Manualul conține informații actualizate privind proprietățile fizice și procesele din soluri, fizica atmosferică la nivelul solului, elementele de bază ale procesului de producție. Se iau în considerare principalele procese de formare a biomasei vegetale, rolul factorilor fizici în funcționarea sistemului sol-plantă-atmosferă.
Manualul este destinat studenților și specialiștilor din domeniul ecologiei, agronomiei, științei solului, managementului naturii.
Agrofizica este știința principiilor fizice ale formării culturilor. Este mai degrabă o înțelegere a agrofizicii decât o definiție a acestei științe. Există o definiție mai completă, se poate spune enciclopedic, a științei agrofizicii.
fizica agronomic (Agrofizică) - știința care studiază procesele biofizice fizice, fizico-chimice și în sistemul „sol - plantă - un strat activ al atmosferei“, legile de bază ale procesului de producție, dezvoltarea bazelor științifice, metode, instrumente tehnice, matematice și metodele agricole de utilizare rațională a resurselor naturale , creșterea eficienței și sustenabilității agroecosistemelor, a agriculturii și a producției vegetale în condiții de teren și reglementate.
Totuși, deși aproape toate secțiunile de agrofizică, posibilele ramuri ale aplicării, obiectelor și metodelor sale sunt menționate în această definiție, este adesea cazul că întrebările apar în specificul obiectelor, metodelor și teoriilor cu precizie agrofizică. Într-adevăr, știința cunoscută - fiziologia plantelor - este implicată în creșterea și dezvoltarea plantelor, bazele biochimice și moleculare ale proceselor din plantă. Studiile privind proprietățile fizice și regimurile solului se referă, de asemenea, la o știință foarte specifică - fizica solului. Iar stratul activ al atmosferei a fost mult studiat de meteorologie cu metode bine dezvoltate. Care este diferența dintre abordările și metodele de agrofizică din metodele de fiziologie a plantelor, fizică a solului, meteorologie?
După ce, la un moment dat, în 70-e ai secolului trecut, celebrul om de știință, unul dintre fondatorii Agrofizică moderne academicianului Serghei Nerpin, problema a ceea ce ar trebui să Agrofizică studiu, a declarat: „Toate procesele fizice care au loc în domeniul agricol“ A fost mai mult o replică decât o definiție științifică specifică. Cu toate acestea, chiar și în ea diferența calitativă de bază a agrofizicii din științele conexe strălucește. Se află în primul rând în abordarea, în metoda de studiere a proceselor într-un câmp agricol. Agrofizică interesate în procese de fizică (dacă procesele în sol, plante, atmosfera), oferă un model fizic al fenomenului. Acest model este finalizat prin elaborarea unei scheme de interrelații între principalele procese. Aceasta este așa-numita diagramă bloc funcțională. In urmatoarea etapa a efectelor studiului Agrofizică trebuie să completeze această schemă conceptuală dependențe specifice între unități individuale funcționale (de exemplu, între fotosinteză și respirație), între procesele fizice individuale și factorii de mediu aplicabile (de exemplu, între fotosinteză și temperatură). Ca rezultat al experimentelor de teren și de laborator, se disting parametrii fizici, se formează o formă de dependență între blocurile studiate. Și apoi, în etapa finală a studiului, a formulat un model matematic al fenomenelor studiate împreună cu factorii de mediu, ceea ce indică faptul că, în primul rând, această secțiune este bine înțeleasă, până când relațiile funcționale care descriu procesele fizice de bază ale secțiunii de testare, și în al doilea rând, există posibilitatea științifice și rezonabile pentru a gestiona aceste fenomene, ținând cont de toate acele relații care sunt învățate Agrofizică teoreticieni și experimentatori în etapele anterioare. Iată o abordare fizică a fenomenelor naturale, inclusiv alocarea proceselor de bază și impactul factorilor de mediu, studiul experimental leaga aceste procese precum și factorii și descrierea cantitativă a relației ca un modele matematice bazate pe fizic este modul original al cercetării, o metodă de cunoaștere fenomenele fizice care au loc în domeniul agricol, în zonele forestiere, sere, terenuri de sport și așa mai departe. Cu această metodă, o secvență familiară Nia procesele biofizice în sistem „sol - plantă - un strat activ al atmosferei“, vom utiliza în studiul cursului „Agrofizică“.
