Авторы: профессор, д.б.н. Е.В.Шеин, доцент, к.б.н. В.М.Гончаров

I. Организационно-методический раздел

Цель курса – изучение физических процессов в системе почва-растение-деятельный слой атмосферы, разработка основ, методов и средств управления продуктивностью агроэкологических систем.

Задачи курса – формирование единого подхода к функционированию агроэкологической системы и методам управления ее продуктивностью на основе целостных исследований взаимосвязанных физических и физико-химических процессов. За последние годы уровень познания биосферы существенно возрос. Только объединенные общей методологией, согласованные усилия физиков, почвоведов, математиков, биофизиков, физиологов растений, агрономов, физико-химиков, метеорологов и климатологов способны достичь адекватного познания системы почва-растение-деятельный слой атмосферы, важнейшим элементом которого является сельскохозяйственное поле. Решение этой проблемы осуществляется в рамках особой области знаний, каковой является агрономическая физика.

Место курса в профессиональной подготовке выпускника. Спецкурс читается на 4 курсе кафедры физики и мелиорации почв после прослушивания основных курсов: «Общая химия», «Общая физика», «Почвоведение», «Агрохимия», «Физика и мелиорация почв».

Требования к уровню освоения содержания курса. Из прослушанных ранее курсов студент должен знать почвоведение, агрохимию, физику и мелиорацию почв; понимать основные закономерности поведения почвенной влаги и питательных элементов в почве и системе «почва-растение». Данный спецкурс предполагает знание отдельных разделов курса «Физиология растений».

II. Содержание курса

Темы и краткое содержание

Введение. Агрономическая физика (агрофизика) – наука, занимающаяся исследованием физических процессов в системе почва-растение-деятельный слой атмосферы, разработкой основ, методов и средств управления продуктивностью агроэкологических систем с целью повышения эффективности земледелия и растениеводства. Современное состояние естественных наук, формирующих единую систему знаний о функционировании агроценозов и методах управления их продуктивностью, достигла такого уровня развития, что только целостное исследование взаимосвязанных физических и физико-химических процессов в элементах системы может обеспечить успешное развитие теоретической и практической агрономии. К настоящему времени агрономическая физика сформировалась в самостоятельную область знаний и получила широкое признание, как в нашей стране, так и за рубежом. Основателем современной школы агрофизиков был академик А.Ф.Иоффе. Большой вклад в дело развития агрономической физики внесли такие выдающиеся отечественные ученые как А.Г.Дояренко, А.Ф.Лебедев, А.Т.Морозов, А.Ф.Чудновский, С.В.Нерпин.

Агрофизика состоит из трех основных разделов:(1) физика почв, (2) физические процессы в растениях, (3) физика приземного слоя атмосферы.

Физика почв

Тема 1. Современные представления о структуре почв. Структура твердой фазы почв, ее составляющие и функции. Гранулометрическая составляющая и ее влияние на физические свойства почв и протекающие в них процессы. Связь между гранулометрической, минералогической и химической структурных составляющих почв. Особенности кристаллической структуры глинистой фракции почв, ее влияние на свойства фракций и почвы в целом (емкость катионного обмена, поглощение воды, набухание). Взаимодействие поверхностей почвенных частиц с гумусовыми веществами, оксидами и гидроксидами железа, алюминия, кремния. Состав обменных катионов и его влияние на физические свойства почв и протекающие в них процессы. Классификация почв по гранулометрическому составу как основа для их экспертной оценки агротехнической и гидромелиоративной оценки. Агрегатная составляющая почв и ее значение для агрофизических свойств почв. Условия и механизмы связывания почвенных частиц и образования агрегатов. Распределение агрегатов по размерам, их состав и свойства. Агрономически ценный агрегатный состав (структура). Коркообразование на поверхности почв как следствие их дезагрегирования и неблагоприятного гранулометрического состава. Пути сохранения и улучшения агрономически ценной структуры почв. Пористость почв - результат дисперсности и агрегированности почв. Распределение пор по размерам и дифференциальная пористость. Межагрегатная (структурная) и внутриагрегатная (текстурная) пористость почв. Гидрологические и экологические функции пор. Агрономическая оценка пористости почв.

