Природа ботанических садов

pdf-версия статьи

УДК 551.584.2

Метеорологические условия теплого периода на территории Ботанического сада-института ПГТУ

Введение

Известно, что потребность растений в тепле выражают суммами активных и эффективных температур. В сельскохозяйственной метеорологии активная температура – это среднесуточная температура воздуха (или почвы) выше биологического минимума развития культуры. Эффективная температура – это среднесуточная температура, уменьшенная на значение биологического минимума. Развитие растений происходит только при определенном уровне тепла – если среднесуточная температура превышает их биологический минимум, который составляет, в частности, для плодово-ягодных культур 5 °C. Установлено, что для многих сортов яблони в зоне умеренного климата европейской части России сумма эффективных температур от начала вегетации до начала цветения равна 185±10 °C, до конца цветения – 310±25 °C. Цветение груши начинается при накоплении суммы эффективных температур 125±10 °C, вишни – 150±10 °C (Лосев, 1994; Лосев, Журина, 2001). Осадки – основной источник влаги для растений, но непосредственное влияние их на растения может быть положительным или отрицательным в зависимости от фазы развития растений, интенсивности и продолжительности осадков. Так, для формирования завязи плодовых культур благоприятны слабые кратковременные дожди после цветения, а обильные дожди в сочетании с ветром вызывают механические повреждения плодов, преждевременное опадение завязей и плодов. В период цветения частые интенсивные дожди смывают пыльцу, препятствуют лету насекомых. Длительное отсутствие дождей обуславливает засуху, что приводит к уменьшению накопления в растениях органических веществ. Растения начинают увядать, засыхают их листья и органы плодоношения, плоды опадают (Лосев, Журина, 2001).

Территория Республики Марий Эл входит в умеренный климатический пояс, район с умеренно-холодной зимой, область недостаточного увлажнения (Лазарева, 2010). Ботанический сад-институт Поволжского государственного технологического университета находится в черте г. Йошкар-Олы, столицы Республики. Географическое положение сада – 56°37' с. ш., 47°46' в. д., 100 м над уровнем моря. Природная зона – Ветлужско-Приуральный округ смешанных лесов. Почвы свежие слабоподзолистые средне- и тяжелосуглинистые на покровных глинах и суглинках, подстилаемых песчано-глинистыми Пермскими породами (Коллекционные фонды ..., 2011). По данным метеопоста Ботанического сада-института за 1968–2010 гг., среднегодовая температура воздуха составляет +3,6 °С. Средняя годовая сумма осадков – 580 мм, в том числе 206 мм приходятся на зимний период. Продолжительность вегетационного периода составляет 175 дней, периода активной вегетации – 138 дней. Средние даты перехода среднесуточных температур воздуха через 5 °C приходятся весной на 16 апреля, осенью – 7 октября, через 10 °C – 7 мая и 21 сентября соответственно. Обеспеченность теплом характеризуется следующими показателями: сумма эффективных температур 5 °C – 1583 °C, сумма эффективных температур +10 °C – 834 °C, сумма активных температур 10 °C – 2046 °C (Лазарева, 2010).

По данным ряда авторов в Республике Марий Эл, как и на территории других регионов, наблюдается потепление климата (Демаков и др., 2009; Замятин и др., 2010; Гончаров и др., 2019; Демаков, Исаев, 2020). Установлено повышение среднегодовой температуры воздуха со второй половины XX века. Даты устойчивого перехода среднесуточных температур сдвигаются весной на более ранние сроки, а осенью – на более поздние (Гончаров и др., 2019). Отмечены тенденции увеличения безморозного периода в результате сдвига первых осенних заморозков на более поздние сроки (Замятин и др., 2010).

Целью настоящего исследования являлся анализ метеорологических условий теплых периодов с 2000 по 2021 гг. в городе Йошкар-Ола по данным метеопоста Ботанического сада-института ПГТУ.

