Экологическая реакция озимой пшеницы на изменение условий внешней среды в северной части Донецкого кряжа

Введение. Климатические изменения в мире вызвали повсеместный и быстрый рост стоимости продуктов питания. По результатам экспертной оценки специалистов ФАО ООН, происходит ухудшение ситуации и распространение голода в большинстве стран.

Недостаточная информированность специалистов сельского хозяйства о величине влияния абиотических факторов на продуктивность культурных фитоценозов, игнорирование возможностей моделирования привели к тому, что практическая реализация адаптации сельскохозяйственного производства к условиям глобального изменения климата в большинстве случаев не выполняется.

Цель исследований. Установление объективной зависимости между климатическими факторами и продуктивностью озимой пшеницы в северной части Донецкого кряжа.

Методы исследований. За период исследований в агрокомплексе «Колос» выращивались различные сорта озимой пшеницы: Антоновка, Дриада-1, Одесская 267 и Селянка.

Для анализа связей между переменными – урожайностью озимой пшеницы и независимы- ми переменными (среднемесячной температурой воздуха и количеством осадков) – применяли методы математического моделирования и математическо-статистического анализа, обработку данных проводили на ПК в системе «STATISTICA 10» [1].

Результаты исследований и их обсуждение. Влияние погодных и климатических факторов на урожайность полевых культур изучалось многими исследователями [ 5-8 ] .

В ходе исследований нами были проанализированы статистические данные урожайности озимой пшеницы в учебно-научно-производственном аграрном комплексе (УНПАК) Луганского государственного аграрного университета (ЛГАУ) «Колос» в период с 1995 по 2019 г. (исключение – 2014 г.) и данные Центра гидрометеорологии МЧС ЛНР с 1838 по 2019 г. [ 3 ] . Вначале сравнивали показатели осадков и температуры за долгосрочный период. Значения среднегодовой температуры воздуха и суммы осадков за год изучались два периода: 1838– 1994 и 1995–2019 гг. (табл. 1).

Таблица 1

Динамика среднегодовой температуры воздуха и суммы осадков

Фактор	Годы		+/-	%
	1838–1994	1995–2019
Среднегодовая температура, °С	7,9	9,6	+1,7	21,5
Сумма осадков, мм	419,4	508,7	+89,3	21,3

В сравнении с первым периодом (1838– 1994 гг.) во втором периоде (1995–2019 гг.), т.е. за 25 лет, заметно повысилась среднегодовая температура воздуха – на 1,7 °С, или на 21,5 %, и увеличилась среднегодовая сумма осадков на 89,3 мм, что составляет 21,3 %. Мы являемся свидетелями того, какими стремительными темпами изменяются показатели внешней среды, при этом сохраняется вероятность снижения температуры и уменьшения количества осадков в будущем.

Для установления зависимости продуктивности озимой пшеницы от агроэкологических факторов (осадков и температуры воздуха) определяли статистические параметры распределения значений урожайности. Средняя урожайность озимой пшеницы составляла 25,95 ц/га, значение коэффициента вариации – 41,5, что свидетельствует о сильной изменчивости урожайности. Размах изменчивости – от 8,9 до 50,1 ц/га (табл. 2).

Основная статистика урожайности озимой пшеницы

Таблица 2

Средняя урожайность, ц/га	Размах изменчивости	Стандартное отклонение	Коэффициент
			вариации, %	эксцесса	асимметрии
25,95	8,9–50,1	10,76	41,5	1,0	0,4

Стандартное отклонение показывает величину отклонения тестового показателя от своего многолетнего значения, в данном случае оно составляет 10,76. Значения коэффициентов эксцесса и асимметрии невелики и незначимы, что позволяет рассматривать данное распределение как нормальное.

Для построения адекватной модели зависимости урожайности озимой пшеницы подбирали независимые переменные – значения количества осадков за месяц и среднемесячной температуры воздуха. Основные требования к модели: высокие значения коэффициентов множественной корреляции и детерминации (количественные показатели), а также надежность связи или значимость (р-уровень) (качественный показатель связи между переменными) [4, 12]. Результаты парной корреляции урожайности озимой пшеницы от 10 независимых переменных – среднемесячной температуры октября, ноября, марта, апреля и мая (х1-х5) и ежемесячного количества осадков августа, сентября, апреля, мая и июня (х6-х10) – представлены в таблице 3.

Наблюдалась отрицательная парная корреляция между зависимой переменной и температурой воздуха октября, апреля, мая и положительная корреляция в ноябре и марте. Установлена максимально значимая связь между зависимой переменной и осадками сентября r ≥ 0,67 при р = 0,001, это означает, что за промежуток времени, равный 24 годам, урожайность озимой пшеницы сильнее всего зависела от количества выпавших осадков в сентябре – месяце посева этой важной продовольственной культуры.

