиоративных осушительных систем принимать в расчет тенденции изменения пространственно-временной статистической структуры осадков и проектировать технологии регулирования водного режима с системами перехвата и отвода поверхностных стоков на таких мелиорированных землях.

Ключевые слова: изменения климата; атмосферные осадки; осушительные системы трубчатого дренажа; гидрофизические свойства почв; статистический анализ.

I. B. Uskov, K. G. Moiseyev, M. V. Nikolaev, O. V. Kononenko, A. O. Uskov

Agrophysical Research Institute, Saint Petersburg, Russian Federation

ANALYSIS OF THE “PRECIPITATION - SOIL - DRAINAGE” SYSTEM UNDER THE CONDITIONS OF CLIMATE CHANGE
IN THE NORTH-WEST OF RUSSIA

Purpose: to analyze the soil-climatic and anthropogenic reasons of decreasing drainage efficiency of closed pottery tubular drainage on the reclaimed lands of the North-West of Russia under the observed local weather conditions against the background of global climate changes. Materials and methods. The objects of research are seasonal precipitation regimes, reclaimed lands and drainage systems of closed tubular drainage. The methods of applied mathematical statistics, the ensemble method of processing and generalization of climate forecasts of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), modernized by the authors were used in research. Monitoring data on changes in the physical properties of soils of reclaimed lands during their long-term operation were obtained using laboratory agrophysical methods for studying samples taken in the field. Results. It is shown that under the conditions of the observed climatic changes, the frequency, intensity and extremeness of atmospheric precipitation are increased. Long-term exploitation of lands with a leaching drainage regime is accompanied by changes in the hydrophysical properties of soils, for example, the coefficient of heterogeneity of the subsurface horizons of soils texture of automorphic genesis decreased from 26 to 6. The system “precipitation - soil - drainage” in climatically abnormal weather conditions exceeding the initial calculated precipitation level mode by 10-20 %, is unable to ensure the removal of excess moisture from the root layer. Conclusions: when creating and reconstructing such reclamation drainage systems it is recommended to take into account the tendencies of changes in the spatial-temporal statistical structure of precipitation and to design technologies for regulating the water regime with systems for intercepting and diverting surface runoff on such reclaimed lands.

Key words: climate change; precipitation; turbular drainage systems; hydrophysical properties of soils; statistical analysis.

Введение

С 70-х гг. прошлого столетия наблюдается тенденция увеличения глобальной среднегодовой температуры воздуха и отмечается рост количества осадков на 2,1 % за каждые 10 лет в высоких и средних широтах Северного полушария; в низких широтах, напротив, их количество уменьшается [1]. Рост количества осадков сопровождается изменением их пространственно-временной структуры. Увеличение частоты и интенсивности осадков приводит к экстремальному увлажнению почв сельскохозяйственных полей и появлению поверхностного стока. По ряду прогнозов, в средних и высоких широтах количество атмосферных осадков возрастет на 100-600 мм/год, а испаряемость на 200-400 мм/год. Разность между прогнозируемым увеличением осадков и испарением, т. е. эффективные осадки, определяющие поверхностный и подземный сток, в Северо-Западном регионе европейской территории России возрастет на 50-200 мм/год [2]. Если учесть, что сейчас в этом регионе выпадает 500-800 мм осадков в год, то прогнозируемый рост на 10-20 % может обусловить необходимость увеличения водоотвода существующими мелиоративными осушительными системами для предотвращения переувлажнения сельскохозяйственных земель в анализируемой зоне климатически обусловленного избыточного увлажнения. Подобные изменения гидрологических режимов наблюдаются и в других регионах [3-5].

Согласно опубликованным модельным прогнозам Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК, англ. Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC), глобальное осредненное количество атмосферных осадков будет увеличиваться в течение текущего столетия [6]. По оценкам точность этих прогнозов низкая и они больше подходят только для оценок тенденций [7]. Прогнозы, публикуемые МГЭИК, выдаются потребителям в детерминированном виде и не могут быть адекватно использованы для вероятностных оценок продуктивности сельскохозяйственных культур, рискованности земледелия и эффективности адаптивных агрономических решений. Авторами настоящей статьи предложена новая модификация ансамблевого метода обобщения модельных прогнозов для приведения их к вероятностному представлению [8]. Таким образом можно снять ограниченность их использования для региональных прогнозных ансамблевых модельных вероятностных оценок рисков переувлажнения территорий атмосферными осадками.

В последние годы на территории Северо-Запада России наблюдается увеличение интенсивности и частоты выпадения осадков, экстремально превышающих климатическую норму [9]. Также на мелиорированных землях региона регистрируются ситуации сезонного переувлажнения сельскохозяйственных полей [10]. В результате затрудняется проведение сезонных полевых работ и снижаются урожаи. Существующие системы закрытого трубчатого гончарного дренажа проектировались и создавались исходя из региональной климатической нормы осадков 60-х гг. ХХ в. и ориентированы на критические уровни осадков того периода. Настоящее исследование предпринято для анализа почвенно-климатических и техногенных причин снижения осушительной эффективности закрытого гончарного трубчатого дренажа на мелиорированных землях этой зоны при наблюдаемых местных погодных условиях на фоне глобальных изменений климата.

