
Тип работы:	Предмет:	Язык работы:

Современные тенденции и прогноз агроклиматических условий и эволюции почв Верхнего Поволжья

Работа №	141118
Тип работы	Магистерская диссертация
Предмет	гидрология
Объем работы	65
Год сдачи	2023
Стоимость	4870 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено	29

Не подходит работа?

Узнай цену на написание

Содержание

Введение 3
Глава 1 Анализ теоретических аспектов формирования агроклиматических условий и свойств почвенного покрова 8
1.1 Агроклиматические условия и их особенности для территории Верхней Волги 8
1.2 Процессы почвообразования и особенности современной эволюции почв 13
Глава 2 Используемые методы и данные 19
Глава 3. Результаты исследования и их анализ 23
3.1. Анализ средних многолетних значений агроклиматических параметров. 23
3.2. Анализ средних многолетних значений характеристик почв 25
3.3 Анализ современной динамики агроклиматических условий и эволюции почв 29
Глава 4 Анализ воздействия внешних факторов на эволюцию почв 33
4.1 Оценка влияния внешних факторов на эволюцию почв с использованием метода главных компонентов 33
4.2 Оценка влияния внешних факторов на эволюцию почв с использованием других методов снижения размерности 38
Глава 5 Предстоящие изменения агроклимата и почв 43
5.1 Применение ансамбля МОЦАО для прогноза агроклиматических условий на середину XXI века 43
5.2 Прогноз агроклиматических условий 48
5.3 Прогноз эволюции почв 52
Заключение 55
Список использованной литературы 57
Приложение A 61
Приложение Б 64

