Климат и сельское хозяйство

Попытаемся в общем виде рассмотреть те представления, которые существуют при оценке влияния климата на основные стороны деятельности человека.

По‑видимому, ни один вид хозяйственной деятельности не подвержен влиянию климата в такой степени, как сельское хозяйство. Имеются основания предполагать, что эта зависимость сохраняется и обострится еще больше в будущем. В то же время по мере роста интенсификации сельскохозяйственного производства, что стало насущной необходимостью для человека, возрастает и обратное воздействие сельскохозяйственного производства на климат.

Таблица 5. Прирост населения в различных районах мира (на 1972 г.)*

* По данным Ambio, 1974, vol. 3, N 3/4, p. 109–113.

В табл. 5 приведены некоторые демографические данные, характеризующие географическое распределение населения земного шара. Очевидно, что проблема увеличения продовольственной, сырьевой, топливно‑энергетической базы, водоснабжения, промышленного производства и др. в связи с ростом населения становится первоочередной. При этом следует иметь в виду, что из нескольких миллионов видов растений лишь около 30 (более 10 млн. т продуктов в год) могут рассматриваться как источники продовольственной базы. Что касается животного мира, то здесь только 7 видов являются поставщиками более 0,5 млн. т мяса в год.

Основной продовольственной культурой, определяющей состояние продовольственной базы в целом, считается зерно. В настоящее время (по данным на 1977 г.) мировое производство его составляет 1319,7 млн. т в год.

Как следует из табл. 5, прирост населения в мире по данным на 1972 г. составил около 75 млн. человек в год. По скромным оценкам в среднем 1 т зерна достаточно для поддержания жизни трех человек. При этой норме прирост производства зерна может составить около 25 млн. т в год. Но по мере увеличения населения это число должно быть выше. Однако в ряде стран умеренного климата, где зерно – не только основная продовольственная культура для человека, но и кормовая культура для скота, норма потребления зерна в среднем на душу населения больше. Так, к примеру, в СССР она составляет около 1 т на человека (во многих странах, например Бангладеш и др., не более 170–180 кг на человека).

Считается, что для развитого общества норма потребления зерна должна составлять около 800 кг в год на человека. В этой связи и годовой прирост производства зерна на планируемое увеличение населения должен быть больше, следовательно, 25 млн. т в год – оценка по нижнему пределу.

Таблица 6. Общая характеристика производственного мирового потенциала

Обозначения:

ОПР – общая площадь суши, 10⁶ га;

ПСЗ – потенциальные сельскохозяйственные земли, 10⁶ га;

ППБИ – предполагаемая площадь производства без использования ирригации, 10⁶ га;

МПБИ – максимально возможное производство сухого вещества без ирригации, 10⁶ т/год;

ПОЗ – потенциально возможные для орошения сельскохозяйственные земли, 10⁶ га;

ПППП – предполагаемая площадь потенциального сельскохозяйственного производства с учетом ирригации, 10⁶ га;

МПИ – максимально возможное производство сухого вещества с учетом ирригации, 10⁶ т/год;

МПЗИ – эквивалент минимального производства зерна при освоении потенциальных земель с учетом ирригации (10⁶ т/год).

Процесс роста производства зерна может идти двумя путями: за счет освоения и распахивания новых земель, а также повышения урожайности. Потенциально возможности для этого существуют. Однако обеспечение роста продовольственной базы неминуемо сталкивается, с одной стороны, с зависимостью урожайности и общего производства от климата, с другой – с воздействием хозяйственной деятельности и самого процесса освоения новых земель и расширения производства на окружающую среду и климат.

В табл. 6 приведены данные Боринга, Ван Химмста и Сторинга, характеризующие производственный потенциал различных районов мира в пересчете на зерновой эквивалент с учетом качества почв, климатических условий и условий фотосинтеза.

Если считать, что в настоящее время производится 1,3 млрд. т зерна в год, то средняя урожайность должна составить 1 т/га. При таких условиях возможный дополнительный потенциал для увеличения сбора зерна в мире без роста урожайности составит за счет освоения новых земель около 1 млрд. т/год. Этого достаточно для того, чтобы обеспечить продовольствием дополнительно порядка 1–3 млрд. человек. Предполагаемый же рост населения существенно больше. По этой причине все пути увеличения урожайности должны быть приняты во внимание, включая и оптимальное использование климатического потенциала различных стран.

