Підручник містить сучасні відомості про фізичні властивості і процесах в грунтах, фізики приземного шару атмосфери, основам продукційного процесу. Розглянуто основні процеси формування рослинної біомаси, ролі фізичних факторів у функціонуванні системи «грунт-рослина-атмосфера».
Підручник призначений для студентів і фахівців в області екології, агрономії, ґрунтознавства, природокористування.
Агрофізика - наука про фізичні основи формування врожаю. Це, скоріше, поняття про агрофізики, ніж визначення цієї науки. Існує більш повне, можна сказати енциклопедичне, визначення науки агрофізики.
Агрономічна фізика (агрофізики) - наука, що вивчає фізичні, фізико-хімічні та біофізичні процеси в системі "грунт - рослина - діяльний шар атмосфери", основні закономірності продукційного процесу, розробляє наукові основи, методи, технічні, математичні засоби і агропріеми раціонального використання природних ресурсів , підвищення ефективності та стійкості агроекосистем, землеробства і рослинництва в польових і регульованих умовах.
Однак, хоча в цьому визначенні вказуються майже всі розділи агрофізики, можливі галузі її застосування, об'єкти і методи, все ж нерідко виникають питання в специфіці саме агрофизических об'єктів, методів і теорій. Дійсно, ростом і розвитком рослин, біохімічними і молекулярними основами процесів в рослині займаються відома наука - фізіологія рослин. Дослідженнями фізичних властивостей і режимів грунтів займається також цілком конкретна наука - фізика грунтів. Та й діяльний шар атмосфери давно, добре розробленими методами досліджує метеорологія. Чим же відрізняються підходи і методи агрофізики від методів фізіології рослин, фізики грунтів, метеорології?
Колись, в 70-х роках минулого століття відомий учений, один із засновників сучасної агрофізики академік Сергій Володимирович Нерпіна, на питання, що ж повинна вивчати агрофізика, відповів: «Все фізичні процеси, які відбуваються на сільськогосподарському полі». Це була швидше репліка, ніж конкретне наукове визначення. Однак, навіть в ньому просвічується основне якісну відмінність агрофізики від суміжних наук. Воно полягає насамперед у підході, в методі вивчення процесів на сільськогосподарському полі. Агрофізика цікавиться фізикою процесів (будь процеси в грунті, рослині, атмосфері), пропонує фізичну модель явища. Ця модель завершується складанням деякої схеми взаємозв'язків між основними процесами. Це так називається функціональна блок-схема. На наступному етапі вивчення явища агрофізики повинні наповнити цю концептуальну схему конкретними залежностями між окремими функціонуючими блоками (наприклад, між фотосинтезом і диханням), між окремими процесами і діючими фізичними факторами зовнішнього середовища (наприклад, між фотосинтезом і температурою). В результаті польових і лабораторних експериментів виділяються фізичні параметри, формується вид залежності між досліджуваними блоками. А далі, на заключному етапі дослідження, вже формулюється математична модель досліджених явищ у взаємозв'язку з факторами зовнішнього середовища, яка вказує на те, що, по-перше, цей розділ досить добре вивчений, аж до функціональних залежностей, що описують основні фізичні процеси досліджуваного розділу, а по-друге, з'являється можливість науково-обгрунтовано управляти цими явищами з урахуванням всіх тих взаємозв'язків, які вивчили агрофізики-теоретики і експериментатори на попередніх етапах. Ось такий фізичний підхід до природних явищ, що включає виділення основних процесів і впливають факторів зовнішнього середовища, експериментальне вивчення зв'язків цих процесів один з одним і факторами і кількісний опис цих взаємозв'язків у вигляді фізично-обґрунтованих математичних моделей і є свій оригінальний шлях дослідження, свій метод пізнання фізичних явищ, що відбуваються на сільськогосподарському полі, в лісництвах, в теплицях, на спортивних майданчиках тощо. Цим методом, такою послідовністю ознайомлений ня з біофізичними процесами в системі "грунт - рослина - діяльний шар атмосфери" ми і будемо користуватися при вивченні курсу «агрофізика».
Які загальні закономірності, правила, закономірності пройдуть «червоною ниткою» через весь цей курс? Їх декілька:
1. Вид біологічних кривих. Практично всі залежності інтенсивності біологічних процесів від факторів, що впливають мають вигляд куполоподібних функцій, які нерідко називають біологічними кривими. Узагальнений вид такої кривої наведено на малюнку.
Рис.1. Узагальнений вид біологічної кривої - залежно біологічного процесу від фізичного фактора.