Введение

Современные изменения климата являются частью изменения окружающей среды под влиянием антропогенного воздействия. Тесная связь между физическими процессами в атмосфере и на подстилающей поверхности приводит к изменению не только термического режима и гидрологического цикла при глобальном потеплении, но и других компонентов окружающей среды, таких как почвенный покров. Эти изменения формируют новые тенденции климата почв. Важно подчеркнуть, что современные изменения климата неоднородны в географическом аспекте и имеют выраженные региональные особенности (IPCC, 2021; Шерстюков, 2008), в том числе и в районе исследования – Верхнего Поволжья.
Длительность почвообразовательного процесса не позволяет надеяться на отклик почв на короткопериодные изменения климата, тем более что этот вопрос до недавнего времени не входил в область практического изучения почвоведами. Однако увеличение термических ресурсов и/или изменение характера увлажнения (или совокупное влияние этих факторов) оказывают существенное влияние на почвенное плодородие. В частности, это касается ряда таких важных почвенных процессов, как скорость биохимических реакций, продуктивность фотосинтеза, подвижность питательных элементов в почве. Климат почвы всегда был в центре внимания агроклиматологии и почвоведения, а на фоне прогресса глобального потепления интерес получил новую направленность.
Актуальность исследования определяется необходимостью оценить направление процессов в почвах при современных изменениях агроклиматических условий, поскольку возможны два основных последствия эволюции почв – деградация агропочв и проградационные процессы (увеличение плодородия), что имеет большое экологическое и экономическое значение в соответствии с Климатической доктриной Российской Федерации (Распоряжение Президента РФ от 17.12.2009 N 861-рп).
Цель исследования – отклик свойств почв на изменение агроклиматических характеристик на фоне современного и прогнозируемого на середину столетия масштаба глобального потепления.
Научная новизна исследования – впервые для региона Верхней Волги выполнены детальные оценки агроклиматических характеристик, морфологических и химических свойств залежных земель и составлен прогноз изменения свойств почв на перспективу нескольких десятилетий на основе различных траекторий моделей общей циркуляции атмосферы и океана (МОЦАО). Впервые предложена модель эволюционных изменений свойств почв «Эволюция агропочвы» на основе концепции эмпирико-статистических связей в системе «климат–почвенное плодородие». Климатические характеристики, показавшие надежные эмпирические связи с параметрами почв, могут быть использованы как входные параметры при прогнозе на 2040–2060 гг. с помощью ансамбля моделей.
Исследования состояния и динамики агроклиматических условий и эволюции почв важны для функционирования сельского хозяйства – одного из важнейших отраслей экономики. Эффективность сельского хозяйства в значительной степени зависит от продуктивности агроценозов. (Миркин и Хазиахметов, 2000). Продуктивность агроценозов же во многом зависит от местных агроклиматических условий (Шашко, 1985), а также от свойств местных почв (Добровольский и Никитин, 1990).
Агроклиматические и почвенные условия не являются статичными и меняются под воздействием природных и антропогенных факторов (Павлова и Сиротенко, 2012). Более того, в связи с развитием человечества и мировой экономики, количество и суммарная воздействующая мощь антропогенных факторов постоянно увеличивается, что может ещё сильнее повлиять на скорость изменения агроклиматических условий, а также на динамику протекания процессов, происходящих в почвах (Александровский, 2015).
Результат изменений агроклиматических и почвенных ресурсов, может оказать значительное комплексное воздействие на биосферу, а также на мировую экономику (FAO, 2021). Изменение климата привело к необходимости принятия мер по адаптации к новым условиям, в том числе изменение методов ведения сельского хозяйства, новых агрохозяйственных технологий и приёмов, а также принятия дополнительных мер и денежных вложений (IPCC, 2022а).
В качестве географического объекта исследования выбран регион Верхней Волги, что связано с наличием уникальных почвенных данных для этого региона за последние 40 лет, собранных учеными кафедры почвоведения СПбГУ (Попов А.И и др., 2020; Русаков А.В и др., 2022а; Русаков А.В. и др., 2022б). Кроме того, земли данной территории являются одними из самых перспективных в России для возвращения в активный сельскохозяйственный оборот (Кирейчева и др., 2021).
Объектом исследования являются агроклиматические условия, их изменения и прогноз, а также климатообусловленные свойства почв и их эволюция.
Предметом исследования являются причинно-следственные связи в системе агроклимат-почвы.
В данной работе были поставлены следующие задачи:
1. Изучение теоретических аспектов изменения агроклиматических условий, как причины современной эволюции почв.
2. Сбор данных по метеорологическим и почвенных характеристикам.
3. Выявление и анализ современных тенденций изменения агроклиматических ресурсов и эволюции почв на территории исследования.
4. Определение статистических связей в системе климат – агроклимат – почвы.
5. На основе полученных статистических связей, разработать модель линейной регрессии, определяющую основные параметры зависимости почвенных характеристик от климата и других факторов.
6. Анализ современных сценариев (траекторий) развития общества, используемых в моделях общей циркуляции атмосферы и океана (МОЦАО).
7. На основе сценарных прогнозов МОЦАО и статистической модели «климат-почвы» рассчитать прогноз агроклиматических условий и эволюции почв к 2060 году.
В работе применялись методы анализа, статистическо-математического моделирования, сравнения и синтеза данных. Основные расчёты проводились при помощи языков программирования R и Python.
По результатам исследовательской работы было опубликовано 3 статьи.
Структура работы состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и двух приложений.

Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь студентам в написании работ!

ДИПЛОМНЫЕ МАГИСТЕРСКИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Курсовые Статьи Диплом Рязань