Объекты и методы исследований

Характеристика метеорологических условий приведена по данным метеопоста БСИ ПГТУ. В период до 2017 года ежедневно в 8 часов снимали показания срочного, максимального и минимального термометров, установленных в психрометрической будке. Среднесуточная температура определена как среднее между минимальной и максимальной температурой за прошедшие сутки. Количество осадков за истекшие сутки учитывали с помощью осадкомера Третьякова с учетом поправок на смачивание. С 2017 г. метеорологические данные собираются метеостанцией Davis Vantage Pro2. Среднесуточная температура рассчитана в программе WeatherLinl как средняя за 24 часа. В холодное время года количество твердых осадков, выпавших за истекшие сутки, были измерены вручную. За дату устойчивого перехода среднесуточных температур через 0 °C, 5 °C, 10 °C и 15 °C весной принят первый день периода, сумма положительных отклонений которого превышает сумму отрицательных отклонений любого из последующих периодов с отрицательными отклонениями, осенью – первый день того периода, сумма отрицательных отклонений которого превышает сумму положительных отклонений любого из последующих периодов с такими отклонениями (Кельчевская, 1971). Даты перехода температуры воздуха через 0 °C показывают начало весны и конец осени, весенний и осенний переход через +5 °C – начало и конец вегетационного периода (ВП), через 10 °C – начало и конец периода активной вегетации (ПАВ), через 15 °C – начало и конец летнего периода (Лосев, 1994). Сумму эффективных температур (ЭТ) выше 5 °C определяли путем суммирования средних суточных температур воздуха, уменьшенных на значение биологического минимума 5 °C. Сумму активных температур (АТ) выше 10 °C определяли путем суммирования средних суточных температур воздуха за все дни между датами устойчивого перехода через 10 °C. Оценка условий увлажнения за период активной вегетации дана по значению гидротермического коэффициента (ГТК) увлажнения Г. Т. Селянинова: более 1,6 – избыточно влажные, 1,6–1,3 – влажные, 1,3–1,0 – слабо засушливые, 1,0–0,7 – засушливые, 0,7–0,4 – очень засушливые, менее 0,4 – сухие (Лосев, 1994; Лосев, Журина, 2001). Календарные даты были переведены в непрерывный числовой ряд с 1 марта (Зайцев, 1981). Статистическая обработка данных выполнена с использованием пакета анализа данных прикладной программы Microsoft Excel на 95-процентном уровне значимости. Ранние, средние и поздние сроки выделены по критерию х_ср.±σ.

Результаты и обсуждение

Даты перехода температуры воздуха через различные пределы характеризуют периоды подъема и спада температур, а также начало и конец периодов развития растений (Кельчевская, 1971). В таблице 1 приведены даты устойчивого перехода через различные пределы за 22-летний период исследования. В среднем начало весны (устойчивый переход среднесуточной температуры воздуха через 0 °C) приходилось на 29 марта, начало ВП (переход через 5 °C) – на 18 апреля, начало ПАВ (переход через 10 °C) – на 4 мая, начало метеорологического лета (переход через 15 °C) – на 29 мая. 

Для наглядности данные таблицы 1 отражены на рисунке 1.

Таблица 1. Даты устойчивого перехода среднесуточной температуры воздуха через температурные пределы в 2000–2021 гг.

Примечание: * – ранние даты, ** – поздние даты, без выделения – средние даты; полужирным шрифтом выделены лимиты.

Рисунок 1. Динамика изменения среднесуточной температуры в изученные годы. 

В 2008 году установлен самый ранний переход через 5 °C в сторону повышения и самый поздний – в сторону понижения. Также данный год характеризовался самым поздним началом метеорологической зимы (переходом через 0 °C). В 2020 году был отмечен самый ранний переход через 0 °C в сторону повышения и самый поздний переход через 5 °C, интервал между указанными датами составил 54 дня. В отдельные годы (2005 и 2008 гг.) данный интервал составлял 1 день, среднее значение за период исследования – 20 ± 2,9 дней. Самое раннее начало ПАВ было зафиксировано в 2012 году (16 апреля), когда данный период начался на следующий день после начала ВП. Подобное резкое потепление также было отмечено в 2009 и 2015 годах. Самый ранний переход температуры через 15 °C произошел в 2010 году (3 мая), через 2 дня после наступления перехода через 10 °C. Аналогичный интервал в 2 дня зафиксирован и в 2005 году. Самое позднее наступление лета было отмечено в 2003 году (22 июня).

