Вікова зміна клімату та продуктивності агроценозів центрального Лісостепу України

Ми проаналізували кліматичні параметри, запаси вологи та динаміку продуктивності зернових культур (пшениці озимої та кукурудзи на зерно) залежно від системи адаптаційних заходів (удобрення, обробітку) за період 1913–2022 років, визначили їх класифікаційні ознаки відповідно до фрактальних властивостей, виявили тенденції щодо подальших змін в агроценозах Центрального Лівобережного Лісостепу України

Глобальне потепління клімату та сільське господарство — це два пов’язаних поняття. Зміна середньої місячної температури повітря, кількості опадів, умісту діоксиду вуглецю в атмосфері помітно впливає на сільське господарство, що завдає, з одного боку, позитивного впливу: подовження вегетаційного періоду та пов’язане з ним розширення зони безризикового землеробства, збільшення продуктивності сільськогосподарських культур, що спостерігається на території Лісостепової ґрунтово-кліматичної зони України.

Розроблення стратегії адаптивного землеробства до зміни клімату є важливим і першочерговим завданням для землеробства України.

Подальша зміна клімату та його вплив на сільське господарство України може мати два сценарії: аридний (сухий) або гумідний (вологий).

Відповідно до гумідного (вологого) сценарію потепління в середньостроковій перспективі очікується зростання врожайності практично всіх сільськогосподарських культур на 20–25%. За аридним (сухим) сценарієм потепління врожайність зернових культур швидко падатиме по всій території Лісостепової зон України. За умов аридного (сухого) потепління до середини XXI ст. збільшення посушливості територій стане головним негативним проявом зміни клімату в найродючіших районах країни, падіння врожайності зернових може перевищити 20–25% і стати критичним для економіки зони центрального Лісостепу України.

Актуальність розроблення адаптаційних заходів до змін клімату

Адаптація до зміни клімату в центральній частині Лісостепу України є процесом пристосування у природних чи людських системах у відповідь на фактичні або очікувані кліматичні впливи, що дозволяє знизити їх негативні наслідки та скористатися сприятливими можливостями від потепління. Враховуючи залежність сільськогосподарського виробництва від погодних умов, актуальним є завчасне розроблення адаптаційних заходів до змін клімату. Важливим у цьому відношенні є наукове обґрунтування заходів із найефективнішого використання додаткового агроресурсного потенціалу у вигляді тепла, а також мінімізації можливих ризиків у вигляді різноманітних екстремальних явищ, які можуть істотно погіршити не лише екологічний стан агроландшафтів, а й значно знизити продуктивність агроекосистем, що насамперед стосується посилення глибини та просторового поширення посушливих явищ. На сьогодні питання адаптації аграрного виробництва до змін клімату до кінця не вирішено, а тому проблеми, висвітлені у статті, є актуальними для аграрного виробництва.

Результати досліджень

Аналіз середньомісячної температури повітря за 1913–2022 рр. показав про суттєве її підвищення у віковому вимірі. Так, середньорічна температура повітря, порівнюючи з її найнижчим значенням (+6,9 °С) в 1920–1930 рр. зросла на +1,4 °С в 1998–2004 рр., а на період 2015–2022 рр. зростання становило в середньому +2,3 °С.

У холодний період року (листопад-березень) з 2013 року по 2022 рік середньомісячна температура повітря підвищилася у 24,5 раза: з –4,9 °С до –0,2 °С. Особливо інтенсивне потепління холодного періоду року відбувалося з 1998 року.

Фрактальне оцінювання рядів динаміки середньомісячної температури повітря по періодах року та загалом за рік показало, що фрактальна розмірність рядів динаміки (за висхідним трендом) була D<1,4, а показник Н = 0,97–0,98, що відповідає стійкому персистентному стану, який збережеться і в майбутніх періодах визначень. Рівняння трендів у всіх випадках були достовірними (R² = 0,58–0,64), а міра автокореляції в ряду динаміки була на рівні прямої сильної кореляції (R>0,75).

Аналіз рядів динаміки атмосферних опадів з 1913 року по 2022 рік у річному вимірі відбувався за висхідним трендом від найменших значень (430 мм) до найвищих у період 1998–2022 рр. ~547 мм, а це +117 мм.

