UDK 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
GRNTI 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
OKSO 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
BBK 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
TBK 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003000 Agriculture / General
moisture supply, the country's well-being and food independence depend on the development of irrigated agriculture. The goal of irrigated agriculture in Burundi is not only to ensure high produc-tivity of agricultural plants, but also to promote the reproduction of soil fertility, the economical use of resources, and the environmental safety of agriculture. Achieving the set goals is possible by ob-serving a specific reclamation regime. This regime consists of a set of requirements for controlled factors that ensure harmonious coexistence and functioning of the landscape space and agro-cenoses in the Republic of Burundi. The purpose of this research is to determine whether climate analysis data can be used to support the reclamation regime of irrigated lands in the Republic of Burundi. This will be achieved by comparing the climate analysis data with data obtained from direct obser-vations at meteorological stations located within the Republic of Burundi, and assessing the reliabil-ity of the results
Reclamation mode, reanalysis, meteorological data, data visualization, block diagram, quartile.
Введение. Настоящая статья подготовлена в рамках цикла научно-исследовательских работ, принимаемых за основу диссертационной работы Инносента Ичитегетсе на тему «Обоснование мелиоративного режима на примере орошения кукурузы в Агромелиоративном Регионе Имбо Республики Бурунди», которая несомненно станет вкладом в развитие орошаемого земледелия страны.
Республика Бурунди располагает значительными орошаемыми землями, имеющими решающее значение для сельского хозяйства и продовольственной безопасности в регионе. Эти земли играют жизненно важную роль в поддержании экономики страны и средств к существованию ее населения. Однако эффективность ирригационных методов и мелиоративных работ в Бурунди может зависеть от изменчивости и изменения климата.
Понимание климатических моделей, доступности воды и теплового режима, влияющих на орошаемые земли, необходимо для устойчивого управления земельными ресурсами и продуктивности сельского хозяйства. Данные реанализа климата могут дать ценное представление об исторических климатических тенденциях, будущих прогнозах и изменениях в гидрологическом и тепловом режимах, которые влияют на эти земли.
Республика Бурунди, расположенная в восточной части экваториальной Африки, не имеет выхода к морю, является одной из слаборазвитых стран в мире. На Юго-Западе Бурунди омывается водами одного из крупнейших пресноводных озёр мира Танганьика (18% мировых запасов пресной воды).
Климат Бурунди – тропический имеет значительные суточные амплитуды колебания температуры. Среднемноголетняя температура на центральном плато - 20 °C, на территории вокруг озера Танганьика – 23 °C, в горной местности на северо-востоке страны – 16 °C. Наибольшее количество осадков выпадает на северо-западе. Среднее годовое количество осадков на большей части Бурунди составляет 1300—1600 мм, на равнине Русизи и северо-восточной части страны - 750—1000 мм. В зависимости от продолжительности сезонов выпадения осадков выделяют: длинный сухой сезон (июнь — август), короткий влажный сезон (сентябрь — ноябрь), короткий сухой сезон (декабрь — январь) и длинный влажный сезон (февраль — май) [3].
Почвенный покров Республики Бурунди в основном представлен Красно-жёлтыми фералитовыми сильно-, средне- и слабо- ненасыщенными, а также эутрофными (насыщенными) лёссовидными почвами избыточного грунтового увлажнения. [4]
По данным из открытых источников сельское хозяйство является основой экономики Республики Бурунди, на долю которого приходится около 40 % валового внутреннего продукта (ВВП), 95 % продовольствия и более 90 % валютных поступлений [7-8]. Площадь пахотных земель составляет около 1100 000 га (~ 43 % общей площади), из них 74 000 га (6,7 % пахотных земель) являются орошаемыми [5]. Орошение осуществляется в основном традиционными способами. Для орошения на западе используются воды озера Танганьика в восточной части воды рек Марагарази и Рувубу, Русизи, на северо-востоке озера Чохоха и Гверу. Основные сельскохозяйственные культуры – кофе, чай, маниок, фасоль, бананы, сладкий картофель, зерновые культуры и сорго, пальмы, табак.
Республика Бурунди сталкивается с серьезными проблемами в области водных ресурсов: рост населения и чрезмерная эксплуатация земель приводят к истощению и деградации природных ресурсов. Ситуация еще более усугубляется экономическим дефицитом воды, который тесно связан с производством энергии и сельским хозяйством [9].