Средняя многолетняя дата начала осени (перехода температуры через 15 °C) – 30 августа, окончания ПАВ (перехода через 10 °C) – 22 сентября, окончания ВП (перехода через 5 °C) – 14 октября, начало метеорологической зимы (переход через 0 °C) – 6 ноября. Самым ранним началом осени (6 августа) характеризовался 2002 год, самым поздним началом осени (15 сентября) – 2009 год. В 2021 году установлено самое раннее окончание ПАВ (4 сентября), в 2003 году – самое позднее окончание данного периода (8 октября). ВП в 2013 году закончился в самые ранние сроки (27 сентября). Наиболее позднее его окончание установлено в 2008 году (3 ноября), в этот год устойчивое снижение температуры ниже 0 °C произошло лишь 12 декабря.

Корреляционный анализ изученных сроков выявил наибольшую связь лишь между датами перехода температуры через 5 °C весной и 0 °C осенью (r=–0,39), а также через 5 °C осенью и 0 °C весной (r=–0,35), между остальными датами корреляция более слабая. Иными словами, чем раньше температура весной переходит через 0 °C, тем позднее осенью она переходит через 5 °C, и чем раньше весной переход через 5 °C, тем позднее осенью через 0 °C. Также установлена обратная корреляция интервалов между датами перехода через следующие температурные пределы. Весной, чем меньше разница между датами перехода через 0 °C и 5 °C, тем больше разница между 5 °C и 10 °C (r=–0,50). Осенью, чем меньше разница между датами перехода через 15 °C и 10 °C, тем больше между 10 °C и 5 °C (r=–0,58). То есть после более резкого изменения температуры следовало менее интенсивное ее изменение и наоборот.

Продолжительность периода с температурами выше определенных пределов характеризуют длительность вегетации растений. От продолжительности этого периода и обеспеченности теплом зависят рост и развитие видов растений (Кельчевская, 1971). В таблице 2 приведены значения продолжительности различных периодов в изученные годы. Среднее многолетнее значение продолжительности периода с положительной температурой составило 223 ± 3,7 дня, вегетационного периода – 179 ± 3,1 дней, периода активной вегетации – 142 ± 2,9 дня, метеорологического лета – 93 ± 3,2 дня.

Таблица 2. Продолжительность периодов вегетации в 2000–2021 гг.

Примечание: * – короткая продолжительность, ** – длительная продолжительность; полужирным шрифтом выделены лимиты.

 Наименьшей продолжительностью периода с положительной температурой и ВП характеризовался 2014 год (185 и 156 дней соответственно). Наиболее длительными указанные периоды были в 2008 году (263 и 223 дня). В 2000 году отмечен самый короткий ПАВ (117 дней), в 2012 году – самый длительный (161 день). Продолжительность метеорологического лета была наименьшей в 2002 году (56 дней), наибольшей – в 2010 году (119 дней).

Продолжительность лета коррелировала в большей степени с датами его начала (r=–0,80), чем с датами окончания (r=0,54). Чем раньше наступало лето, тем оно было более продолжительным. Продолжительность ПАВ одинаково зависела и от начала, и от окончания данного периода (r=–0,78 и r=0,77 соответственно). Сходная закономерность выявлена и у продолжительности ВП (r=–0,77 и 0,82).

В таблице 3 отражены суммы температур и осадков за различные периоды анализируемых лет. Средняя многолетняя сумма положительных температур составила 2759 °C, сумма ЭТ выше 5 °C – 1738 °C, сумма АТ выше 10 °C – 2334 °C, сумма осадков за ПАВ – 268 мм. Среднее многолетнее значение ГТК равно 1,2, что свидетельствует о слабо-засушливых условиях региона.