Однако по данным Всемирной организации по продовольствию (ФАО) ситуация в мире такова, что в ряде стран, особенно в освободившихся от колониального ига, да и в развитых капиталистических странах, имеет место недоедание. По данным этой организации нехватка продовольствия в мире составляет 230 млрд. кал. в год (37 млн. т пшеницы).

Для устранения недостатков в питании и обеспечения пищей растущего населения необходимо увеличить производство зерна уже не на 25, а на 65–70 млн. т в год или частично покрыть эту нехватку другими видами продовольствия, либо подняв урожайность этих видов культур, либо расширив пахотные земли. Если производство зерна будет увеличиваться не за счет повышения урожайности, а только за счет освоения новых территорий, то, во‑первых, этих мер может оказаться недостаточно, а во‑вторых, данный процесс может отразиться на характере подстилающей поверхности, газовом составе атмосферы, углеродном цикле, влагообороте и др.

Рис. 14. Мировое производство зерна за 1960–1977 гг. (по данным ФАО).

1 – фактические данные; 2 – линия тренда

Рассмотрим теперь урожайность и ее зависимость от климата. На рис. 14, 15 приведены данные ФАО о мировом производстве зерна и по группам стран. На фоне роста урожайности и общего производства зерна отчетливо видны некоторые «провалы» и «всплески», которые связаны в основном с климатическими условиями. Отмечаются и устойчивые урожаи, в меньшей мере зависящие от климатических условий. Таким образом, чтобы ответить на вопрос, насколько можно повысить урожайность и общее производство зерна в будущем, следует уверенно ответить на два вопроса:

достигла ли урожайность предельного уровня, и если нет, то как должна быть усовершенствована система сельского хозяйства в будущем для повышения урожайности;

был ли резкий рост урожайности в 50–60‑х годах результатом лишь повышения культуры производства и уровня организационной работы или он был частично связан с благоприятными климатическими условиями?

Первый вопрос скорее всего касается специалистов сельскохозяйственного производства. Не вдаваясь в его обсуждение, мы, однако, отметим, что за последние 100–200 лет урожайность в среднем возросла в 2–3 раза. Но энергозатраты за это время на производство 1 т зерна существенно возросли. По этой причине дальнейший рост урожайности не может не вызвать роста энергозатрат, а следовательно, и новой экологической нагрузки на окружающую среду.

Рис. 15. Характеристика годового производства зерна в странах мира (без СССР), по данным ФАО.

Таблица 7. Колебания мирового производства зерновых, млн. т

Второй вопрос требует внимания климатологов. Так, в литературе имеется указание на то, что более прохладные и более дождливые условия отмеченных двух десятилетий (50–60‑е годы) способствовали повышению средней урожайности зерновых, хотя и в эти годы были колебания урожайности (1964–1966 гг.). В связи с этим мероприятия по повышению урожайности должны планироваться с учетом возможных изменений климатических условий.

Годовые колебания производства зерновых культур, обусловленные колебаниями климата, могут составлять 1–10% и более по отношению к линии среднего тренда. Так, в период засухи 1972 г. мировые запасы зерна сократились на 33 млн. т. В целом неблагоприятные климатические условия способствовали уменьшению производства продовольствия в 1964–1966 и 1972–1974 гг.

Так, колебания климата серьезно сказываются на экономике стран умеренной зоны, которые, располагая половиной всех посевных площадей, производят около 2/3 мирового количества зерновых и на 75% обеспечивают экспорт пшеницы. Представления о междугодовых колебаниях производства зерновых дает табл. 7.

Как видим, именно на годы с неблагоприятными климатическими условиями падают отрицательные значения зернового баланса.

По данным таких зернопроизводящих стран, как Канада, США, СССР, Китай, Франция, Австралия, Аргентина, ФРГ, Великобритания и Испания, с 1960 по 1977 г. площадь посевов пшеницы возросла на 6,3%, а производства зерна – на 48%. Однако имеются основания предполагать, что, помимо совершенствования технологии производства, некоторую роль в повышении урожайности играли и климатические условия послевоенных лет и что наступивший период неустойчивости климата будет препятствовать этому росту.

Неслучайно поэтому некоторые специалисты в США считают, что в грядущем десятилетии научно‑технический «взрыв» в сельском хозяйстве произойдет не в области биологии и техники, а в области совершенствования путей получения и эффективного использования информации о климате, т. е. в области культуры земледелия, основанной на оптимальном использовании климатической информации.