Материалы и методы

Объектами исследования являются сезонные режимы осадков, мелиорированные земли и осушительные системы закрытого трубчатого дренажа на территории Северо-Западного региона России. Распределенные в пространстве и во времени данные об атмосферных осадках на штатной сети гидрометеорологических станций (ГМС) подвергнуты статистическому анализу. Выполнен вероятностный прогноз и определены статистические характеристики плотности распределений прогнозируемого уровня осадков на период до 2030 г. Почвенный блок системы «осадки - почва - дренаж» изучался на типичных для региона дерново-подзолистых почвах Меньковского филиала Агрофизического научно-исследовательского института (Ленинградская область, Россия). К анализу приобщены опубликованные ранее данные о трансформации физических свойств дерново-подзолистых почв легкого гранулометрического состава в условиях длительной эксплуатации при интенсивном промывном режиме на орошаемых землях [11].

В исследованиях использованы методы прикладной математической статистики, модернизированный авторами ансамблевый метод обработки и обобщения климатических прогнозов МГЭИК на основе математики нечетких множеств [12, 13].

Данные мониторинга изменения физических свойств почв мелиорированных земель при длительной их эксплуатации получены с использованием лабораторных агрофизических методов исследования образцов, отбираемых в полевых условиях, почвенные наблюдения обобщены методом однородного природного аналога [14].

Результаты и обсуждение

Климатический блок системы «осадки - почва - дренаж»

В связи с глобальными изменениями климата Всемирная метеорологическая организация (ВМО) приняла новый технический регламент об обновлении климатических норм [15]. Климатическая норма для метеорологических параметров рассчитывается как среднее за 30-летний период. Для оценки актуальной климатической ситуации с целью принятия хозяйственных решений предложено использовать оперативную климатическую норму, рассчитанную для периода 1981-2010 гг. Для оценки динамики глобального климата действует прежняя климатическая норма, рассчитанная для периода 1961-1990 гг. Изменение климатической нормы сезонных осадков оценивалось по данным семи ГМС, репрезентативных для почвенно-климатических зон Северо-Западного региона (таблица 1, рисунок 1).

Таблица 1 - Характеристики гидрометеорологических станций

Анализ выполнен на основе сопоставления среднемесячного количества атмосферных осадков за весенние, летние и осенние месяцы для двух 30-летних периодов с 1961 по 1990 г. и с 1981 по 2010 г. Анализ данных показывает, что изменение климатической нормы наблюдается повсеместно, однако эти изменения неодинаковы на каждой станции. Исследования месячных норм осадков сведены в таблице 2. Для сопоставительного анализа за 100 % приняты данные за период с 1961 по 1990 г.

Рисунок 1 - Схема размещения гидрометеорологических станций

Таблица 2 - Изменение нормы осадков за период с 1981 по 2010 г. (за 100 % принят период 1961-1990 гг.) В %

Однонаправленные изменения на всех метеостанциях произошли в двух месяцах исследованного периода - уменьшение осадков в апреле и увеличение в июне. В марте более чем на 15 % увеличились осадки на станциях Псков, Котлас и Сыктывкар, на остальных станциях отмечено незначительное уменьшение. В апреле на всех метеостанциях отмечено снижение значений климатической нормы осадков: от 2,4 % на станции Сыктывкар до 23,6 % на станции Вытегра; на станциях Вологда, Петрозаводск количество осадков уменьшилось более чем на 15 %. В мае осадки увеличились на всех станциях, кроме Вологды; на станциях Псков, Петрозаводск и Сыктывкар значения норм увеличились более чем на 15 %. В июне на всех станциях зафиксировано увеличение осадков, на станциях Псков, Котлас и Сыктывкар увеличение климатической нормы составило более 20 %. В июле и августе изменения разнонаправлены, в сентябре на большинстве метеостанций зафиксировано уменьшение количества осадков. Снижение более чем на 10 % отмечено на станциях Петрозаводск, Вытегра и Шенкурск. В октябре изменения также разнонаправлены и незначительны. В ноябре на большинстве ГМС отмечено незначительное увеличение.

Сопоставительный анализ данных таблиц 2 и 3 показывает, что для оценки статистических характеристик временной вариации осадков целесообразно принять в качестве натурного однородного аналога наблюдения на метеорологической станции Псков. Показатели месячных сумм осадков за периоды с 1961 по 1990 г. и с 1981 по 2010 г. на ГМС Псков приведены на рисунке 2.

Рисунок 2 - Климатические нормы месячных сумм осадков за периоды с 1961 по 1990 г. и с 1981 по 2010 г. по ГМС Псков, мм

Статистический анализ изменения вариабельности сезонных осадков осуществлялся разбиением 72-летнего периода на два 36-летних периода: 1945-1980 и 1981-2016 гг. Критерием для такого разбиения явилось изменение интенсивности крупномасштабных циркуляционных процессов в средних и высоких широтах при повышающемся фоне температуры в глобальном масштабе [16]. Такой анализ показал, что абсолютные максимумы осадков в подавляющем числе случаев приходятся на интервал 1997-2009 гг., а также наблюдались в 2012, 2013 и 2016 гг., что соответствует фазе усиления циклонической активности [17].

Среди климатических мод, влияющих на температурно-влажностные условия в европейском Нечерноземье, предпочтение отдано анализу влияния такой климатической моды, как Восточно-Атлантическое колебание (ВАК). В Пскове в 1998 г. сумма летних осадков составила абсолютный максимум, равный 457 мм, и соответствовала значению летнего индекса ВАК = 0,77. В 2003 г. максимум летних осадков составил 414 мм и соответствовал значению летнего индекса ВАК = 0,80. В 2016 г. максимум летних осадков достиг 391 мм и соответствовал значению летнего индекса ВАК = 1,44. То есть все максимумы летних осадков наблюдались при положительных значениях индекса ВАК.