Влияние засухи на продуктивность пастбищ и эффективность их фитомелиорации в равнинном Туркменистане

Экосистемы Каракумов в течение ближайшего времени останутся пастбищными угодьями. В Туркменистане имеется 41 млн. га пастбищепригодных земель, из них 38,8 млн. га расположены в равнинной части и около 2,3 млн. га — в горной. Величина среднегодового поедаемого запаса кормов на равнинной территории колеблется в пределах 0.84−3.49 ц/га, а в горной — 2.6−4.0 ц/га. Пустынные пастбища служат основной кормовой базой для круглогодичного содержания овец и верблюдов.

Урожайность пастбищ чрезвычайно низкая и всецело зависит от климатических факторов. В засушливые годы урожай пастбищных трав снижается до 50 кг/га. Повторяемость урожайных лет составляет 30%, среднеурожайных — 40 и неурожайных — 30%. Острый недостаток корма ощущается в засушливые годы.

Основным показателем влияния климатических факторов на продуктивность пустынной растительности является тепло-влагообеспеченность растений. К настоящему времени по данной проблеме проведена значительная работа в условиях пустынь Казахстана: Федосеевым А. П. (1, 2, 3), Белобородовой Г. Г. (4, 5) — Узбекистана: Бабушкиным J1.H. (6), Грингофом И. Г. (7, 8), Рейзвих О. Н. (9, 10) — Туркменистана: Нечаевой Н. Т. (11,12), Мордвиновым И. А. (13), Нурбердыевым М. (15, 16, 17). Однако, пока еще нет обобщающей работы, посвященной влиянию засухи на рост, развитие и формирование урожая пастбищной растительности. Выявление такой зависимости необходимо для практических расчетов в целях рационального использования пустынных пастбищ и борьбы с негативными последствиями засухи. В решении этих задач и состоит актуальность темы диссертационного исследования.

Под воздействием естественных и антропогенных факторов в современном климате происходят весьма ощутимые изменения. Повышение температуры воздуха и уменьшение осадков заметно отражается на сельскохозяйственном производстве, особенно на отгонном животноводстве.

В природных условиях Каракумов накопление зеленой массы пастбищных растений тесно связано с уровнем влагообеспеченности территории. Основными факторами, определяющими степень развития пастбищных растений, являются прежде всего атмосферные осадки и тепловые условия воздуха и почвы.

Анализ многолетних климатических факторов пустынь показывает, что в Туркменистане ежегодно наблюдаются условия, тормозящие и останавливающие рост, развитие и продуктивность пастбищных растений. Поэтому целью настоящего научного исследования является выявление таких количественных агрометеорологических факторов, которые отрицательно влияют на формирование урожая пастбищных трав, изучение степени их воздействия, а также попытка разработки долгосрочного прогноза засухи и продуктивности пастбищ в различные годы.

В результате появится возможность определить экономическую эффективность прогнозирования урожайности пастбищ. Установление зависимости урожая пастбищных растений от погодных условий вегетационного года позволит: оценить уровень кормообеспеченности животных на естественных пастбищах пустыньопределить емкость пастбища и продолжительность подкормки в отдельные годы. Таким образом, зная уровень кормообеспеченности выпасаемого поголовья, можно избежать потери скота.

Пастбищные угодья в естественном состоянии с набором различных жизненных форм могут устойчиво обеспечить кормами. Однако в настоящее время в связи с интенсивным воздействием техногенных факторов пастбищные угодья сильно деградируют.

Вышеизложенное позволяет заключить, что недостаточная изученность динамики колебания продуктивности пастбищ и отсутствие надежных методов оценки и долгосрочного прогноза засухи затрудняют своевременное принятие решений по определению оптимальной нагрузки на пастбища в различные по урожайности годы и снижают эффективность ведения пустынно-пастбищного животноводства. Это определило выбор темы диссертационного исследования. Сложность, многоаспектность и недостаточная разработанность целого ряда вопросов рационального управления пастбищными экосистемами, объективная необходимость их научного осмысления и комплексного анализа определили выбор целей, задач, структуры и содержания исследования. Целями исследования являются:

• разработка методики определения количественных агрометеорологических факторов, отрицательно влияющих на формирование урожайности пастбищных экосистем;

• исследование степени воздействия агроклиматической засухи на динамику продуктивности пастбищ;

• выявление прогностических признаков динамики урожайности пастбищной растительности.