Плотность почв. Плотность твердой фазы почв. Плотность сложения сухой почвы как обобщенный показатель физического состояния почв. Равновесная плотность почв. Оптимальные показатели плотности сложения почв для основных возделываемых культур. Оптимизация почвенного слоя по размеру агрегатов, порозности посевного и лежащего под ним слоев, дифференциация пахотного слоя по агрегатному составу и плотности. Количественные подходы к оценке структуры почвы: традиционный, физико-механический, энергетический. Параметры энергетической оценки структуры почвы, диаграмма структурного состояния, основное уравнение взаимосвязи поверхностной энергии и структуры порового пространства. Методы определения основных показателей для энергетической оценки структуры почвы. Комплексная агрофизическая оценка почв.

Тема 2. Механика и технологические характеристики почв. Физическая спелость почвы как основа оптимального крошения почвы плугом при вспашке. Связь механических свойств с физическим состоянием почв. Комплексное сопоставление физико-механических и технологических свойств почв. Корреляция и функциональная зависимость между отдельными свойствами почв и значение их для теоретических расчетов одних свойств по другим. Переуплотнение почв на сельскохозяйственных угодьях, его следствия и пути его устранения. Давление движителей почвообрабатывающих машин и сельскохозяйственных транспортных средств на почвы. Распространение уплотняющих деформаций по профилю почвы и их связь с площадью колес и гусениц. Способы снижения уплотняющих нагрузок на почву.

Тема 3. Вода как один из основных компонентов растительного организма и важнейшая составная часть структуры почв. Содержание воды в почве и ее энергетическое состояние - тесно связанные между собой характеристики,обусловливающие поведение воды в почвах. Использование метода термодинамических потенциалов для оценки энергетического состояния в системе почва- растение-приземный слой атмосферы. Зависимость потенциала воды от влажности - основная гидрофизическая характеристика (ОГХ). Связь ОГХ со структурно-функциональными физическими свойствами (прочностью, пластичностью, текучестью почв, их набуханием и усадкой, липкостью, уплотняемостью) и категориями почвенной влаги (основными почвенно-гидрологическими константами).

Движение воды в почвах. Закон Дарси. Механизмы переноса воды в почвах. Особенности движения воды в насыщенной и ненасыщенной водой почвах. Движение воды в не насыщенной влагой почве. Градиент матричного и гравитационного давлений. Ненасыщенная гидравлическая проводимость, зависимость от влажности и давления влаги в почве. Единицы измерения. Изменение насыщенной и ненасыщенной гидравлической проводимостей при изменении гранулометрического состава, плотности почв, состава порового раствора и поглощенных оснований. Значение для расчетов движения влаги. Понятие о прогнозных моделях балансового и дифференциального типов. Водный баланс почв и его составляющие. Инфильтрация и ее экологические следствия. Типы водного режима почв.

Тема 4. Перенос в почвах растворенных веществ. Конвективный и диффузионный перенос веществ. Гидравлическая дисперсия. Комбинированный перенос, конвективно-диффузионное уравнение переноса ионов в почвах. Различные виды сорбции, количественные характеристики сорбции. Засоленность и солонцеватость почв. Перенос газов в почвах. Воздухопроницаемость почв. Конвективный и диффузионный механизмы переноса. Транспорт кислорода и диоксида углерода в воздухоносных порах и жидкой фазе. Воздухо- и газообмен почв. Состав газовой фазы почв. Роль организмов в образовании газовой фазы почвы. Дыхание почв. Аэрация почв. Газовый режим почв, суточные и сезонные циклы. Теплофизические характеристики и перенос теплоты в почвах. Температура, теплоемкость, теплопроводность и температуропроводность почв. Зависимость теплофизических характеристик от структурных составляющих твердой фазы почв (гранулометрический, агрегатный, минералогический составы), плотности и влажности почвы. Прогнозные модели. Зависимость продуктивности от температуры почвы, понятие о критических (кардинальных по Ревуту) температурах почвы и необходимой сумме средних температур. Значение для устойчивого земледелия, экологии, создания почвенных обогреваемых конструкций.

Физические процессы в растениях.