Анализ колебаний урожая зерновых в 25 зернопроизводящих районах мира в 1950–1973 гг. показал, что раз в три года можно ожидать такие климатические условия, которые вызовут изменения в сборе мирового урожая более чем на 27 млн. т в год относительно линии тренда. В связи с этим определенный интерес представляет выполненный в США комплекс исследований, цель которого – рассмотреть вероятные сценарии климата до 2000 г., оценить зависимость производства зерна в основных зернопроизводящих странах мира от климата и в конечном итоге проанализировать последствия реализации того или иного сценария.

Первая задача решалась путем опроса ведущих экспертов‑климатологов мира о возможных изменениях климата к 2000 г. Было определено пять наиболее вероятных сценариев будущего климата: первый с вероятностью 0,1 предусматривает сильное похолодание климата с изменением средних температур до –1,4° С; второй с вероятностью 0,25 – умеренное похолодание климата с изменением средней температуры до –0,3° С; третий с вероятностью 0,3 – неизмененный климат или очень слабое (до 0,04° С) его потепление; четвертый с вероятностью 0,25 – умеренное потепление климата до 0,6° С; пятый с вероятностью 0,1 – сильное потепление климата до 1,8° С. Аналогичные оценки изменений температуры применительно к каждому сценарию эксперты дали и для различных субрегионов мира.

Другая группа экспертов в области сельскохозяйственного производства проанализировала, как те или иные комбинации отклонений суммы осадков и средних температур за вегетационный период от нормальных условий повлияют на урожай зерновых. Для 15 комбинаций «страна – вид зерна» были рассмотрены отклонения за базовый период от средних значений температуры, осадков (в %), урожая.

За базовый период принимали несколько десятилетий (от одного до шести), за которые для данной культуры и данной страны имелась необходимая информация. Если, к примеру, для отклонений температуры ΔT (°С) и осадков ΔR (%) эксперт определил урожайность 80% относительно лет со средними условиями погоды, он проставлял в анкете величину относительного урожая 80 и т.д. По этим данным были вычислены функции распределения, позволившие установить вероятность того или иного урожая p . В свою очередь, данному урожаю соответствует определенная комбинация ΔT и ΔR .

Рис. 16 иллюстрирует влияние отклонений температуры и осадков от средних значений для базового периода на урожай. Изолинии характеризуют урожайность в процентах от средней. Границы полигонов, имеющих неправильную форму, указывают на наиболее вероятные диапазоны изменений температуры и осадков для данных районов. Как видно из рисунков, вероятность попадания в данный интервал климатических условий составляет от 95 до 96%. Крестиками с цифрами отмечены максимальные урожаи в процентах от среднего. Так, например, для аргентинской кукурузы было отмечено два максимальных урожая (128%). Стрелками показаны величины среднеквадратических отклонений от средних значений (1σ) для ΔT и ΔR .

Из рисунка видно, что для большинства районов и диапазон изменений, и величина σ для осадков в относительных величинах больше, чем для температуры. Из этого следует, что сборы урожая в большей степени зависят от осадков, нежели от температуры.

Влияние климатических условий таково, что при экстремальных климатических условиях урожайность может падать от 50–60% от средних условий, а для некоторых случаев (аргентинская кукуруза) – до 45%. Максимальные урожаи достигают 113–145 и даже 156% (австралийская пшеница) от средних. В диапазоне отклонений климатических условий от средних значений урожайность может колебаться в пределах 10–20%.

В настоящее время существуют более эффективные методы оценок, основанные на использовании физико‑математических моделей «погода–урожай». Тем не менее приведенные оценки дают правильную качественную картину, характеризующую весьма сильную зависимость сельскохозяйственного производства от климатических условий. Так, для кукурузы в Аргентине и США переход к сценарию сильного похолодания вызовет увеличение урожайности на 7–8%, а к сценарию потепления климата – понижение урожая на 3–4%. Для риса в Индии и Китае любой сценарий (похолодание или потепление) дает незначительное понижение урожаев. Примерно такая же картина и для соевых бобов в Бразилии и США. Урожай яровой пшеницы в Канаде понизится примерно на 10% в случае резкого похолодания климата и увеличится на 6–7% при сильном потеплении. Для озимой пшеницы в Аргентине, Австралии, Индии и США картина получается обратная. Сценарии похолодания климата дают рост урожая до 3–5%, а потепления – такие же примерно падения урожаев. Соответственно эксперты оценили, что за счет повышения технологии производства урожаи кукурузы, риса и соевых бобов увеличатся к 2000 г. на 25–50%, а яровой и озимой пшеницы – на 11–40%.