Заключение

В ходе работы были установлены и объяснены причины, которые обуславливают современные изменения агроклиматических условий и эволюции почв на территории Верхнего Поволжья, а также был дан прогноз их дальнейших изменений. Эволюция почв в большинстве случаев вызывается изменением одного или нескольких факторов почвообразования, однако во внутривековом масштабе современного потепления, наиболее важными факторами эволюции почв являются изменение климата и биоты. Впервые предложена концепция потенциального воздействия глобального потепления на агроресурсы современных пахотных и постагрогенных почв на основе агроклиматических индексов. Кроме того, впервые для данного региона расчетные значения климатических параметров были строго привязаны к координатам почвенных разрезов методом интерполяции, что позволило существенно повысить достоверность оценки связей в системе «климат – почва».
Результаты исследования были опубликованы в двух статьях с участием автора настоящей работы (Евстигнеев и др., 2021; Лемешко и др., 2022).
Исследование влияния изменения агроклиматического режима на характеристики почв Верхнего Поволжья позволило сделать следующие выводы:
– изменения агроклиматических условий за последние 30 лет характеризуются увеличением теплообеспеченности в связи с увеличением средней годовой температуры воздуха на 1,0-1,3°С; суммы температур воздуха вегетационного периода (выше +10°С) – на 140-210°С;
– для большей части территории отмечается уменьшение влагообеспеченности, годовая сумма атмосферных осадков изменилась на –60-+30 мм;
– комплексные показатели, такие как ГТК (гидротермический коэффициент) показали, что основной вклад в изменение агроклимата вносит режим температуры, тогда как вклад изменения атмосферных осадков невелик, что приводит к уменьшению влагообеспеченности территории;
– изменение климата для Верхнего Поволжья имеют значительные региональные черты: на юго-западе имеется тенденция к увеличению тепла и уменьшения влаги; на северо-западе - тенденция к увеличению теплообеспеченности, но увеличение влагообеспеченности;
– вследствие изменений агроклиматических условий за последние 30 лет увеличилось содержание мезо- и микроэлементов, таких как калий, натрий, кальций, магний, железо;
– отмечается увеличение содержания органического углерода и азота (на 15 из 26 почвенных разрезах).
В работе впервые составлен прогноз агроклиматических условий и эволюции почв на середину XXI века на основе МОЦАО для Верхнего Поволжья, который показал, что:
– обеспеченность термическими ресурсами будет увеличиваться: аномалия средней годовой температуры воздуха составит +1,0-+2,8°С (здесь и далее по 2 и 3 квартилю) относительно 1961-1990 гг, аномалия годовой суммы температур воздуха выше +10°С составит +500-+850°С;
– годовые суммы осадков существенно не изменятся;
– влагообобеспеченность по гидротермическому коэффициенту уменьшится на –0,30-0,55, что приведет к увеличению засушливости региона;
– к 2060 году ожидается увеличение содержания почвенных микроэлементов и веществ: железа в виде оксида на 0,2-1,0% относительно всей массы почвы, K2O– на 0,05-0,26%, Na2O – на 0,02-0,33%, CaO – на 0,02-0,16%,MgO – на 0,03-0,11%;
– также к 2060 году изменится содержание почвенного органического углерода на –0,12-+0,46% от общей массы почвы и почвенного азота на –0,01-+0,05%;
– прогнозируемые эволюционные процессы на фоне изменения агроклимата приведут к трансформации дерново-подзолистых почв в палево-дерново-подзолистые и серые лесные почвы, характерные для более южных территорий.
Методический подход для прогноза предстоящих агроклиматических условий был опубликован в статье с участием автора работы (Лемешко и др., 2021)
Полученные прогнозные оценки агроклиматических условий и химического состава почв позволяют заключить, что возврат земель залежей в пашню на фоне прогресса глобального потепления приведет к увеличению продуктивности агроценозов, что благоприятно скажется на перспективах развития сельского хозяйства на данной территории. Прогноз агроклиматических условий и эволюции почв составит основу адаптации сельского хозяйства к изменениям климата.