Таблица 3

Переменные (х 1 -х 5 )	Коэффициент		Переменные (х 6 - х 10 )	Коэффициент
	парной корреляции	регрессии		парной корреляции	регрессии
Температура воздуха, °С			Осадки, мм
1) октябрь	-0,03	3,8344	6) август	0,33	0,1136
2) ноябрь	0,17	1,4620	7) сентябрь	0,67*	0,3011
3) март	0,22	1,6064	8) апрель	0,08	-0,0106
4) апрель	-0,20	2,8496	9) май	0,05	0,1470
5) май	-0,17	0,4315	10) июнь	-0,02	0,1234

* Значим при р = 0,001.

Результаты парной корреляции и множественной регрессии урожайности озимой пшеницы с температурой и осадками

Следует отметить, что выпадение осадков в сентябре очень сильно изменяется по годам – от 1 мм в 1998 г. до 142 мм в 2001 г., коэффициент вариации превышает 79 %. Высокая из- менчивость выпадения осадков в месяц посева является ключевым фактором, определяющим уровень урожайности озимой пшеницы в степных условиях северной части Донецкого кряжа.

Для вычисления теоретических значений урожайности подставляли в уравнение соответствующие значения. Уравнение имеет вид: у=а 0 +а 1 х 1 +а 2 х 2 +…+а 10 х 10 , где у – урожайность озимой пшеницы (зависимая переменная); а 0 – свободный член в уравнении регрессии; а 1 , ..., а 10 – параметры (коэффициенты) уравнения регрессии (табл. 3), начиная с а 1 (для температуры октября) и до a 10 (для суммы осадков за июнь); х 1 –х 5 – температура за соответствующие месяцы; х 6 –х 10 – осадки за соответствующие месяцы. Свободный член (от англ. «Intercept», а 0) в уравнении равен минус 83,5151.

Теоретическая урожайность в 2019 г. составила 23,9 ц/га, фактическое значение урожайности – 18,1 ц/га, отклонение составляет -5,8 ц/га (рис.).

Наибольшее отклонение фактического значения от теоретического в отрицательном направлении было в 2000 г. (-8,9 ц/га), в положительном – в 2007 г. (9,1 ц/га). Самая низкая фактическая урожайность отмечена в 2000 г.: 8,9 ц/га, наиболее высокая в 2002 – 50,1 ц/га. Максимальная теоретическая или предсказанная (от англ. «рredicted») урожайность на основании модели в 1997 г. составила 48,6 ц/га, минимальная – 16,3 ц/га в 2018 г.

Временные ряды эмпирических и теоретических значений урожайности озимой пшеницы

Вместе с тем наблюдается тенденция снижения урожайности тестовой культуры (линия тренда) в условиях изменения внешней среды, аналогичные изменения замечены в Европе [2]. При этом увеличение выпадения количества осадков должно сопровождаться ростом урожайности. Причинами снижения урожайности в степной зоне могут быть: непродуктивное увеличение выпадения осадков в зимние месяцы на фоне повышения годовой суммы осадков, повышение температуры атмосферного возду- ха, неадаптированные к изменению климата сорта культурных растений, сроки посева, агротехника и др.

В таблице 4 представлены коэффициенты множественной линейной корреляции и детерминации изменчивости продуктивности озимой пшеницы в УНПАК «Колос». Наблюдаются высокие значения коэффициентов множественной корреляции и детерминации: R=0,8685 и R2=75,4; вероятность ошибки составляет 0,01 %.

Таблица 4

Культура	Количество независимых переменных в модели	Коэффициенты множественной		Вероятность ошибки (р-уровень)
		корреляции (R)	детерминации (R2), %
Пшеница озимая	10	0,8685	75,4	0,01

Результаты множественного корреляционно-регрессионного анализа изменчивости урожайности озимой пшеницы

Результаты исследований хорошо согласуются с предыдущими выводами о влиянии климатообразующих факторов на урожайность полевых культур в северной части Донецкого кряжа [ 9-11 ] .

Выводы

• 1.    За прошедшие 25 лет произошло заметное повышение среднегодовой температуры воздуха на 1,7 °С, или на 21,5 %, и увеличение среднегодовой суммы осадков на 89,3 мм, что составляет 21,3 %.

• 2.    Установлена максимально значимая связь между урожайностью озимой пшеницы и осадками сентября: r ≥ 0,67 при р = 0,001.

• 3.    Детерминация урожайности озимой пшеницы с осадками и температурой составляет 75,4 % (р = 0,01). Свыше 75 % изменчивости урожайности озимой пшеницы в годы исследований определяются осадками и температурой воздуха.