Агрофизика
Агрофи́зика (агрономи́ческая фи́зика) — наука о физических, физико-химических и биофизических процессах, протекающих в агроэкологической системе «почва — растения — атмосферный слой». В основе агрофизики лежат методы агробиологических (растениеводство, земледелие, физиология растений, почвоведение) и физико-математических научных дисциплин (общая и экспериментальная физика, теоретическая и математическая физика, геофизика, метеорология)[1].
Общие сведения
| Наука | |
| Агрофизика | |
|---|---|
| Предмет изучения | физика, сельское хозяйство |
| Период зарождения | 1878—1898 |
| Основные направления | растениеводство, земледелие, физиология растений, почвоведение |
| Значительные учёные | Мартин Эвальд Вольни, Франклин Хирам Кинг, Абрам Фёдорович Иоффе, Николай Иванович Вавилов |
История
К концу XIX в. усилился интерес к применению физических методов и приборов в сельском хозяйстве. Пионером в этой области научных исследований стал американский учёный Ф. Х. Кинг, которого в США называли «отцом» физики почвы. В своих работах он изучал влагоудерживающую способность почв, потребность растений во влаге, аэрацию, перемещение воды в почвах, движение грунтовых вод. Его труды оказали большое влияние на развитие почвоведения[2]. Одним из создателей агрофизики был также немецкий агроном М. Э. Вольни. Он выполнил новаторскую работу по выявлению роли осадков в эрозии почвы, доказал неразрывную связь между динамикой физических свойств почвы и её плодородием, в противовес химической теории плодородия Ю. Либиха. В 1878—1898 гг. Вольни был редактором и издателем ведущего журнала в области агрофизики «Исследования в области сельскохозяйственной физики» (Forschungen auf dem Gebiete der Agrikulturphysik).
В XX веке большой вклад в агрофизику внесли отечественные и зарубежные учёные: Д. Н. Прянишников, А. Г. Дояренко, Н. А. Качинский, А. А. Роде, С. И. Долгов, С. Н. Рыжов, Б. В. Дерягин, В. Шоу (США) и др.[3]
Родоначальником и инициатором агрофизических исследований в СССР стал А. Ф. Иоффе[4]. В 1932 г. по инициативе А. Ф. Иоффе и Н. И. Вавилова в составе ВАСХНИЛ в соответствии с решением Коллегии Народного Комиссариата земледелия СССР от 5 января 1932 г. в Ленинграде был организован Физико-агрономический институт (ФАИ). Согласно постановлению Совета Народных Комиссаров от 16 июля 1934 г., институт был переименован в Агрофизический научно-исследовательский институт (АФИ)[5]. В период с 1932 по 1960 гг. под руководством Иоффе была разработана методология электронного агронома, которая позволила[6]:
- развивать приборостроение в области агрофизики, системы получения, сбора и хранения информации об агроэкологической системе;
- применять полупроводники и приборы на их основе в сельскохозяйственном приборостроении;
- использовать компьютеризированную поддержку агрономических решений.
В начальный период истории ФАИ были заложены магистральные направления деятельности этого института:
- светофизиология и светокультура растений;
- физика, биофизика и теплофизика почв;
- применение изотопов в сельскохозяйственной науке и производстве;
- искусственное структурообразование и воссоздание почвенной структуры;
- работы по закреплению песков и защите почв от развевания;
- биокибернетика в растениеводстве.
К важным достижениям учёных ФАИ (АФИ) можно отнести:
- доказательство возможности и экономической целесообразности выращивания растений без участия солнечного света, только при электрическом освещении;
- проведение работ по тепловой мелиорации почв, агролесомелиорации, созданию новых агротехнических приёмов выращивания растений в условиях Севера;
- использование светопрозрачных полимерных материалов для тепличного грунта и культивирования сельскохозяйственных растений под такими укрытиями;
- разработка специализированных счётно-решающих устройств для решения агрономических задач и учёта энергетических затрат при производстве сельскохозяйственных работ, в том числе разработка автоматических установок для поддержания условий жизнедеятельности растений в теплицах;
- использование полупроводниковых материалов при создании средств измерения и в различных сельскохозяйственных устройствах энергетического и холодильного назначения;
- создание опытной станции в Меньково (Гатчинский район Ленинградской области) для выполнения экспериментальных работ по заявкам отделов АФИ и апробации разработок института[7].
Научные исследования по агрофизике также проводятся в Почвенном институте им. В. В. Докучаева, на кафедрах почвоведения университетов и сельскохозяйственных вузов России.
Агрофизика развивалась не только в США и СССР, но и в других странах. В частности, английский учёный Э. Рассел рассматривал влияние на рост и урожай растений физических свойств почвы (особенно её структурного состояния, режима влажности и температуры), химических свойств и подвижности питательных элементов, микроорганизмов и почвенных животных. Немецкий агрохимик, физиолог растений, почвовед Э. Мичерлих внёс крупный вклад в теорию и практику агрономического почвоведения, агрохимии и агрофизики. Им были предложены количественные методы определения потребности почв в удобрениях, способы оптимизации физических свойств почв посредством их дифференцированной обработки, предложена математическая интерпретация опытных данных.