За вегетаційний період (ІV–ХІ) кількість атмосферних опадів знизилася від 400 мм (1913–2021) до 315 мм (2020–2022), а це — 85 мм. За період активної вегетації (VІ–VІІІ) кількість атмосферних опадів мала стійку тенденцію до зниження, а в період 2010–2014 рр. та 2020–2022 рр. знизилася до 155–217 мм.

Тренди рядів динаміки атмосферних опадів за теплий період року були спадними, а за холодний період, навпаки, висхідними, що загалом впливало на зростання суми атмосферних опадів за рік. Так, якщо 1913 року за холодний період року випадало близько 100 мм вологи, то, починаючи з 1994–1997 рр., кількість опадів перевищила в період 2020–2022 рр. 200 мм або у 2 рази більше.

Фрактальне оцінювання показало, що ряди динаміки мають стійкий персистентний стан, що свідчить про незмінність трендовості в майбутньому, яка пов’язана зі зростанням кількості опадів за рік за зниження кількості опадів у теплий період року та зростання кількості опадів в осінньо-зимовий період.

Вивчення динаміки запасу вологи в метровому шарі ґрунту в березні показало, що за 1913–2022 рр. відбулося зменшення її запасу. Якщо у 1952–1990 рр. запаси вологи досягали 180–195 мм, а в 1921–1951 рр. були на рівні 170–175 мм, то у 2010–2022 рр. запас вологи становив 135–141 мм, що менше на 50 та 35 мм відповідно. Потенціал вологи, що складається із запасу у метровому шарі ґрунту та кількості опадів за холодний період року, зростає від 1913–1920 до 2020–2022 рр. на 114 мм, але якщо відсоток запасу ґрунтової вологи у першому випадку становив 64,5%, то у другому — 36,5%. У період 1947–1956 рр. відсоток ґрунтової вологи досягав 71,1–75,6%. Далі відсоток ґрунтової вологи станом на березень почав знижуватися від 67,2 (1962–1956) до 58,2% (1975–1980), 50,5% (2005–2009), 46,2% (2010–2014) та 36,2% (2020–2022), що менше проти 1913–1920 рр. в 1,77 раза.

Гіпотетично визначений запас вологи в ґрунті у період з 1913 року по 1951 рік становив 74–100 мм, з 1975 року по 2004-й — 42–55 мм, тоді як з 2005-го по 2012 рік запаси вологи перед входом у зиму знижувалися до рівня мертвого запасу. Подібне явище пов’язано з формуванням стійкого снігового покриву в період з 1913-го по 2004 рік, а в період з 2005 року по 2022-й зростання середньомісячної температури повітря, випадання опадів у вигляді дощу та формування незначного за товщиною снігового покриву призводило до вивітрювання вологи та зменшення рівня засвоюваності осінньо-зимових опадів.

__________________________

Починаючи з 1998–2004 рр., помічено найбільшу інтенсивність спадності тренду надходження сумарної кількості вологи: з 600 до 500 мм (2010–2014) та незначного зростання до 530 мм у період 2020–2022 рр., що формує різко виражений від’ємний баланс вологи в теплий період року, який досягає 120–150 мм

__________________________

Динаміка запасів вологи в ґрунті та кількість опадів за теплий період року загалом формувала спадний тренд. Починаючи з 1998–2004 рр., помічено найбільшу інтенсивність спадності тренду надходження сумарної кількості вологи: з 600 до 500 мм (2010–2014) та незначного зростання до 530 мм у період 2020–2022 рр., що формує різко виражений від’ємний баланс вологи в теплий період року, який досягає 120–150 мм.

Між зростанням середньомісячної температури повітря, як загалом за рік, так і по теплому періоду року та величиною випаровування вологи, встановлено тісний кореляційний зв’язок (R = 0,85±0,03), що по суті й вплинуло на тренди в динаміці зазначеного показника.

Так, у період 1913–1920 рр. випаровуваність за рік становила 540 мм, а в період 1998–2004 рр. зросла на 50 мм, а до 2016–2022 рр. — на 110–140 мм. За вегетаційний період (квітень-листопад) збереглася встановлена закономірність: якщо у період 1913–1956 рр. випаровуваність становила 481–490 мм, то у період 2015–2022 рр. випаровуваність зросла у середньому на 123 мм. Аналогічно зростала випаровуваність за період активної вегетації (червень-серпень). У період 1913–1951 рр. з 351 до 536 мм — у період 2010–2022 рр., що вище на 185 мм, або на 153%. Фрактальне оцінювання рядів динаміки випаровуваності показало, що тренди як за рік, так і по теплому періоду року мали персистентний висхідний характер (D<1,4), що збережеться й у наступні періоди спостережень.

