О возможности прогнозирования урожайности озимой пшеницы в Среднем Поволжье на основе комплексирования наземных и спутниковых данных

В последние десятилетия в условиях значительного сокращения полевых агрометеорологических наблюдений сети гидрометстанций на производственных посевах информация о состоянии сельскохозяйственных культур на больших площадях является недостаточно полной. В связи с этим с начала 2000-х годов многие исследователи обратились к проблеме использования данных дистанционного зондирования для оценки состояния сельскохозяйственных культур и прогнозирования урожайности. При этом, как показывает практика и запросы потребителей агрометеорологической информации, особенно важным является прогнозирование урожайности зерновых культур, как основы продовольственной безопасности страны в целом или отдельных регионов. Такие прогнозы актуальны не только в годы, когда из-за неблагоприятных погодных условий ожидается значительный недобор урожая и использование прогнозов позволяет организовать превентивные мероприятия по минимизации ущерба (например, своевременной закупки зерна), но и в благоприятные годы – для определения возможных объемов экспорта зерна и рынков сбыта.
Возможность использования спутниковых данных в имеющихся регрессионных физико-статистических и динамико-статистических моделях прогнозирования урожайности появилась при возросшем уровне открытости доступа к этим данным. При этом большое значение имеют основополагающие разработки, связанные с созданием методов анализа спутниковых данных и технологий построения новых информационных систем агромониторинга, обеспечивших возможности регулярного получения однородной и объективной информации о состоянии растительности на больших площадях – на уровне страны, субъекта и региона. К такого рода системам относится, в частности, разработанный в ИКИ РАН специализированный спутниковый веб-сервис ВЕГА (http://pro-vega.ru).
Совместные исследования специалистов Гидрометцентра России и ИКИ РАН, основанные на использовании многолетних рядов метеорологических данных наземных наблюдений гидрометстанций и спутниковой информации (нормализованного разностного вегетационного индекса - NDVI, предоставляемого сервисом ВЕГА за исторический период с 2003 года и регулярно обновляемых текущих данных измерений), показали реальную возможность и эффективность использования приема комплексирования этих данных не только для оценки состояния озимых зерновых культур по декадам вегетации в осенний период, но и для разработки нового способа расчета количественной оценки площадей озимых, находящихся в плохом состоянии осенью к моменту прекращения вегетации.
Для решения наиболее важной в современных условиях проблемы прогнозирования урожайности зерновых культур, в частности, озимой пшеницы, одной из основных культур в Приволжском федеральном округе, в настоящей работе был применен указанный выше подход комплексирования наземных и спутниковых данных. Исследования проводились по территории субъектов Среднего Поволжья, где дисперсия урожаев в связи с неустойчивым увлажнением этой территории и наблюдавшимися в последние годы частыми засухами, значительно больше, чем в других регионах. Коэффициенты вариации (V) урожайности (y) озимой пшеницы, рассчитанные за период с 1993 по 2013 гг. составляют 0,30-0,35, что указывает на высокую изменчивость урожаев, особенно в Саратовской и Оренбургской областях. В то же время, озимая пшеница на большей части территории Среднего Поволжья является страховой культурой, так как в связи с ранним развитием она наиболее полно использует накопленные к весне влагозапасы в почве и урожайность ее практически во все годы превосходит урожайность яровой пшеницы. В Оренбургской области, например, в экстремально засушливый 2010 год средняя урожайность озимой пшеницы с уборочной площади (за вычетом площади гибели) составила 10,8 ц/га, тогда так урожайность яровой пшеницы – 4,2 ц/га. По большинству субъектов Среднего Поволжья за последние 10 лет максимальная урожайность озимой пшеницы в 2-3 раза превышала минимальную за этот период. В исследованиях использовался метод корреляционного анализа, позволивший выявить тесноту связей урожайности озимой пшеницы с метеорологическими факторами по декадам и за месяц и с NDVI, рассчитанным за те же периоды. Ставилась задача разработки в изменившихся климатических условиях новых регрессионных нелинейных моделей, связывающих урожайность с метеорологическими параметрами и моделей, основанных на комплексировании метеорологических параметров и NDVI для прогнозирования в конце мая и в конце июня ожидаемой средней по субъектам Среднего Поволжья урожайности озимой пшеницы. В модели включались параметры, имеющие наибольшую тесноту связей с урожайностью (r от 0,60 до 0,70 и более). На основании проведенного регрессионного и графического анализа были определены значения метеорологических факторов и NDVI, при которых в период 2003-2013 гг. формировалась высокая и низкая урожайность озимой пшеницы. Для прогнозирования урожайности озимой пшеницы по данным на конец мая «наилучшей» оказалась модель, связывающая урожайность озимой пшеницы (Yоз.п.) со средней за май температурой воздуха (T5), гидротермическим коэффициентом Селянинова (ГТК5) и дефицитом влажности воздуха (D5). Общий вид модели Yоз.п.=aT5+bГТК5+cD5+z. Множественные коэффициенты корреляции (R) этих моделей по субъектам составили в основном от 0,75 до 0,82. При включении в модель NDVI (Yоз.п.=aT5+bГТК5+cD5+dNDVI+z) коэффициенты корреляции увеличивались и составляли, соответственно, от 0,81 до 0,87. Для прогнозирования урожайности озимой пшеницы в конце июня указанные параметры использовались за июнь месяц. Множественные коэффициенты корреляции этих моделей составляли от 0,84 до 0,91. Тестирование моделей на материалах за 2011-2013 гг. показало их вполне удовлетворительную оправдываемость. Относительная ошибка прогноза, как правило, не превышала 11-16 %.