Для достижения указанных целей были поставлены и решены следующие основные задачи:

• сбор многолетних метеорологических данных, имеющих отношение к засухе на всей территории Туркменистана в целях исследования многолетней динамики урожайности пастбищной растительности;

• выявление закономерностей между динамикой засухи и продуктивностью пастбищной растительности, математическая обработка полученных результатов в целях уточнения достоверности установленных связей;

• разработка методики и критериев оценки интенсивности засухи в различные по метеорологическим условиям годы;

• проведение анализа многолетних данных по выявлению прогностических признаков засухи и ее влияния на урожайность пастбищной растительности;

• разработака модели, позволяющей определить количественные показатели засухи и влагообеспеченности растений за вегетационный период;

• разработка методов долгосрочного прогноза засухи с целью рекомендаций для организаций и специалистов отгонного животноводства в Каракумах;

Объектом иследования являются природные комплексы Каракумов и их антропогенные модификации, подлежащие коренному улучшению в результате проведения фитомелиоративных мероприятий.

Предмет исследования — изучение влияния агроклиматической засухи на продуктивность пустынных пастбищ.

Информационная база исследования включает базу данных, полученных автором в результате полевых наблюдений, а также агрометеорологические данные сети метеостанций Туркменистана.

Методологической и теоретической основой исследования послужило использование гипотетико-дедуктивного и индуктивного методов научного познания. Достоверность научных выводов и практических рекомендаций основывается на теоретических и методологических положениях, сформулированных в исследованиях отечественных и зарубежных ученых, а также на результатах тестирования разработанных методов и моделей и их сравнительного анализа с существующими аналогами. При решении конкретных проблем управления продуктивностью пустынных пастбищ использовались методы математического анализа, прикладной статистики и биометрические методы.

Наиболее существенные результаты и научная новизна диссертационной работы заключаются в расширении научных знаний о сложной, комплексной природе засухи, причинах ее возникновения и влияния на состояние пастбищной растительности и отгонного животноводства в аридных зонах.

Решение задач оперативного предсказания возникновения, продолжительности и географического распространения агроклиматической засухи привело к следующим результатам, содержащим, по мнению автора, элементы научной новизны:

1. Выявлены особенности развития растительности в грядово-такырном комплексе в зависимости от погодных условий различных лет и определены качественные и количественные критерии, имеющие большое научное и практическое значение при использовании пустынной растительности в целях фитомелиоративного улучшения пустынных пастбищ.

Работа является еще одной попыткой детального изучения радиационно-теплового баланса экосистем Центральных Каракумов. Анализ данных, полученных на всех ключевых участках по экологическому профилю, показал, что распределение радиационно-тепловых характеристик в грядово-такырном комплексе весьма неоднородно.

Для вегетационного периода показательны значительные суточные амплитуды и высокие дневные температуры воздуха и почвы, малое количество атмосферных осадков и преимущественное выпадение их в осенне-весенний период.

2. Изучен адаптивный потенциал некоторых видов пустынных растений. Оценена засухоустойчивость семян путем измерения возобновления их роста после периода обезвоживания. Подробно изучены факторы, влияющие на устойчивость семян к периодам засухи. Адаптивный подход к аридному кормопроизводству дает возможность расширить использование экологического и биологического потенциала видов растений природной флоры с целью обеспечения высокой продуктивности и устойчивости природных кормовых угодий, конструируемых пастбищных агрофитоценозов и лесопастбищных площадей к воздействию неблагоприятных природных (засуха) и антропогенных факторов.

3. Изучены агроклиматические условия различных типов засухи в Туркменистане. Впервые проведена систематизация слабых, средних и сильных засух по годам при учете достаточно большого количества факторов.

В целях комплексной оценки и характеристики засухи разработаны ее критерии с учетом физико-географических особенностей, условий влагои теплообеспеченности местности и физиологических особенностей пастбищного травостоя. Основными факторами для определения критериев слабой, средней и сильной степени засух послужили длительность и соотношение влагообеспеченности для транспирации растений, периода и продолжительности засухи в течение вегетации растительности.