Рис. 16. Зависимость урожайности от климатических условий (температура и осадки).

а – аргентинская кукуруза; б – австралийская пшеница

Из приведенных данных следует, что рост производства зерна благодаря повышению технологии производства существенно превзойдет возможные потери за счет самого неблагоприятного климатического сценария. Однако этого роста урожайности явно недостаточно, так как ожидается, что для большинства основных зернопроизводящих стран рост производства зерна за счет совершенствования технологии составит не более 23–30%, что в пересчете на зерно даст дополнительно всего около 300–400 млн. т зерна. Этого достаточно, чтобы прокормить около 1–1,5 млрд. человек (исходя из нормы не 800, а 300 кг на человека). Предполагаемое же увеличение населения земного шара будет существенно больше, порядка 3–4 млрд. человек.

В этой связи проблема оптимального использования климатического потенциала для повышения урожаев будет иметь решающее значение. К этому, однако, следует добавить, что на фоне изменения средних климатических условий, приводящих к колебаниям урожая в пределах 10–20%, влияние экстремальных климатических условий может превышать эту цифру в 2–3 раза и достигать 30‑50%.

При анализе текущего климата мы обратили внимание на увеличение повторяемости необычных климатических экстремумов. Анализ воздействия антропогенных факторов на климат, который проведен в следующем разделе, показывает, что вероятность появления климатических экстремумов возрастает.

Таблица 8. Изменчивость урожаев в 2000 г. для четырех сценариев климата

Обозначения:увеличение (+) и уменьшение (‑) изменчивости годового производства урожая относительно базового периода без учета изменения технологии; ++++(‑‑‑‑) – очень большие изменения, до 24% и более: +++(‑‑‑) большие изменения, в среднем 16–24%; ++(‑‑) – умеренные изменения, в среднем 8–16%; +(‑) – небольшие изменения.

Для иллюстрации в табл. 8 приводятся ожидаемые вариации в урожаях, которые могут быть вызваны климатической изменчивостью. Как видно, за счет климатической изменчивости колебания урожайности могут достичь не 6–9, а до 24%, т. е. быть сопоставимыми с ростом урожайности за счет повышения технологии производства.

В настоящее время на площади около 200 млн. га земель производятся ирригационные мероприятия, при этом достигаются устойчивые высокие урожаи. Так, в ряде стран Западной Европы урожайность зерна на поливных землях в 3–4 раза выше, чем на неполивных. Особое значение эти мероприятия имеют для тропиков и субтропиков, где распределение осадков неравномерно и очень высока интенсивность испарения, а период максимальной инсоляции часто совпадает с периодом минимальных осадков. Для иллюстрации можно сослаться на исследования, проведенные в Индии. Колебания урожайности сельскохозяйственных культур здесь большей частью объясняются климатом. Однако ирригация может ослабить это влияние. Так, с 1915 по 1955 г. в Индии рос урожай пшеницы с 0,6 до 1,4 т/га. До 1940 г. увеличивалось и количество осадков. Но после 1940 г. оно стало резко уменьшаться, а урожайность тем не менее продолжала расти, что объясняется мерами, принятыми в области ирригации.

Как известно, на урожаи влияют и вредители. Ряд голодных лет был связан с эпидемиями. Так, голод в Ирландии в 1840 г. вызван эпидемией картофельной гнили. Потери пшеницы в США в 1917 г. явились результатом эпидемии стеблевой ржавчины. Голод в Бенгалии (Индия) в 1943 г. был связан с болезнью риса (коричневые пятна). В середине 40‑х годов в США из‑за грибка, вызывающего викторианскую болезнь растений, погиб овес. В 1970–1971 гг. по всей территории США распространилась эпидемия кукурузной болезни. Установлено, что большинство из этих эпидемий зависит от климатических условий, так как возбудители болезней могут размножаться и развиваться при определенных климатических условиях.

Климатические условия влияют на продуктивность животноводства, причем последствия многих климатических аномалий (например, засух) сказываются на животноводстве спустя несколько лет.

Все это вместе взятое еще более обостряет проблему взаимодействия климата и сельскохозяйственного производства и делает ее все более актуальной, а затраты на изучение климата – рентабельными.