Таблица 3. Агроклиматические показатели в 2000–2021 гг.

Примечание: * – низкие значения, ** – высокие значения; полужирным шрифтом выделены лимиты.

Наименьшей обеспеченностью теплом характеризовался ВП 2017 года. При среднем количестве выпавших осадков в данный год условия увлажнения в ПАВ были избыточно влажными, ГТК был максимальным (1,85). Также высокие значения ГТК установлены в 2003, 2006, 2008 и 2020 годы. Наибольшей обеспеченностью теплом в период вегетации отличался 2010 год, он отнесен к группе с очень засушливыми условиями наряду с 2002 и 2016 годами. Аномально сухим было лето 2021 года, выпало аномально низкое количество осадков при аномальной высокой температуре. В течение 34 дней температура воздуха поднималась выше 30 °C. Значение ГТК за ПАВ 2021 года составило 0,14.

В годы наблюдений сумма положительных температур очень тесно коррелировала с суммой ЭТ 5 °C (r=0,96) и значительно – с суммой АТ 10 °C (r=0,69). В свою очередь данные суммы температур тесно коррелировали между собой (r=0,81). Чем больше сумма АТ, тем меньше интервал между датами осеннего перехода через 10 °C и 5 °C (r=–0,50), иными словами после более жаркого периода наступало более быстрое снижение температуры. Значения ГТК в большей степени коррелировали с суммой осадков (r=0,96), чем с суммой активных температур (r=–0,49).

Регрессионный анализ показал, что динамика суммы осадков и ГТК имеет нисходящий тренд, то есть существует тенденция изменения метеоусловий на более засушливые (рисунок 2). Построенные регрессионные модели статистически значимы (для суммы осадков Fфакт.=1,71 > Fкрит.=0,21, для ГТК Fфакт.=0,81 > Fкрит.=0,38). Достоверного изменения сумм эффективных и активных температур не выявлено (Fфакт. < Fкрит.).

Рисунок 2. Динамика суммы осадков и ГТК увлажнения за период активной вегетации.

Данные о метеорологических особенностях различных лет на территории БСИ используются сотрудниками, студентами и аспирантами ПГТУ для проведения научных исследований и подготовки публикаций в области изучения сезонного развития древесных и травянистых растений (Доронина, 1999; Разумников и др., 2009; Разумников, 2011; Лазарева, 2014; Мухаметова, Лазарева, 2014; Мухаметова, Куклина, 2018, 2019; Мухаметова и др., 2020; Сухарева и др., 2021; Окач и др., 2021), содержания биохимических соединений в плодах растений (Мухаметова, Скочилова, 2016; Мухаметова и др., 2017; Мухаметова, 2019; Мухаметова, Скочилова, 2020), показателей цветков и плодов (Мухаметова, 2013; Мухаметова, Акшикова, 2016; Мухаметова и др., 2021) и т.д.

Заключение

Таким образом, приведена характеристика метеоусловий теплого периода 22-х лет наблюдений с 2000 по 2021 годы для территории Ботанического сада-института. В ходе выполненной работы определены среднесуточные температуры и сумма атмосферных осадков, на основании которых рассчитаны агроклиматические показатели: даты устойчивого перехода среднесуточных температур через 0 °C, 5 °C, 10 °C, 15 °C, сумма эффективных и активных температур, продолжительность вегетационных периодов и периодов активной вегетации, ГТК Селянинова. Указаны отличительные особенности некоторых лет. Установлены следующие закономерности: после более резкого изменения температуры следовало менее интенсивное ее изменение и наоборот; летние периоды с ранними сроками наступления были более продолжительными; после более жаркого периода наступало более быстрое снижение температуры. Для региона характерны слабозасушливые условия в период активной вегетации и выявлена тенденция повышения засушливости метеорологический условий.

Благодарности

Исследование выполнено при финансовой поддержке Всероссийской общественной организации «Русское географическое общество», грант № 05_2021-И.

Литература