4. При оценке агроклиматического потенциала конкретного региона для формирования урожая природных пастбищ важно знать степень влагообеспеченности вегетационного периода. Нами определена степень воздействия засухи на динамику продуктивности пастбищных экосистем. Разработана модель, позволяющая рассчитать продолжительность влагообеспеченных дней, а также дни с засухой за вегетационный период и количественно оценить степень влагообеспеченности растений в момент формирования урожая пастбищного травостоя.

По наблюдениям 12 пустынных метеорологических станций, проведенным в течении 40−60-и лет, установлена продолжительность вегетационного периода эфемеров и эфемероидов.

5. Рассчитан коэффициент влагопотребления, позволяющий построить модель для вычисления количества влагообеспеченных дней за период вегетации ежедекадно или ежемесячно с учетом количества атмосферных осадков и среднедекадной температуры воздуха. Раскрытие биологической значимости показателя влагообеспеченности растений позволило нам определить связь его значений с урожаем пастбищ, то есть каждому влагообеспеченному дню транспирации растений соответствует 10 кг/га урожая пастбищ. Разработанный метод позволяет рассчитать урожайности пастбищ в различные годы с очень высокой точностью. Средняя ошибка величины урожая рассчитанной модели составляет 26 кг/га против существующего метода полевого определения (50 кг/га). Для точного вычисления урожая пастбищ приводятся уравнения регрессии для конкретного района.

6. Разработаны биометрические методы оперативного учета продуктивности пастбищной растительности. Выявлено математическое выражение связи величины надземной растительной массы с различными параметрами растений-эдификаторов и доминантов. Предложена методика оперативного наземного учета урожая растительной массы некоторых пастбищных растений, полностью исключающая необходимость срезать (отчуждать), сушить и взвешивать растительную массу, и позволяет получить конкретную величину кормозапаса (в сухом виде) на пастбище в день обследования.

7. Разработана методика для составления многолетнего прогноза урожайности пастбищ на основе некоторых прогностических признаков. Установлен 84-летний цикл взаимодействия прогностических факторов, позволяющий сравнивать погодные условия годов-аналогов. Составлен многолетний прогноз урожайности пастбищ Туркменистана.

8. Разработаны мероприятия по оптимизации растительности и рациональному использованию выпасов. Выявлены площади, нуждающиеся в проведении фитомелиоративных работ. Изучено средообразующее влияние фитомелиоративных насаждений. По мере увеличения надземной биомассы фитомелиорантов происходит смягчение ксеротермического режима за счет снижения уровня солнечной радиации, температуры воздуха и почвы в дневное время, снижение скорости ветра, перераспределения количества осадков, улучшения влагообеспеченности посевов фитомелиорантов и т. д.

Теоретическая значимость исследования состоит в применении комплексного подхода к изучению явлений, неблагоприятно сказывающихся на урожайности пастбищ и возможности прогнозирования этих процессов с целью восстановления и расширения воспроизводства продукционного потенциала пастбищных экосистем.

Практическая значимость исследования заключается в получении результатов, которые могут быть применены при планировании хозяйственных, фитомелиоративных мероприятий, а также разработке новых технологий создания лесопастбищных агрофитоценозов, обладающих свойствами самовозобновления и самовоспроизводства фитомассы, состава и структуры в соответствии с зональными типами естественных экосистем, оценке продуктивности и условий выпаса животных на отгонных пастбищах. В иерархию погодно-климатических условий большие изменения вносят погодные, в основном, непредсказуемые смены влажных и засушливых лет, познание которых необходимо для составления сверхдолгосрочных прогнозов агроклиматической засухи и ее влияния на продуктивность пастбищ. Поиски в этом направлении могут быть осуществлены на основе совместных исследований гелиофизиков, климатологов, агрометеорологов и других специалистов, изучающих природную среду.

Апробация результатов исследований. Результаты исследования ежегодно рассматривались Ученым советом Института пустынь АНТ в 19 901 996, обсуждались на научно-практических конференциях молодых ученых Туркменистана в 1984;1994 гг., а также на 4-м Международном Симпоузиме: 4th International Workshop «Dessication Tolerance and Sensitivity of Seeds and Vegetative Plant Tissues», South Africa, August, 2003.

Основные выводы по результатам исследований.