Литература

1. Александровский А.Л. Антропогенная эволюция почв. В кн.: Эволюция почв и почвенного покрова. Теория, разнообразие природной эволюции и антропогенных трансформаций почв. – М.: ГЕОС, 2015, С. 774-786.
2. Алпатьев А.М. Влагооборот культурных растений. – Л.: Гидрометеоиздат, 1954. – 248 с.
3. Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и её окружения. – М.: Наука, 1965. – 374 с.
4. Добровольский Г.В., Никитин Е.Д. Функции почв в биосфере и экосистемах – М.: Наука, 1990. – 261 с.
5. Докучаев В.В. О Почвоведении [Лекции, чит. статистическому персоналу Полтавского губ. земства] // Лекции проф. В. В. Докучаева и А .В. Фортунатова. Полтава: Экон. бюро Полтавск. губ.земства, 1901. – 118 с.
6. Дьяконов К.Н., Ретеюм А.Ю. Местный климат Рыбинского водохранилища // Изв. АН СССР. Серия географическая, №4, 1964, С. 23-35.
7. Евстигнеев В.П., Морозов А.П. Оценка перспектив использования данных МОЦАиО для исследования климата европейской территории России //Экологическая деятельность и экологическое просвещение: региональный аспект: материалы Всерос. науч. конф., 16 дек. 2020 г. / отв. ред. Л. М. Кобрина. – СПб.: ЛГУ им. А.С. Пушкина, 2020. – с. 50-54
8. Жилин М.Г. Финальный палеолит Ярославского Поволжья. – М.: ИА РАН, 2007. – 142 с.
9. Замолодчиков Д.Г., Краев Г.Н. Влияние изменений климата на леса России: зафиксированные воздействия и прогнозные оценки // Устойчивое лесопользование, №4(48), 2016, С. 23-31.
10. Зонн С.В. Развитие, саморазвитие и (или) эволюция почв // Биологические науки, №9, 1987, С. 38.
11. Иванов Н.Н. Ландшафтно-климатические зоны земного шара. В кн.: Записки ВГО, новая серия. Т. 1. М. – Л.: Изд-во АН СССР, 1948. – 223 с.
12. Кирейчева Л.В., Шевченко В.А., Юрченко И.Ф. Оценка ресурсного потенциала агропроизводства для ввода в сельскохозяйственный оборот неиспользованных земель Нечерноземной зоны Российской Федерации // МСХ, т. 64, №2(380), 2021, С. 25-29.
13. Лархер В. Экология растений. – М.: Мир, 1978. – 384 с.
14. Лосев А.П. Практикум по агрометеорологическому обеспечению растениеводства. – СПб.: Гидрометеоиздат, 1994. – 244 с.
15. Миркин, Б. М., Хазиахметов, Р. М. Управление функцией агроэкосистемы: стратегия, тактика, ограничения, роль самоорганизации // Известия Самарского научного центра Российской академии наук, №2, 2000, С. 300-305.
16. Павлова В.Н., Сиротенко О.Д. Наблюдаемые изменения климата и динамика продуктивности сельского хозяйства России // Труды Главной геофизической обсерватории, вып. 565, 2012, С. 132-151
17. Полевой А.Н. Теория и расчёт продуктивности сельскохозяйственных культур. – Л.: Гидрометеоиздат, 1983. – 175 с.
18. Попов А.И., Русаков А.И., Симонова Ю.В., Цивка К.И. Оценочные и диагностические показатели качественного состава органического вещества постагрогенных почв Ярославского поволжья на фоне современных изменений климата. В сборнике материалов международной научно-практической конференции «Деградация земель и опустынивание: проблемы устойчивого природопользования и адаптации». – М.: изд. ООО «МАКС Пресс», 2020, С. 169-175.
19. Распоряжение Президента РФ от 17.12.2009 N 861-рп "О Климатической доктрине Российской Федерации".
20. Русаков А.В., Лебедева М.П., Симонова Ю.В. Тренды изменений почв под многолетними залежами Ярославского Поволжья в постсоветский период на основе их иерархической морфологической диагностики. // Динамика экосистем в голоцене. Сборник статей по материалам всероссийской научной конференции, Санкт-Петербург, 17–21 октября 2022 года / отв.ред. Д. А. Субетто. –Санкт-Петербург: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена, 2022(а), С. 334-339.
21. Русаков А.В, Попов А.И., Симонова Ю.В., Рюмин А.Г., Мирин Д.М. Изменение структурного состояния и некоторых свойств почв разновозрастных залежей Ярославского Поволжья в контексте оценки земельных ресурсов региона// Использование и охрана природных ресурсов в России,№3(171),2022(б),С.32-43
22. Селянинов Г.Т. О сельскохозяйственной оценке климата // Труды по с.-х. метеорологии, вып. 20, 1928, С. 169-178.