Вид цієї кривої вельми характерний: є діапазон чинного чинника при якому досягається максимум інтенсивності розглянутого біологічного процесу. А при збільшенні або зниженні параметра фізичного фактора цей біологічний процес йде на спад. Це дуже характерна залежність. Причому ширина «купола» вказує на біологічну стійкість рослин і характеризується в біології поняттям толерантності. А значення параметрів фізичних факторів, що відповідають «куполу» цієї функції - це біологічний оптимум. Це оптимум може бути характерний як для окремого біологічного процесу, так і умов життя екосистеми. З таким видом кривих залежності біологічних процесів (наприклад, фотосинтезу, дихання, росту, продуктивності та ін.) Від зовнішніх фізичних факторів (температури, концентрації СО2. Вологості та ін.) Ми не раз зіткнемося в нашому курсі, ще не раз повернемося до функцій , що описує таку куполоподібну залежність.
2. Застосування фізичних закон ів (перш за все закону балансу і перенесення речовин і енергії) обов'язково вимагає дотримання правила збереження розмірностей. Тому всі фізичні величини мають свою розмірність, яка зберігається завжди. І при описі біологічних процесів фізичними методами також необхідне дотримання цього правила, так як певним підсумком вивчення процесу є математичне рівняння. А ньому розмірність лівої і правої частин повинна збігатися. Це обов'язкова умова для фізичного опису процесів. Ця умова виникає ще й через необхідність дотримуватися балансу речовин і енергії в даній системі. Воно особливо важливо в агрофізики, так як наша наука захоплює різні розділи фізики, де фігурують різноманітні розмірності. Наприклад, при вивченні світлових потоків, використовуються такі одиниці системи СІ, як кандела, люмен, люкс, а також позасистемні - «фот», «стильб». Необхідно знати і вміти переводити одиниці вимірювань з однієї розмірності в іншу.
3. У предметі агрофізика основний просторовий масштаб - це агроценоз. Слід підкреслити, - саме агроценоз, не окрема рослина або його клітка (це область фізіології, біохімії і біофізики рослин), не окремий грунтовий індивідуум (це область ґрунтознавства та фізики ґрунтів), а система «грунтовий покрив поля - агрофітоценоз- діяльний шар атмосфери поля ». У агрофізики, як і в інших науках про біосферу, слід розрізняти кілька ієрархічних просторових рівня:
елементарний - це рівень ґрунтового розрізу, рослини і повітряного середовища близько рослини;
рівень агроценозу - грунтовий покрив з властивим йому агрофітоценозів і та приземним шаром атмосфери. Це, як уже вказувалося, основний ієрархічний рівень дослідження агрофізики .;
ландшафтний рівень - включає вже кілька агроценозів, що мають характерний водозбір, чергування агрофітоценозів і мезокліматіческіх умов.
На кожному із зазначених просторових рівнів додаються деякі специфічні, властиві даному масштабу, закони і закономірності. Ми ж повинні чітко уявляти, що центральний масштабний рівень сучасної агрофізики - це рівень агроценозу, основні фізичні закони і закономірності якого ми і будемо вивчати. Втім, досить часто залучаючи матеріал і з більш низьких рівнів для розуміння фундаментальних процесів, що відбуваються в агроценозах.
4. І ще одна особливість Агрофізичні підходу до опису біологічних процесів. Справа в тому, що біологічні процеси, - процеси росту, розвитку, - це стадійні процеси. Одна стадія розвитку закономірно змінюється іншою в процесі періоду вегетації, або, як це прийнято в біології, в процесі онтогенезу. Описати таку стадийность на підставі розгляду біологічних процесів не завжди вдається через складність, багатофакторність, а іноді, і просто невивченості явища переходу однієї стадії в іншу. На питання «Чому? Коли? »Одна стадія розвитку змінює іншу нерідко просто немає відповідей. У агрофізики тому розроблений цікавий підхід: треба знайти зв'язок настання стадії з деяким кумулятивним (тобто накопичується) фактором зовнішнього середовища. Наприклад, з сумою позитивних температур. Ось цей кумулятивний фактор вже досить стійко для даного виду рослин пов'язаний з наступами тій чи іншій стадії. В цьому і полягає один із спеціальних агрофизических підходів, який нерідко нами буде використаний в даному курсі.
Основні закони продукційного процесу
визначення
Продукційний процес рослин - це сукупність взаємопов'язаних процесів, що відбуваються в рослині, з яких основними є фотосинтез, дихання, ріст, формують урожай рослин.
Продукційний процес залежить від чинників зовнішнього середовища і здатний сам трансформувати средообразующие фактори через зміну газообміну, транспирацию, архітектуру посівів.