В Чехословакии Р. Лезничек вместе со своими коллегами (Я. Благовец, Я. Пецен, П. Гнилица) на кафедре физики Пражского сельскохозяйственного университета выполнил ряд исследований в области агрофизики, в частности, изучали физические свойства зерновых культур. М. Кутилек из Чешского технического университета в Праге провёл исследования в области почвоведения.
Крупным научно-исследовательским центром по изучению агрофизики, сельскохозяйственных наук и физических проблем сельского хозяйства является Институт агрофизики имени Богдана Добржаньского Польской академии наук, расположенный в Люблине. Сотрудниками этого института проводятся инструментальные исследования физических, физико-химических, гидрофизических и теплофизических свойств почв, светофизиологии растений и биопродуктивности агроэкосистем и др.
Предметная область
Агрофизика представляет собой междисциплинарную область научных исследований. Как самостоятельная научная дисциплина, она обеспечила переход от описательной агрономии к агрономии, основанной на прецизионных измерениях и расчётах факторов продуктивности, роста и развития растений, агроприёмах, используемых для управления процессом выращивания сельскохозяйственных культур. Специалисты в области агрофизики изучают материалы и процессы, происходящие при производстве и переработке сельскохозяйственных культур, уделяя значительное внимание состоянию окружающей среды, качеству сельскохозяйственных материалов и производству продуктов питания[8].
Предметная область агрофизики включает в себя сельскохозяйственную среду (почву, растения и животных), теоретические и практические достижения агрономии и сельскохозяйственного машиностроения.
Цель и методы
Цель агрофизики — активное воздействие на физические условия внешней среды и процессы, протекающие в растении и почве. В своих исследованиях агрофизика применяет физико-математический подход к изучению процессов жизнедеятельности растений и окружающей их среды, при этом широко используется физический эксперимент и физические приборы[9].
В агрофизике применяют следующие методы[10]:
- полевые и лабораторные методы — изучение физических свойств почвы (в лабораторных условиях определяют гранулометрический и микроагрегатный составы почвы, её структурно-агрегатный состав и физико-механические свойства, гигроскопичность почв; в полевых — плотность, водно-воздушные свойства, пористость, структурность, твёрдость, тепловые свойства почвы и др.);
- стационарный метод (метод почвенно-режимных наблюдений) — исследование почвенных режимов (водного, теплового, солевого, газового, реакции среды, окислительно-восстановительных условий, биологической активности и др.);
- метод моделирования — экспериментальное воспроизведение различных явлений и процессов в обстановке контролируемого эксперимента в полевых или лабораторных условиях.
Методология исследований
Методология исследований в области агрофизики состоит из нескольких этапов[9]:
- Агрофизики изучают физические процессы в почве, растениях, атмосфере и разрабатывают физическую модель рассматриваемого процесса (явления).
- Эта модель завершается составлением функциональной блок-схемы — схемы, отражающей взаимосвязи между процессами.
- Эту схему дополняют конкретными зависимостями между отдельными блоками (например, между фотосинтезом и дыханием), процессами и действующими факторами внешней среды (например, между фотосинтезом и температурой).
- В результате полевых и лабораторных экспериментов выделяются физические параметры, формируется вид зависимости между изучаемыми блоками.
- На заключительном этапе исследования формулируется математическая модель исследованных процессов (явлений) с учётом взаимных связей с факторами внешней среды. При этом появляется возможность управлять этими процессами (явлениями).
Направления исследований
Специалисты в области агрофизики проводят исследования в следующих направлениях[10]:
- изучение физических процессов взаимодействия растений со средой (тепловой и водный режимы, газообмен и др.) с использованием экспериментальных установок и физических приборов, в том числе полупроводниковых приборов, электронно-ионной аппаратуры, радиоактивных излучений;
- разработка систем мониторинга и контроля состояния почвы (влажности, солёности и т. д.) и роста растений;
- оценка восприимчивости почвы к водной и ветровой эрозии;
- мониторинг и диагностика биологической активности почвы;
- определение загрязнения сельскохозяйственной продукции (фруктов, овощей и т. д.);
- анализ научно-технической ценности семян и зерна;
- оценка качества фруктов и овощей и изменения их пищевой ценности в период хранения и др.
Эксперименты в области агрофизики
В области агрофизики проводятся эксперименты по изучению физических свойств и физического состояния почвы, воздуха, семян и растений. Эти исследования направлены на понимание физических процессов, происходящих в системе «почва — растения — атмосферный слой», и на разработку методов активного воздействия на растения и среду.
Некоторые эксперименты в области агрофизики[11].
Почва
- Изучение агрофизических свойств: структуры почвы (как элементарные почвенные частицы формируют агрегаты), пористости (доли пустот, которые могут содержать воздух и воду), водопроницаемости (способности почвы пропускать через себя воду).