Аналіз динаміки індексу ґумідності клімату (Іг) за рік та по періодах року показав, що тренди рядів динаміки мали спадний характер за період 1913–2022 рр. Загалом Іг за рік у періоди 1941–1950 рр. та 1975–1980 рр. становив 142 та 144%, а в період 1981–1990 рр. — 133%. Надалі спостерігається поступове зниження Іг до значень 101% у період 2010–2020 рр. Загалом Іг не знижувався за 100%, що характеризує режим погоди (багаторічний режим погоди в певній місцевості називають кліматом цієї території) як послаблення гумідізації за стійким спадним, трендом.

За вегетаційний період (травень-серпень) динаміка Іг зберегла тенденцію спадності тренду. У період 1975–1997 рр. Іг = 124–144%, а в період 1941–1956 рр. Іг = 142%. Починаючи з 1998–2004 рр. Іг почав різко знижуватися: від Іг = 109% до Іг = 65–77%, що свідчить про наближення Іг до показників індексу аридності (Іа), коли кількість вологи, що випаровується (Р<Е). Аналогічною закономірністю змінювався Іг за теплий період року (квітень-листопад) — активна вегетація культур. Найвищим Іг був у період 1975–1990 рр. — Іг = 124–130%, а в наступні роки Іг знижувався до Іг = 75–89% (2015–2022), що значно ускладнювало умови вегетації сільськогосподарських культур. Фрактальне оцінювання показало, що тренди рядів динаміки мали персистентним характер, коли D<1,4, що забезпечує збереження встановленого процесу зниження Іг у майбутньому.

Для кількісної характеристики сухості клімату у центральній частині Лісостепу використано співвідношення між середньорічною температурою повітря та річною сумою опадів з урахуванням сезонної зволоженості. За В. П. Кеппеном виділено температурні межі: Т + 7 — нижня межа та 2(Т + 7) — верхня межа, а також сума річних опадів — Р, мм. Якщо сума опадів Р перебуває в межах зазначених температурних інтервалів, то це вказує на те, що гідротермічні умови є характерними для Степової зони, що дає право стверджувати про остепніння зони Лісостепу, а якщо Р>2(Т+7), то гідротермічні умови є характерними для Лісостепової зони.

Виявлено, що величина Р за усі роки перевищувала 2(Т + 7) на 146–180% і була вищою від зазначеної межі. Відхилення Р від (Т + 7) становило 273–360%, що свідчить про відхилення гідротермічних умов Лісостепу від аридизації клімату. Зростання середньорічної температури повітря в період 2005–2022 рр. до +9,2–9,7 °С не є критичним і свідчить про відсутність умов остепніння території Лісостепу. Фрактальне оцінювання рядів динаміки Р, Т + 7 та 2(Т + 7) свідчить про стійкий спадний характер трендів (D<1,4), який не зміниться у близькому майбутньому.

Послаблення гумідізації клімату в умовах центрального Лісостепу України виявилося позитивним явищем для агропромислового виробництва. Урожайність пшениці озимої з 1913 року по 1986–1990 рр. зросла у 2,9 раза, а у період з 1986–1990 рр. по 2016–2022 рр. — в 1,09 раза. Валовий збір зерна зріс у 2,57 раза та зменшився у 2016–2022 рр. на 0,28 млн тонн.

Урожайність ячменю ярого з 1913 року по 1986–1990 рр. зросла на 2,05 т/га, а до періоду 2016–2020 рр. — на 1 т/га відносно 1986–1990 рр. Загалом урожайність ячменю з 1913 року зросла у 2016–2020 рр. у 3,4 раза, або на 3,05 т/га. Валовий збір зерна до 1986–1990 рр. зріс в 1,9 раза, але в 2016–2022 рр. знизився до 0,178 млн тонн, або у 2,1 раза, що пов’язано зі зменшенням площ посівів ячменю ярого.