З цих визначень випливає, що продукційний процес - дуже різноманітний, включає, крім трьох основних (фотосинтез, дихання, ріст) ще й багато процесів в рослинах, які залежать від факторів зовнішнього середовища. Ці фактори зовнішнього середовища рослини здатні видозмінювати самі, трансформувати їх в деяких межах. Добре відомо, як рослини завдяки будові листя і їх розташуванню (архітектура посівів, рух листя за Сонцем) здатне досягти максимального споживання світла. Іншим прикладом може служити здатність рослин формувати зімкнуті покриви, в яких встановлюється певний, відмінний від умов над рослинним покривом мікроклімат: в посіві і біля нього інша вологість, температура, швидкість вітру, і відповідно, інші транспирация, дихання і багато інших взаємопов'язані процеси.
1.Закон незамінності основних факторів життя. Цей закон стверджує, що жоден з факторів розвитку рослин не може бути повністю замінений будь-яким іншим. Адже не можна ж замінити для рослини тепло - вологою, вологу - світлом і ін. Всі ці фактори обов'язково (світло, тепло, волога) необхідні рослинам. У відсутності хоча б одного з них воно загине. Ці фактори, - світло, тепло, волога, - чинники космічні, їх нічим не можна замінити, вони - основні, все визначальні чинники (див. «До питання про ...»). З цього закону випливає дуже важливий висновок, на який іноді вказують, як на самостійний закон, настільки важливо його значення. Це закон «фізіологічних годин». Для рослин одним з основних регулюючих фактором є фотоперіодічность, регулярність світлового режиму в кожній природній зоні. Саме довжина дня і ночі є для більшості рослин регулятором для настання певних стадій розвитку. Наприклад, «запуск» підготовки дерев до зими, що полягає в тому, що вони скидають листя, уповільнюють багато фізіологічні процеси, відбувається саме при певній довжині дня. Для рослин довжина дня - невблаганний космічний фактор, на який воно завжди, незалежно від створених в цей рік метеоумов, може спиратися.
2. Закон нерівноцінність і компенсуючого впливу факторів середовища. Дійсно, основні чинники, такі як тепло, світло, воду, замінити нічим не можна. А ось їх дію якось змінити можуть інші чинники. Наприклад, хмарність, туман можуть послабити нестачу вологи. А вітер послаблює несприятливу дію заморозків. А головна відмінність цього закону від 1-го (закону незамінності основних факторів життя): перший діє завжди, на протязі всього життя рослині, а другий - в окремі періоди життя рослині, знижуючи несприятливі або збільшуючи сприятливу дію основних факторів життя.
3. Закон мінімуму. Цей закон часто трактується як закон Лібіха щодо поживних елементів для рослин, і його нерідко представляють у вигляді бочки з дошками різної довжини. Найнижча дощечка визначає урожай. Ми будемо трактувати цей закон більш загально, агрофізичні: інтенсивність продукційного процесу визначається дією того фізичного фактора середовища, який найбільш віддалений за значеннями від свого оптимуму. При такому трактуванні з цього закону є два слідства або самостійних закону:
(1) зростання інтенсивності процесу буде визначатися швидкістю приросту фактора, найбільш віддаленого від оптимуму. Часто цей закон призводять в формулюванні відомого німецького агрофізика Е.Вольні: «Фактор, що знаходиться в мінімумі, тим сильніше впливає на врожай, чим більше інші чинники знаходяться в оптимумі» і іменується в літературі як закон Е. вільним-Лібшера;
(2) слід враховувати «компенсує» дію інших, що знаходяться не в оптимальних умовах, факторів (див. Закон 2 про що компенсує вплив факторів середовища).
4. Закон оптимуму. Цей закон говорить, що найвища швидкість продукційного процесу досягається при досягненні всіма чинниками свого оптимуму. Інакше кажучи, максимальний урожай може бути досягнутий тільки при оптимізації всіх основних факторів життя. Цей закон також має здатність розглядатися як наслідок 1-го закону про незамінності факторів зовнішнього середовища. Однак саме цей закон є керівним для досягнення максимальної продуктивності за рахунок оптимізації дії різноманітних факторів. Саме тому він так важливий і виділений в окремий закон.
5. Закон «критичних періодів». Цей закон вказує на те, що в житті рослини є періоди, протягом яких рослина найбільш чутливо до нестачі того чи іншого фактора. Наприклад, для багатьох зернових культур критичним періодом у ставленні до грунтової вологи вважається період від виходу в трубку до колосіння. Якщо в цю фази розвитку рослин складеться недолік вологи в грунті, то втрати будуть найбільшими, іноді - критичними. А фази від цвітіння до воскової стиглості є критичними щодо тепла.
Ці закони агрофізики, закони, що зв'язують фізичні фактори середовища і продукційний процес є досить загальними, що діють в будь-яких природних або штучно створених умовах. Хоча в кожному конкретному випадку слід враховувати регіональні особливості як зовнішніх для рослини факторів (грунтові, метеорологічні і погодні умови та ін.), Так і особливостей самих рослин.
Сонце, повітря і вода!