Ce modele generale, reguli, modele vor fi un "fir roșu" pe parcursul întregului curs? Există mai multe dintre ele:
1. Tipul curbelor biologice. Practic, toate dependențele intensității proceselor biologice asupra factorilor care influențează au forma de funcții asemănătoare cupolei, care sunt adesea numite curbe biologice. Forma generalizată a unei astfel de curbe este prezentată în figură.
Fig.1. Forma generalizată a curbei biologice - dependența procesului biologic de factorul de efect fizic.
Forma acestei curbe este foarte caracteristic: există o serie de factor activ la care intensitatea maximă a unui proces biologic dat. Și cu creșterea sau scăderea parametrului factorului fizic, acest proces biologic scade. Aceasta este o dependență foarte caracteristică. În plus, lățimea "domului" indică stabilitatea biologică a plantelor și se caracterizează prin biologie prin conceptul de toleranță. Și valorile parametrilor factorilor fizici care corespund "domului" acestei funcții sunt optimul biologic. Acest optim poate fi caracteristic atât procesului biologic individual, cât și condițiilor de viață ale ecosistemului. Cu acest tip de curbe ale proceselor biologice (de exemplu, fotosinteza, respirația, creșterea, productivitatea și așa mai departe.) De la factorii externi fizici (temperatura, concentrația de CO2. Umiditate, etc). Noi nu doar rula în în cursul nostru, din nou și din nou, du-te înapoi la funcțiile , care descrie o astfel de dependență în formă de cupolă.
2. Aplicarea legilor fizice (în primul rând legea echilibrului și transportul de substanțe și energie) necesită neapărat respectarea regulii de conservare a dimensiunilor. Prin urmare, toate cantitățile fizice au dimensiunea proprie, care este întotdeauna păstrată. Iar atunci când descriem procesele biologice prin metode fizice, este de asemenea necesar să respectăm această regulă, deoarece un rezultat definit al studierii procesului este o ecuație matematică. Dimensiunea părților stângi și drepte trebuie să coincidă. Aceasta este o condiție prealabilă pentru descrierea fizică a proceselor. Această condiție apare și din cauza necesității de a observa echilibrul substanțelor și energiei în sistemul examinat. Este deosebit de important în agrofizică, deoarece știința noastră surprinde diverse ramuri ale fizicii, în care apar diverse dimensiuni. De exemplu, în studiul fluxurilor de lumină, se utilizează astfel de unități ale sistemului SI, cum ar fi candela, lumen, lux, precum și unități non-sistem - "foto", "stilb". Este necesar să se cunoască și să se poată traduce unitățile de măsurători de la o dimensiune la alta.
3. În domeniul agrofizicii, principala scală spațială este agroenoza. Trebuie subliniat, - că nu agrocenozei instalație separată sau celulă (această regiune Fiziologie, plante Biochimie și Biofizică), nici un sol individuale separat (Pedologie și o zonă a fizicii solului), iar învelișul de sol câmp sistem“- agrofitotsenoz- câmp atmosferic strat activ “. În Agrofizică, ca și în alte științe ale biosferei, este necesar să se facă distincția între mai multe nivele ierarhice spațiale:
Elementul elementar este nivelul de tăiere a solului, a plantelor și a aerului în apropierea uzinei;
nivelul de agrocenoză - acoperirea solului cu agrofitocenoza caracteristică și stratul de suprafață al atmosferei. Aceasta, așa cum sa indicat deja, este nivelul principal ierarhic al studiului agrofizicii;
nivel de peisaj - include mai multe agrocenoze cu o zonă caracteristică a bazinului hidrografic, alternanța agrofitocenoză și condițiile mezoclimatice.