Однако производительность сельского хозяйства в Бурунди сдерживается рядом проблем, включая деградацию земель, воздействие климата, отсутствие доступа к сельскохозяйственной инфраструктуре и неэффективное использование водных ресурсов, все из которых способствуют росту продовольственной безопасности в Бурунди [7]. Поэтому для повышения продуктивности сельского хозяйства необходимы инновационные стратегии, такие как различные технологии орошения и интерпретация климатических данных. Орошаемое земледелие в Бурунди, должно не только гарантировать высокую продуктивность сельскохозяйственных растений, но и обеспечивать расширенное воспроизводство плодородие почв, экономичное использование ресурсов и экологическую безопасность сельского хозяйства. Достижение поставленных целей возможно при соблюдении определённого мелиоративного режима - совокупности требований к управляемым факторам, обеспечивающих гармоничное существование во времени и функционирование в ландшафтном пространстве, агроценозов Республики Бурунди.
Методы и результаты исследований. Одним из первых этапов осуществляемых нами научных исследований является решение задачи установления возможности использования климатических данных реанализа, сопоставления их с данными, полученными в ходе непосредственных наблюдений на метеостанциях, расположенных на территории Республики Бурунди, и оценки их достоверности.
В настоящей работе выполнен сравнительный анализ данных, полученных в результате инструментальных измерений на шести метеорологических станциях Республики Бурунди (Таблица 1, Рисунок 2) и данных реанализа AgERA5 [6].
Таблица 1. Координаты расположения метеостанций
|
№ |
Метеостанция |
Долгота |
Широта |
Высота над уровнем моря (в м) |
|
1 |
БУЖУМБУРА (аэропорт) |
29.32 |
-3.32 |
783 |
|
2 |
ИМБО (Семс) |
29.35 |
-3.18 |
820 |
|
3 |
КИНЬИНЯ |
30.33 |
-3.65 |
1308 |
|
4 |
МПАРАМБО |
29.08 |
-2.83 |
887 |
|
5 |
МУСАСА |
30.10 |
-4.00 |
1260 |
|
6 |
НЬЯНЗА ЛАК |
29.62 |
-4.32 |
820 |
Рисунок 2. Местоположение метеостанций (Номерами обозначены местоположения метеостанций).
Климатические данные реанализа представляют собой комплексные наборы данных о климате, полученные путём объединения множества источников информации, включая наземные наблюдения, данные с метеорологических спутников, а также измерения, сделанные буями, кораблями и самолётами. Эти данные затем ассимилируются (интегрируются) с помощью комплексных климатических моделей или систем моделирования погоды, что позволяет создать последовательный и всеобъемлющий набор данных о состоянии атмосферы, океанов и других систем в разные моменты времени.
Основное преимущество реанализа заключается в том, что он обеспечивает однородные и согласованные данные о климате за длительные периоды времени, что крайне важно для исследований изменений климата, моделирования климатических процессов и понимания динамики погоды. Реанализ помогает устранить проблемы, связанные с неоднородностью и прерывистостью прямых наблюдений, обеспечивая тем самым более точную и непрерывную картину изменений в атмосфере и климате на Земле.
Существует несколько крупных проектов реанализа, проводимых ведущими метеорологическими и климатическими исследовательскими центрами по всему миру, такими как Европейское центральное управление по прогнозам погоды на средний срок (ECMWF), Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA) в США и другие. Каждый из этих проектов реанализа использует свои методы и модели для создания наборов данных, которые могут немного отличаться по своей точности и детализации, но все они предоставляют ценную информацию для научных исследований и практического применения.
Для графической интерпретации данных и сопоставления метеоданных, нами, в том числе, были использованы, так называемые, блочные диаграммы.
Блочные диаграммы (boxplots) являются мощным инструментом визуализации для оценки распределения данных, позволяя быстро оценить медиану, квартили, а также наличие выбросов. Вот как можно интерпретировать результаты построения коробчатых диаграмм для суммарных за месяц данных об осадках за 30 лет из двух источников (реанализ и метеостанция) для каждого из 6 населённых пунктов:
Для понимания полученных результатов следует дать некоторые комментарии:
- Линия в середине коробки указывает на медиану (50-й перцентиль) данных. Если линия медианы смещена вверх или вниз внутри коробки, это указывает на асимметрию распределения данных. Сравнение медиан между коробками может показать, как средние уровни осадков отличаются между источниками данных или населёнными пунктами.
- Границы коробки представляют собой первый (25-й перцентиль) и третий (75-й перцентиль) квартили данных. Размер коробки (межквартальный размах) отражает степень разброса данных: чем шире коробка, тем больше разброс. Сравнение межквартальных размахов между различными коробками может указывать на различия в изменчивости данных об осадках.
- "Усы" коробчатой диаграммы простираются от первого и третьего квартилей до крайних значений данных, которые находятся в пределах 1.5 межквартальных размахов от квартилей. Они показывают распределение данных за пределами среднего разброса, но в пределах ожидаемого диапазона. Длинные усы могут указывать на наличие длиннохвостых распределений.