Урожайність кукурудзи на зерно в 1986–1990 рр. зросла у 2,4 раза відносно 1913 року, а у 2011–2020 рр. — у 4,5 та 1,9 раза відповідно. Валовий збір зерна кукурудзи відносно 1956–1960 рр. у 1981–1990 рр. зріс у 2,3 раза, а у 2016–2020 рр. — у 5 та 2,2 раза відповідно. Урожайність соняшнику відносно 1913 року в період 1986–1990 рр. зросла у 2,03 раза, а у 2016–2022 рр. — у 2,96 та 1,45 раза відповідно. Валовий збір насіння соняшнику відносно 1986–1990 рр. у період 2016–2020 рр. зріс у 4,57 раза, а відносно 1956–1960 рр. — у 9,8 раза. За аналогічною закономірністю зростала урожайність сої. Якщо в період 1986–1990 рр. урожайність сої становила 1,06 т/га, то у період 2011–2020 рр. — 2,0 т/га, що в 1,9 раза вище.

Висновки

1. На основі аналізу даних, які отримано із застосуванням методу В. П. Кеппена, можна дійти висновку, що на території центральної частини Лісостепу (1913–2022) не фіксувалося періодів відхилень (Т + 7) та 2 (Т + 7) у бік погіршення до того рівня, коли гідротермічні умови клімату набували степового характеру. Нижня межа гідротермічних умов клімату змінювалася навколо Т = +15 °С, а верхня межа показника — навколо Т = +30 °С зі стійкою тенденцією до зростання. Між кількістю річних опадів та Т + 7 і 2(Т + 7) виявлено пряму кореляцію (R = +0,81–0,85±0,02). Тренд зростання кількості річних опадів був стрімкішим, порівнюючи з наростанням температурних показників, тобто опади були компенсаторним чинником, що можна розцінювати як саморегулівний механізм адаптивності до наростання аридності клімату Лісостепової зони.

2. У віковому циклі індекс гумідності клімату в центральному Лісостепу України найвищих значень досягали в період 1981–1990 рр. та 1998–2004 рр., а у 2020–2022 рр. індекс гумідності знижувався за спадним трендом до значень, близьких до 100%. Гумідність клімату періоду активної вегетації культур в агроценозах максимального значення набував у період із 1931 року по 1950 рік, а з 1980 року по 1990 рік він стрімко знижувався, досягаючи у 2020–2022 рр. значень менших за 90%, що свідчить про погіршення умов вегетації сільськогосподарських культур до надмірно жорстких, які наближаються до межі північної частини Степової зони України.

3. Послаблення гумідізації клімату в умовах центрального Лісостепу України позитивно вплинуло на динаміку врожайності основних сільськогосподарських культур: урожайність пшениці озимої в період із 1986–1990 рр. по 2016–2022 рр. зросла в 1,10 раза, а валовий збір зерна — у 2,57 раза. Урожайність ячменю ярого з 1913 року по 1986–1990 рр. зросла на 2,05 т/га, а до періоду 2016–2020 рр. — на 1 т/га відносно 1986–1990 рр. Валовий збір зерна до 1986–1990 рр. зріс в 1,9 раза, але у 2016–2022 рр. знизився до 0,178 млн тонн, або у 2,1 раза, що пов’язано зі зменшенням площ посівів ячменю ярого. Урожайність кукурудзи на зерно в 1986–1990 рр. зросла у 2,4 раза відносно 1913 року, а у 2011–2020 рр. зросла у 4,5 та 1,9 раза відповідно. Валовий збір зерна кукурудзи відносно 1956–1960 рр. у 1981–1990 рр. зріс у 2,3 раза, а у 2016–2020 рр. — у 5 та 2,2 раза відповідно.

4. Зміни клімату, що вже відбулись і відбуваються в Україні, можуть вплинути на врожайність зернових по різному: у деяких регіонах на Півночі України через підвищення зимових температур і кількості опадів, довший безморозний період і вищу концентрацію CO2, площі придатних до сільського господарства угідь можуть розширитися. Збільшення тривалості періоду високих температур може стати нормою, загрожуючи виробництву сільськогосподарських культур під час періоду вегетації. З метою забезпечення сталого розвитку зерновиробництва агровиробники України повинні застосовувати сучасні, пристосовані до нових кліматичних умов сорти зернових культур й агроекологічні технології обробітку ґрунту (неглибоке розпушування плоскорізами або глибокий плоскорізний обробіток, мульчування, використання органічної маси післяжнивних решток як добрива на полях тощо).

Олександр Демиденко, доктор с.-г. наук, директор
Черкаська ДСГДС ННЦ «Інститут землеробства НААН»