Тема 5. Основные понятия о процессах фотосинтеза и дыхания. Параметры роста и развития: общая фитомасса, абсолютный прирост, относительный прирост, абсолютная и относительная скорость роста, индекс результирующего накопления (нетто-аккумуляция), индекс листовой поверхности. Потребление воды растениями. Значение гидрофизических свойств почвы, биологических особенностей растений и агрометеорологических факторов. Транспирация и продуктивность растений. Транспирационные коэффициенты. Относительная транспирация - показатель водообеспеченности растений. "Транспирационная трапеция". Влияние концентрации и формы корневой системы растений. Строение корня. Зоны иссушения корней. Особенности движения воды в корне, стебле, листьях.

Тема 6. Поглощение веществ растениями. Механизмы переноса веществ к корню: конвекция, диффузия, "перехват". Влияние различных факторов: влажности, плотности, твердости, радиуса корня, температуры почвы и приземного воздуха, токсичных элементов (AL, Mn), недостатка Са, конкурирующих ионов (эффект Вайтса), доступности кислорода. Перенос веществ в корне (по апопласту, по симпласту). Взаимодействие корней растений с почвой. Изменения в ризосфере (изменения рН, плотности почвы, концентрации солей). Внесение удобрений и рост корней. Отношение «корни/надземные органы»: три гипотезы, рассматривающие растения как систему из емкости и источника поглотителя. Физика приземного слоя атмосферы.

Тема 7. Солнечная радиация, ее виды. Радиационный баланс. Зависимость физиологических процессов в растениях от характеристик лучистого потока: направления лучистых потоков, фотопериодичности, спектрального состава видимого света, инфракрасной и ультрафиолетовой составляющих. Опыты Б.С.Мошкова по влиянию фотопериодичности и значению вечернего света. Практическое значение этих опытов для оптимизации густоты посева, светового режима в теплицах для различных культур, для выбора зимостойких и морозостойких видов при их интродукции. Влияние растительного покрова на энергообмен в почвах. Тепловой баланс, его составляющие. Аэрометоды расчета эвапотранспирации. Энергобалансовые методы. Комбинированный метод Пенмана. Классификация тепловых режимов почв. Теплообеспеченность растений. Сезонная и многолетняя мерзлота почв.

Тема 8. Газообмен в системе почва-растение-приземный слой атмосферы. Планетарная и экологическая роль газообмена между почвой, атмосферой и растительным покровом. Состав газовой фазы почв. Влияние организмов и состава твердой фазы на состав газовой фазы почв. Суточный и сезонный газовые режимы почв. Дыхание почв. Изменение газового режима почв при их сельскохозяйственном использовании.

Тема 9. Подходы к оценке требований растений к условиям внешней среды. Законы факторов роста Либиха и Митчерлиха. Агрометеорологические прогнозы для различных периодов вегетации, фаз развития растений, урожая.

Примерная тематика рефератов, курсовых работ. Критерии физической оценки почв. Подходы к оценке устойчивости структуры. Комплексная агрофизическая оценка почв. Доступность воды и урожай. Воздействие окружающей среды на рост и жизнедеятельность растений. Влияние внешних факторов на изменения в ризосфере. Моделирование поглощения веществ растениями. Учет пространственной вариабельности физических свойств почв в формировании урожая. Моделирование поглощения веществ растениями. Почвенно-физические режимы. Современные подходы к оценке водного и воздушного режимов почв. Актуальные направления в агрофизике и физике почв.