1. На основе детального изучения радиационно-теплового режима экосистем Центральных Каракумов выявлено неоднородное распределение микроклиматических характеристик в грядово-такырном комплексе. Изучены особенности развития основных эдификаторов в пределах комплеса в зависимости от погодных условий различных лет, а также определены качественные и количественные изменения, имеющие большое научное и практическое значение при использовании пустынной растительности.

2. Предложена методика оперативного учета запасов биомассы представителей нескольких жизненных форм пустынных растений, позволяющая сократить затраты времени и труда в полевых условиях, сохранить в природе особи растений, включенных в процесс учета, и получить реальную величину кормозапасов пастбищных растений с ошибкой не более 10−12% в день обследования.

3. Изучен адаптивный потенциал некоторых видов пустынных растений. Оценена засухоустойчивость семян путем измерения возобновления их роста после периода обезвоживания. Подробно изучены факторы, влияющие на устойчивость семян к периодам засухи. Адаптивный подход к аридному кормопроизводству дает возможность расширить использование экологического и биологического потенциала видов растений природной флоры с целью обеспечения высокой продуктивности и устойчивости природных кормовых угодий, конструируемых пастбищных агрофитоценозов и лесопастбищных площадей к воздействию неблагоприятных природных (засуха) и антропогенных факторов.

4. В экстрааридных пустынях Туркменистана ежегодно травостой растительность развивается в условиях проявления той или иной степени засухи, определяющими факторами которой являются осадки, температура воздуха и коэффициент использования осадков травостоем. В связи с этим предложенная нами модель позволяет рассчитать продолжительность влагообеспеченных дней, а также дни с засухой за вегетационный период и количественно оценить степень влагообеспеченности растений и формирования урожая пастбищного травостоя.

5. Рассчитан коэффициент влагопотребления, позволяющий построить модель для вычисления количества влагообеспеченных дней за период вегетации ежедекадно или ежемесячно с учетом количества атмосферных осадков и среднедекадной температуры воздуха.

Раскрытие биологической значимости показателя влагообеспеченности растений позволило нам определить связь его значений с урожаем пастбищ, то есть каждому влагообеспеченному дню транспирации растений соответствует 10 кг/га урожая пастбищ. Разработанный метод позволяет рассчитать урожайности пастбищ в различные годы с очень высокой точностью. Средняя ошибка величины урожая рассчитанной модели составляет 26 кг/га против существующего метода полевого определения (50 кг/га). Для точного вычисления урожая пастбищ приводятся уравнения регрессии для конкретного района.

6. Накоплен и проанализирован большой научный материал, позволяющий оценить интенсивность, длительность, повторяемость, масштабность засух и их негативное влияние на пастбищные ресурсы Туркменистана. Разработаны критерии различных показателей засухи с учетом физико-географических особенностей, условий влаго-и теплообеспеченности местности и физиологических особенностей пастбищного травостоя на равнинной территории. Впервые проведена систематизация по годам слабых, средних и сильных засух при учете достаточно большого количества факторов.

7. Установлено процентное соотношение низкоурожайных, средне и высокоурожайных лет в шести агроклиматических районах равнинного Туркменистана. Изучение влияния агроклиматической засухи на динамику продуктивности пастбищной растительности позволило выявить тенденцию за последние 13 лет к повышению температуры воздуха и уменьшению количества осадков, а следовательно, к снижению продукционного потенциала пастбищ.

8. Впервые предпринята попытка для разработки методики составления долгосрочного прогноза урожайности пастбищ на основе прогностических признаков: солнечной активности и восточного календаря. Установлен 84-х летний цикл взаимодействия вышеуказаннных факторов, позволяющий сравнивать погодные условия годов-аналогов.

9. Разработаны мероприятия по оптимизации растительности и рациональному использованию выпасов. Выявлены площади, нуждающиеся в проведении фитомелиоративных работ. Изучено средообразующее влияние фитомелиоративных насаждений. Установлено, что по мере увеличения надземной биомассы фитомелиорантов происходит смягчение ксеротермического режима за счет снижения уровня солнечной радиации, температуры воздуха и почвы в дневное время, снижение скорости ветра, перераспределения количества осадков и, как положительный результат, улучшения влагообеспеченности посевов фитомелиорантов.