La oricare dintre aceste nivele spațiale, se adaugă anumite legi și legi specifice care sunt specifice unei anumite scări. Trebuie să înțelegem în mod clar că scara centrală a agrofizicii moderne este nivelul de agroenoză, legile și legile fizice de bază pe care le vom studia. Cu toate acestea, implicarea foarte frecventă a materialului și a nivelurilor inferioare pentru a înțelege procesele fundamentale care au loc în agrocenoză.
4. Și încă o caracteristică a abordării agrofizice a descrierii proceselor biologice. Ideea este că procesele biologice, procesele de creștere și dezvoltare, sunt procese etapice. O etapă de dezvoltare naturală înlocuită cu o alta, în cursul perioadei de vegetație, sau, așa cum se întâmplă în biologie, ontogenie. Descrie o montare bazată pe o analiză a proceselor biologice nu este întotdeauna posibilă datorită complexității, exhaustivitatea, și, uneori, pur și simplu nu au studiat fenomenul de tranziție de la o etapă la alta. La întrebările "De ce? Când? "O etapă de dezvoltare înlocuiește un alt adesea pur și simplu nu există răspunsuri. În Agrofizică, prin urmare, a dezvoltat o abordare interesantă: este necesar să se găsească o legătură cu o anumită etapă ofensivă cumulativă factor de mediu (de exemplu, acumulate). De exemplu, cu suma temperaturilor pozitive. Acest factor cumulativ este deja destul de stabil pentru o anumită specie de plante asociată cu ofensivi ai uneia sau a alteia etape. Aceasta este una dintre abordările agrofizice speciale pe care le vom folosi adesea în acest curs.
Legile de bază ale procesului de producție
definiție
Procesul de producție al plantelor este un set de procese interdependente care apar într-o plantă, dintre care cele mai importante sunt fotosinteza, respirația, creșterea, formând o recoltă de plante.
Procesul de producție depinde de factorii de mediu și este capabil să transforme factorii de formare a mediului prin schimbări în schimbul de gaz, transpirație și arhitectura culturilor.
Din aceste definiții reiese că procesul de producție - este extrem de variată includ, în afară de trei de bază (fotosinteza, respirația, creșterea) încă multe procese din plante, care depind de factorii de mediu. Acești factori ai mediului plantei sunt capabili să se modifice, transformându-i în anumite limite. Este bine cunoscut modul în care plantele din cauza structurii frunzelor și localizarea lor (arhitectura culturilor, mișcarea de frunze Soare) este capabil de a realiza aportul maxim de lumină. Un alt exemplu este capacitatea plantelor de a forma coronament, în care un anumit set diferit de condițiile de microclimat vegetație în cultură în jurul acestuia și alte umiditate, temperatura, viteza vântului, și în consecință, celelalte transpirației, respirația, și multe alte procese conexe.
1. Legea indispensabilității principalilor factori ai vieții. Această lege prevede că nici unul dintre factorii de dezvoltare a plantelor nu poate fi complet înlocuit de oricare altul. La urma urmei, nu puteți înlocui planta cu umiditate de căldură, umiditate - cu lumină și așa mai departe. Toți acești factori sunt necesari (lumină, căldură, umiditate) necesare pentru plante. În absența a cel puțin unuia, va pieri. Acești factori - lumină, căldură, umiditate, - factori de spațiu, ele nu pot fi înlocuite - acestea sunt de bază, toți factorii care determină (a se vedea „La întrebarea ....“). Din această lege urmează o concluzie foarte importantă, uneori subliniată ca o lege independentă, atât de importantă este semnificația ei. Aceasta este legea "ceasului fiziologic". Pentru plante, unul dintre principalii factori de reglementare este fotoperiodicitatea, regularitatea regimului de lumină în fiecare zonă naturală. Durata zilei și a nopții este cea care, pentru majoritatea plantelor, este un regulator pentru declanșarea anumitor etape de dezvoltare. De exemplu, „start“ pregătirea pentru pomii de iarnă, constă în faptul că au vărsat frunzele lor, încetini multe procese fiziologice au loc exact la o lungime specifică a zilei. Pentru plante, lungimea zilei este un factor cosmic inexorabil, pe care se poate baza mereu, indiferent de condițiile meteorologice care se formează în acest an.