Примерный перечень вопросов к зачету по всему курсу. Элементарные почвенные частицы. Классификация и состав. Состав и свойства почвенных агрегатов. Агрономически ценная структура почв. Агрегатный состав почв и методы его изучения. Агрегатный состав и урожай растений. Использование данных по агрегатному и микроагрегатному составу почв для оценки почв. Удельная поверхность почвы. Методы определения и расчета удельной поверхности. Современные представления о структуре почв. Концепция иерархии структурных уровней организации почвы. Влажность почв: размерности, методы определения и формы представления данных. Доступность воды растениям. Почвенно-гидрологические константы. Основная гидрофизическая характеристика почвы, методы её определения. Использование основной гидрофизической характеристики. Связь почвенно-гидрологических констант с основной гидрофизической характеристикой. Современная концепция почвенно-гидрологических “констант” и категорий почвенной влаги. Методы измерения полного и капиллярно-сорбционного (матричного) потенциалов почвенной влаги. Гистерезис. Термодинамический подход к процессу переноса влаги в системе почва-растение-атмосфера. Потребление воды растениями. Влагообеспеченность растений и ее регулирование. «Транспирационная трапеция». Значение гидрофизических свойств почвы, биологических особенностей растений и агрометеорологических факторов. Насыщенная гидравлическая проводимость (коэффициент фильтрации) почв. Зависимость от свойств почв и методы определения. Движение воды в ненасыщенной почве. Модифицированный закон Дарси. Отклонения от закона Дарси. Применение для насыщенных и не насыщенных влагой почв. Водные режим и баланс почв. Перенос ионов в почвах. Основные механизмы и параметры. Движение растворенных веществ в почве и растении. Основные параметры переноса ионов в почвах. «Выходная кривая». Поглощение веществ растениями. Механизмы переноса веществ к корню: конвекция, диффузия, "перехват". Влияние различных факторов на поглощение веществ: влажности, плотности, твердости, радиуса корня, температуры почвы и приземного воздуха, токсичных элементов (AL, Mn), недостатка Са, конкурирующих ионов (эффект Вайтса), доступности кислорода. Радиационный и тепловой баланс почвы. Солнечная радиация, ее виды. Зависимость физиологических процессов в растениях от характеристик лучистого потока: направления лучистых потоков, фотопериодичности, спектрального состава видимого света, инфракрасной и ультрафиолетовой составляющих. Влияние растительного покрова на энергообмен в почвах. Перенос тепла в почве. Тепловой баланс, его составляющие. Аэрометоды расчета эвапотранспирации. Энергетический баланс непокрытой растительностью почвы. Температуропроводность почв. Зависимость температуропроводности от гранулометрического состава почв и влажности. Экологическая роль почвенного воздуха. Влияние аэрации на свойства почв, протекающие в них процессы и развитие растений. Диффузионный перенос газов в почве. Оценка требований растений к факторам внешней среды. Современные подходы определения оптимальности условий.

III. Распределение часов курса по темам и видам работ

№ п/п

Наименование тем и разделов

Всего часов

Аудиторные занятия (час.), в т. ч.

Лекции

Семинары

1

Агрофизика твердой фазы почв: Количественные подходы к оценке структуры почв:

3

2

1

2

Многофакторная оценка почвенно-физических условий (плотность, структура, удобрения, строение пахотного слоя). Комплексная агрофизическая оценка.

1

1

3.

Параметры роста и развития растений.

3

2

1

4 .

Влагообеспеченность растений. Водные режим и баланс почв.

4

2

2

5.

Соотношение корневой и надземной биомассы. Влияние различных факторов на рост корней.

4

2

2

6.

Механизмы переноса веществ к корню. Перенос ионов в корне. Кинетика поглощения ионов

4

2

2

7.

Солнечная радиация и ее виды. Зависимость физиологических процессов в растениях от характеристик лучистого потока. Тепловой баланс.

3

1

2

8.

Оценка требований растений к факторам внешней среды. Агрометеопрогнозы.

2

2

ИТОГО

24

13

11

IV. Форма итогового контроля – экзамен

V. Учебно-методическое обеспечение курса

Литература основная

  1. Бахтин П.У. Исследования физико-механических и технологических свойств основных типов почв СССР. М, "Колос", 1969.
  2. Воронин А.Д. Основы физики почв. Изд. Моск. ун-та 1986.
  3. Воронин А.Д. Структурно-функциональная гидрофизика почв. М, Изд. Моск. ун-та, 1984.
  4. Дояренко А.Г. Избранные сочинения. М, 1963.
  5. Медведев В.В. Оптимизация агрофизических свойств черноземов. М, "Агропромиздат" 1988.
  6. Основы агрофизики. Под ред. А.Ф.Иоффе и И.Б.Ревут. Гос. изд. физ. -мат. литературы 1959.
  7. Полевой В.В. Физиология растений. М, Высшая школа, 1989.
  8. Слейчер Р. Водный режим растений. М, "Мир", 1970.
  9. Судницын И.И. Передвижение почвенной влаги и влагопотребление растений. Изд. Моск. ун-та, 1979.
  10. Хэнкс Р.Дж.,Ашкфорт Дж.Л. Прикладная физика почв. Л, Гидрометеоиздат, 1985.

Рецензент: профессор, д.б.н. А.Л.Степанов