- Исследование гранулометрического состава: распределение частиц по размерам в лабораторных и полевых условиях; это позволяет оценить водоудерживающую способность и проницаемость почвы.
- Изучение тепловых свойств: их влияние на температуру почвы, что оказывает влияние на биологическую активность и рост растений.
- Исследование пространственного распределения физических свойств: например, закладка длинномерных траншей, вдоль которых на различных глубинах изучают морфологию почвенных горизонтов и определяют основные показатели физического состояния.
- Использование комплексного показателя — «индекса физического состояния» (ИФС), который позволяет описывать не отдельное свойство почвы, а агрофизическое состояние почвы в целом[12].
Воздух
- Изучение влияния ветра на тепловое состояние воздуха и почвы. Например, эксперимент, в котором ветер, перемещающий слои воздуха в горизонтальном направлении, усиливает перемешивание тёплого и холодного воздуха, который соприкасается с поверхностью почвы.
- Изучение процессов испарения воды растениями (транспирации). Например, эксперимент, в котором изменяют величину вегетативного аппарата растения, влияя на процесс испарения воды. С увеличением листовой поверхности растений почва всё больше закрывается от солнечных лучей, меньше нагревается и меньше испаряет влаги, но при этом увеличивается расход воды на испарение листьями растений[13].
Семена
- Изучение физических свойств семян. Например, использование интроскопических методов неразрушающего контроля семян — микрофокусной рентгенографии и газоразрядной визуализации. Эти методы позволяют визуализировать внутренние формообразующие структуры семени и выявлять их плотностные, объёмные и линейные аномалии без разрушения семени.
- Исследование влияния почвенно-климатических условий на посевные качества семян (морфометрические показатели, энергия прорастания, всхожесть). Например, эксперименты, в которых выявляют дифференцирующее воздействие почвенно-климатических условий контрастных эколого-географических зон на сортовые свойства семян.
- Изучение влияния ориентации семян в магнитном поле Земли и искусственных магнитов на скорость их прорастания. Эксперименты показывают, что при проращивании семян в магнитном поле рост проростов, корней и стеблей в дальнейшем резко ускоряется при ориентации корешков семян к Южному полюсу Земли или постоянного магнита (явление магнитотропизма)[14].
Растения
- Наблюдения за изменениями физических условий внешней среды (тепловым, водным, воздушным и световым режимом растений), а также за влиянием этих условий на рост, развитие и урожай растений. Например, эксперимент, в котором изменяют величину вегетативного аппарата растения, влияя на процесс испарения воды растениями.
- Динамическое исследование движения воды в проводящих сосудах стеблей, поступления воды в корни, интенсивности дыхания и фотосинтеза, электрофизиологических количественных характеристик органов при изменении освещённости, температуры, влагообеспеченности, минерального питания.
- Изучение влияния на семена и растения различных видов излучений и полей — электростатического, магнитного и электромагнитного полей, звуковых и ультразвуковых волн, радиации[15].
Результаты агрофизических исследований после опытных проверок могут быть внедрены в практику земледелия для повышения урожайности сельскохозяйственных культур.
Примечания
Литература
- Основы агрофизики / П. В. Вершинин, М. К. Мельникова, Б. Н. Мичурин [и др.]; под редакцией академика А. Ф. Иоффе и кандидата сельско-хозяйственных наук И. Б. Ревута. — М. : Физматгиз, 1959. — 903 с.
- Ревут И. Б. Физика почв. — Л. : Колос. [Ленингр. отд-ние], 1964. — 319 с.
- Роде А. А. Основы учения о почвенной влаге. — Л. : Гидрометеоиздат, 1965—1969. — 2 т.
- Нерпин С. В., Чудновский А. Ф. Физика почвы. — М. : Наука, 1967. — 583 с.
- Physical Methods in Agriculture. Approach to Precision and Quality, edts. J. Blahovec and M. Kutilek, Kluwer Academic Publishers, New York. 2002. 454 p. — ISBN 0-306-47430-1.
- Шеин Е. В., Гончаров В. М. Агрофизика. — Ростов-на-Дону : Феникс, 2006. — 400 с. — ISBN 978-5-7913-1119-1.
- Методы исследований в агрофизике: краткий курс лекций для аспирантов направления подготовки 35.06.01 «Сельское хозяйство» / Сост.: В. И. Губов // ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». — Саратов, 2014. — 66 с.
- Агрофизические и агрохимические методы исследования почв : учебно-методическое пособие / сост. В. И. Терпелец, В. Н. Слюсарев. — Краснодар : КубГАУ, 2016. — 65 с.
- Корчагин А. А., Мазиров И. М., Щукин И. М. Агрофизика и реология почв : учеб. пособие / Владим. гос. ун-т им. А. Г. и Н. Г. Столетовых ; Верхневолж. федер. аграр. науч. центр. — Владимир : Изд-во ВлГУ, 2022. — 199 с. — ISBN 978-5-9984-1466-4.