- Точки за пределами усов обозначают выбросы — данные, которые лежат за пределами 1.5 межквартальных размахов от квартилей. Наличие значительного количества выбросов может указывать на экстремальные значения осадков (например, сильные ливни или засухи), которые выходят за рамки обычного распределения данных.
- Сравнивая блочные диаграммы между двумя источниками данных для каждой метеостанции, можно оценить, насколько хорошо данные реанализа соответствуют данным метеостанций. Различия в медианах, межквартальных размахах и выбросах могут указывать на систематические различия в измерениях или в их интерпретации между источниками.
Результаты сопоставления суммарных месячных значений осадков, абсолютных среднемесячных значений влажности воздуха и среднемесячных значений температуры воздуха, полученных в результате инструментальных измерений на метеорологических станциях Республики Бурунди и данных реанализа AgERA5 представлены на рисунках 3, 4, 5, 6, 7, 8.
Выводы.
- В ходе проведённых исследований данные реанализа сравнивались с фактическими данными наблюдений, полученных на метеостанциях Республики Бурунди: Бужумбура (аэропорт), Имбо (Семс), Киньиня, Мпарамбо, Мусаса, Ньянза Лак.
- Проведённое сопоставление и анализ выявили довольно существенное несовпадение:
- суммарных месячных значений осадков в общем массиве данных метеонаблюдений и реанализа в пунктах Имбо (Семс) и Мусаса,
- характерных абсолютных среднемесячных значений влажности воздуха в пунктах, Киньиня, Мусаса, Ньянза Лак,
- характерных среднемесячных значений температуры воздуха в пунктах Имбо (Семс), Мпарамбо, Мусаса.
По нашему мнению, возможно это связано с качеством осуществления метеонаблюдений в Республике, а также влиянием множества факторов на данные реанализа, таких как: изменчивости погодных условий в Республике Бурунди, глобальных и материковых Африканских тенденций изменения климата, особенностей микроклимата в вышеперечисленных пунктах наблюдения.
- Общее относительное наилучшее соответствие данных реанализа и фактических данных наблюдений выявлено в пунктах Буджумбура (аэропорт) и Ньянза Лак. По-видимому, это объясняется стабильным влиянием озера Танганьика на метеопараметры прилегающих территорий.
- При определении дефицита вододпотребления сельскохозяйственных растений для обоснования режимов орошения на участках, удалённых от пунктов наблюдения за метеоданными возможно использование климатических интерпретаций реанализа, на участках, близко расположенных к метеостанциям, несмотря на неполноту рядов данных, предпочтительно использовать данные фактических наблюдений.
1. States and territories of the world. Background information // Atlas of the world / comp. and get ready. to the ed. PKO "Cartography" in 2009 ; chief editor G. V. Pozdnyak. — M. : PKO "Car-tography" : Onyx, 2010. — p. 15. — ISBN 978-5-85120-295-7;
2. Atlas of the world: the most detailed information / Project managers: A. N. Bushnev, A. P. Pritvo-rov. — Moscow: AST, 2017. — p. 72. — 96 p. — ISBN 978-5-17-10261-4;
3. Nationsencyclopedia.com. Climate of Burundi.
4. Lobova E.V., Khabarov A.V. The nature of the world. Soils / E.V., Lobova, A.V. Khabarov / Moscow: "Thought", 1983. -303 p.
5. Nationsencyclopedia.com. Agriculture of Burundi
6. Boogaard, H., Schubert, J., De Wit, A., Lazebnik, J., Hutjes, R., Van der Grijn, G., (2020): Agrometeorological indicators from 1979 to present derived from reanalysis. Copernicus Climate Change Service (C3S) Climate Data Store (CDS). DOI:https://doi.org/10.24381/cds.6c68c9bb https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/dataset/10.24381/cds.6c68c9bb?tab=overview 07.02.2024).
7. Mperejekumana, P.; Shen, L.; Zhong, S.; Muhirwa, F.; Nsabiyeze, A.; Nsigayehe, J.M.V.; Nyirarwasa, A. Assessing the Capacity of the Water–Energy–Food Nexus in Enhancing Sustain-able Agriculture and Food Security in Burundi. Sustainability 2023, 15, 14117. https://doi.org/10.3390/su151914117
8. FAOSTAT Database. Indicator Database of the Food and Agriculture Organization of the United Nations. 2023. Available online: https://www.fao.org/faostat/en/#home
9. Megerle, Heidi Elisabeth and Sanctus Niragira. “The Challenge of Food Security and the Water-Energy-Food Nexus: Burundi Case Study.” World review of nutrition and dietetics 121 (2020): 183-192.