23. Третий оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации / под ред. В. М. Катцова; Росгидромет. – Санкт-Петербург: Наукоемкие технологии, 2022. – 676 с.
24. Тооминг Х.Г. Экологические принципы максимальной продуктивности посевов. – Л.: Гидрометеоиздат, 1984. – 264 с.
25. Шашко Д.И. Агроклиматическое районирование СССР.–М.: Колос, 1967. –336 с.
26. Шашко Д.И. Агроклиматические ресурсы СССР. – Л.: Гидрометеоиздат, 1985. – 249 с.
27. Шерстюков Б.Г. Региональные и сезонные закономерности изменений современного климата. – Обнинск: Изд-во ВНИИГМИ-МЦД, 2008. – 302 с.
28. S. Bernhard, A. Smola, K.-R. Müller, 1997. Kernel principal component analysis. International conference on artificial neural networks. Springer, Berlin, Heidelberg.
29. European Centre for Medium-Range Weather Forecasts. 2019, updated yearly. ERA5 Reanalysis (Monthly Mean 0.25 Degree Latitude-Longitude Grid). Research Data Archive at the National Center for Atmospheric Research, Computational and Information Systems Laboratory. Accessed 02.08.2022.
30. European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, 2022. ERA5 monthly mean back extension 1950-1978 (Preliminary version). Research Data Archive at the National Center for Atmospheric Research, Computational and Information Systems Laboratory. Accessed 02.08.2022.
31. FAO, 2021. The State of the World’s Land and Water Resources for Food and Agriculture – Systems at breaking point. Synthesis report 2021. Rome. 82 pp.
32. IPCC, 2021. Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[Masson-Delmotte, V., P. Zhai, A. Pirani, S.L. Connors, C. Péan, S. Berger, N. Caud, Y. Chen, L. Goldfarb, M.I. Gomis, M. Huang, K. Leitzell, E. Lonnoy, J.B.R. Matthews, T.K. Maycock, T. Waterfield, O. Yelekçi, R. Yu, and B. Zhu (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. 2391 pp.
33. IPCC, 2022a. Climate Change 2022: Impacts, Adaptation, and Vulnerability. Contribution of Working Group II to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [H.-O. Pörtner, D.C. Roberts, M. Tignor, E.S. Poloczanska, K. Mintenbeck, A. Alegría, M. Craig, S. Langsdorf, S. Löschke, V. Möller, A. Okem, B. Rama (eds.)]. Cambridge University Press. Cambridge University Press, Cambridge, UK and New York, NY, USA, 3056 pp.
34. IPCC, 2022б: Climate Change 2022: Mitigation of Climate Change. Contribution of Working Group III to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [P.R. Shukla, J. Skea, R. Slade, A. Al Khourdajie, R. van Diemen, D. McCollum, M. Pathak, S. Some, P. Vyas, R. Fradera, M. Belkacemi, A. Hasija, G. Lisboa, S. Luz, J. Malley, (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, UK and New York, NY, USA. 2029 pp.
35. M.A. Kramer, 1991. Nonlinear principal component analysis using autoassociative neural networks. AIChEJournal. 37 (2): 233–243.
36. K. Riahi, D. van Vuuren, E. Kriegler, J. Edmonds; B. O’Neill, S. Fujimori, N. Bauer, K. Calvin; R. Dellink; O. Fricko; W. Lutz, 2017. "The Shared Socioeconomic Pathways and their energy, land use, and greenhouse gas emissions implications: An overview". GlobalEnvironmentalChange. 42: 153–168.
37. J.B. Tenenbaum, V. De Silva, J.C. Langford, 2000. A global geometric framework for nonlinear dimensionality reduction. Science 290 (5500).
Опубликованные статьи
1. Евстигнеев В.П., Русаков А.В., Симонова Ю.В., Морозов А.П. Изменение агроклиматических показателей на фоне глобального потепления. Проблемы и состояние почв городских и лесных экосистем //Материалы научно-практической конференции/Под ред. Б.В.Бабикова, А.А.Яковлева. – Санкт-Петербург: СПбГЛТУ, 2021, С. 53-55.
2. Лемешко Н.А., Евстигнеев В.П., Морозов А.П., Русаков А.В. Применимость данных МОЦАО для оценки агроклиматических условий отдельных территорий// Системы контроля окружающей среды, вып. 45, №3, 2021, С. 23-30
3. Лемешко, Н.А., Евстигнеев, В.П., Русаков, А.В., Симонова, Ю.В., Морозов, А. П., 2022. Современные изменения агроклиматических ресурсов и их прогноз для территории Ярославского Поволжья // Динамика экосистем в голоцене. Субетто, Д. (ред.). Санкт-Петербург: Издательство РГПУ им. А.И. Герцена, 2022, С. 267-271.