2. Legea inegalității și efectul compensator al factorilor de mediu. Într-adevăr, principalii factori, cum ar fi căldura, lumina, apa, nu pot fi înlocuiți de nimic. Dar acțiunile lor pot schimba cumva alți factori. De exemplu, nuanța, ceața poate reduce lipsa de umiditate. Și vântul slăbește efectul nefavorabil al înghețului. Diferența principală a acestei legi de la 1 (Legea indispensabilitatea principalii factori ai vieții): prima este întotdeauna activă, pe toată durata de viață a instalației, iar al doilea - în anumite perioade ale vieții plantei, reducerea efectelor negative sau benefice prin creșterea principalilor factori de viață.
3. Legea minimului. Această lege este deseori interpretată ca legea lui Liebig în ceea ce privește substanțele nutritive pentru plante și este adesea reprezentată sub forma unui butoi cu plăci de diferite lungimi. Placa inferioară determină randamentul. Vom trata această lege într-un mod mai general, agrofizic: intensitatea procesului de producție este determinată de acțiunea acelui factor fizic al mediului, care este cel mai îndepărtat din punct de vedere al valorilor optime. Prin această interpretare a acestei legi există două consecințe sau legi independente:
(1) Intensitatea procesului va fi determinat factorul de creștere a ratei de creștere, cea mai îndepărtată de optim. Adesea, această lege duce la formularea de bine-cunoscute Agrofizică germane E.Volni „factori care sunt la minim, mai puternic efectul asupra randamentului, mai mulți alți factori sunt optime“ și menționate în literatura de specialitate ca legea Liber Liebscher, E .;
(2), este necesar să se ia în considerare efectul "compensatoriu" al altor factori care nu se află în condiții optime (a se vedea Legea 2 privind compensarea efectelor factorilor de mediu).
4. Legea optimului. Această lege afirmă că cea mai mare viteză a procesului de producție este realizată atunci când toți factorii își ating optimul. Cu alte cuvinte, randamentul maxim poate fi obținut numai prin optimizarea tuturor factorilor principali ai vieții. Această lege poate fi considerată, de asemenea, ca o consecință a primei legi privind indispensabilitatea factorilor de mediu. Cu toate acestea, această lege conduce la obținerea productivității maxime prin optimizarea acțiunii diferiților factori. Acesta este motivul pentru care este atât de important și subliniat într-o lege separată.
5. Legea "perioadelor critice". Această lege indică faptul că în viața plantei există perioade în care planta este cea mai sensibilă la lipsa unuia sau a altui factor. De exemplu, pentru multe culturi, perioada critică în ceea ce privește umiditatea solului este perioada de la intrarea în tubul la ureche. Dacă în această fază de dezvoltare a plantelor există o lipsă de umiditate în sol, pierderile vor fi mai mari, uneori - critice. Iar fazele de la înflorire până la maturitatea ceară sunt esențiale pentru căldură.
Aceste legi ale agrofizicii, legile care leagă factorii fizici ai mediului și procesul de producție sunt foarte generali, acționând în orice condiții naturale sau create artificial. Deși, în fiecare caz specific, este necesar să se țină seama de caracteristicile regionale ale factorilor externi (planul solului, de condițiile meteorologice și meteorologice etc.) și de caracteristicile plantelor.
Soare, aer și apă!